耐酸蚀PVC复合材料制备及性能研究_陈朝彬.pdf

第1期耐酸蚀PVC复合材料制备及性能研究陈朝彬1，熊耀奇1，钟龙兴1，李佩瑛2，3，周隆晋2，3，苏胜培2，3*（1.湖南联塑科技实业有限公司，湖南 宁乡 410600；2.湖南师范大学 化学化工学院，湖南 长沙 410081；3.石化新材料与资源精细利用国家地方联合工程实验室，湖南 长沙 410081）摘要：使用无水石膏代替碳酸钙作为填料，与聚氯乙烯（PVC）共混制备了耐酸蚀PVC复合材料。当无水石膏添加量为40份时，耐酸蚀PVC复合材料腐蚀度降低为1.63 g/m2，优于耐酸蚀PVC腐蚀度要求。该耐酸蚀材料较添加相同份数碳酸钙的PVC材料相比，热稳定性增加，开始分解温度提升4，800 质量保留率为碳酸钙复合材料的1.3倍；拉伸强度为33.80 MPa，提高28.0%；弯曲模量为1 051 MPa，降低13.4%，冲击强度为8.86 kJ/m2，降低20.0%。关键词：无水石膏；耐酸蚀；腐蚀度中图分类号：TB332文献标志码：A文章编号：1009-9212（2023）01-0067-05DOI：10.19342/ki.issn.1009-9212.2023.01.014Preparation and Properties of Acid Corrosion Resistant PVC CompositesCHEN Chao-bin1,XIONG Yao-qi1,ZHONG Long-xing1,LI Pei-ying2,3,ZHOU Long-jin2,3,SU Sheng-pei2,3*(1.Hunan Liansu Technology Industrial Co.,Ltd.,Ningxiang 410600,China;2.College of Chemistry and ChemicalEngineering,Hunan Normal University,Changsha 410081,China;3.National&Local Joint Engineering Laboratoryfor New Petro-chemical Materials and Fine Utilization of Resources,Changsha 410081,China)Abstract：Acid corrosion-resistant polyvinyl chloride(PVC)composites were prepared using anhydrous gypsuminstead of calcium carbonate as the filler.The advantage was that when the loading of filler is 40,the corrosiondegree of the acid corrosion resistant PVC composite material was of 1.63 g/m2,lower than the data required for acidcorrosion resistant PVC product.Meanwhile,the decomposition temperature was increased by 4,and the tensilestrength was 33.80 MPa,which was increased by 28.0%.But the bending modulus was 1 051 MPa with a reductionof 13.4%,and the impact strength was 8.86 kJ/m2with a reduction of 20.0%.Key words：anhydrous gypsum;acid corrosion resistance;corrosion作者简介：陈朝彬（1982），男，广东顺德人，工程师，研究方向：高分子复合材料研究（E-mail：）。联 系 人：苏胜培，教授，博士生导师，研究方向：高分子复合材料（E-mail：）。收稿日期：2022-11-07功能材料第53卷第1期2023年2月精 细 化 工 中 间 体FINE CHEMICAL INTERMEDIATESVol.53 No.1Feb.2023聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，简称 PVC）具有优良的强度、耐腐蚀性、高填充性、刚性，是通用树脂中生产和消费量最大的树脂之一1-3。PVC树脂应用广泛，其中硬质 PVC（U-PVC）管道常用作运输生活废水或排水使用。PVC树脂具有高填充性，厂家在制备制品时，通常使用价格低廉、不耐酸的碳酸钙作为填料，制备的材料易腐蚀和老化，需及时更换。国家规定用于市政排水的硬 PVC管材需要使用至少 80%以上的PVC树脂以保证耐酸蚀性能4。表明耐酸蚀性是PVC树脂在加工使用过程中需要关注的重要性能之一5。第53卷精细化工中间体常用的提高PVC制品耐酸蚀性能方法有：1）降低填料添加份数；2）在制品内部加一层防腐涂层6-7；3）将 PVC 制品内层中嵌合一层 PE 材料，制备具有复杂结构的耐腐蚀PVC制品8；4）使用非碳酸钙填料，如硅灰石、硫酸钙晶须等材料制备PVC材料9-10。降低填料份数会增加制品成本、涂层和嵌合防腐蚀层工艺复杂、硅灰石等材料存在填实密度大、成本高等问题，产业化和市场化困难。所以迫切需要一种成本低廉、且具有高耐酸性能填料来提高PVC材料耐酸性。无水石膏主要化学组成为无结晶水CaSO4，在我国工业储备量超过70亿吨。无水石膏物理性能优良，化学性质稳定，具有较好的化学稳定性、耐酸蚀性能优秀11。本文拟通过无水石膏作为填料制备PVC-无水石膏复合材料，考察材料的耐酸蚀综合性能。1实验部分1.1仪器、试剂与原料仪器：SHR-10A高速混合机（张家港设备有限公司）、LAB-30-2017同向双螺杆挤出机（南京越升挤出机械有限公司）、GEK 80注塑机（浙江金鹰塑料机械有限公司）、LS-POP（9）激光粒度分析仪（欧美克公司）、WDW-20万能电子试验机（长春新试验机有限责任公司）、JCJ-11-15A触摸屏式摆锤冲击试验机（吉林省泰和试验机有限责任公司）、TGA-4000热重分析仪（美国Perkin Elmer公司）。试剂与原料：PVC树脂（SG5，中泰化学有限公司）、钙-锌热稳定剂（TCS-108A-B，山东金昌树脂新材料科技有限公司）、邻苯二甲酸二丁酯（DOP，广州翁江化学试剂有限公司）、硬脂酸（SA1840，杭州油脂化工有限公司）、氯化聚乙烯（CPE-135，河北雄发新材料科技有限公司）、无水石膏（白色，D90=8.4 m，湖南金拓科技公司）、BT-2 碳酸钙（白色，D90=6.9 m，江门市汇雄非金属材料有限公司）。1.2实验步骤1.2.1耐酸蚀PVC复合材料制备使用无水石膏代替传统的碳酸钙作为PVC填料，制备耐酸蚀复合材料，配方见表1。按照设定配方质量准确称量各组分原料，将PVC、热稳定剂、DOP在 70 下于高速混合机中混合10 min，升温至110，加入硬脂酸、CPE混合5 min再加入填料，在2 000 r/min下混合5 min，冷却物料至40 以下出料。高混料经双螺杆挤出机挤出后水冷牵条造粒。双螺杆挤出机按照物料前进方向的螺筒温度为：145、145、155、155、160、160、170、170、180、180、185。转速150 r/min，切粒速度8.5 r/min。粒子干燥后经注塑机注塑成型。为对照无水石膏与碳酸钙作为PVC复合材料填料的性能区别，设置对比样，分别使用050份碳酸钙作为PVC复合材料的填料，其余配方及加工条件均不改变。将制备出的PVC-碳酸钙复合材料样条与PVC-无水石膏耐酸蚀复合材料一同进行性能测试。1.2.2性能测试粒径分析测试条件：将填料投于去离子水中并超声分散5 min，分散介质为去离子水，无水石膏测试样品材质设置为硫酸钙，碳酸钙测试样品材质设置为碳酸钙。腐蚀度：按照QB/T 38011999标准方法，测量待测样品长、宽、厚，并计算样条表面积，记为S（单位：m2）。样条表面用石油醚擦净烘干 24 h，并称质量，记为M1（单位：g）。然后浸没在38%硝酸酸液中，6 h后取出用蒸馏水冲洗表面，并用滤纸吸去表面水分，烘干，称重记为M2（单位：g），并计算腐蚀度，腐蚀度A（单位：g/m2）计算公式如式（1）。A=M1-M2S（1）表1耐酸蚀PVC复合材料配方表Table 1Formulation table of antistatic PVC compositesPVCPVC-10无水石膏PVC-20无水石膏PVC-30无水石膏PVC-40无水石膏PVC-50无水石膏100100100100100100硬脂酸/份111111CPE/份1.51.51.51.51.51.5钙锌稳定剂/份555555DOP/份555555无水石膏/份1020304050材料名称PVC68第1期待测样品均测试5个平行样并取平均值。拉伸测试条件：按照GB/T 1040.12018进行，原始标距30 mm，样条宽度5 mm，厚度2 mm，拉伸速率5 mm/min。待测样品均测试5个平行样并取平均值。弯曲测试条件：按照 GB/T 93412008 进行，支座跨距86 mm，样条厚度6 mm，宽度15 mm，下降速率5 mm/min。待测样品均测试5个平行样并取平均值。抗冲击测试条件：按照GB/T 1043.12008执行。摆锤7.5 J，跨距70 mm，缺口类型A型。待测样品均测试5个平行样并取平均值。TGA测试条件：取35 mg干燥后的待测样品置于坩埚内，氮气气氛，氮气气流速率为40 mL/min，以20/min的升温速率从30 升至800，由软件记录其剩余质量随温度的变化。2结果与讨论2.1耐酸蚀PVC复合材料填料粒径分析为考察不同产地及厂家的无水石膏及碳酸钙的粒径大小及分布情况，使用激光粒度分析仪对无水石膏及碳酸钙进行测试，测试结果见图1。结果表明，无水石膏粒径分布较为集中（D90=8.4 m），在1.0 m附近有1个较小的分布集中区，对PVC复合材料的力学性能有一定影响。碳酸钙粒径分布较宽（D90=6.9 m），一定程度上可以增加材料耐冲击性能。2.2耐酸蚀PVC复合材料耐酸蚀性能为了考察不同填料添加份数对PVC复合材料耐酸蚀性能的影响，使用38%硝酸酸液对相应样品进行腐蚀度测试，腐蚀度越大表示复合材料耐酸蚀性能越差。测试数据如图2。由图2可知，无填料PVC材料有良好的耐酸蚀性能，腐蚀度仅为0.18 g/m2，根据标准QB/T 38011999，PVC管材腐蚀度需低于2.21 g/m2。为降低成本，PVC材料中会加入大量填料，由图2（a）可知，当填料为无水石膏时，PVC复合材料的腐蚀度随填料质量份数上升逐渐上升。无水石膏添加份数为40份时，PVC复合材料腐蚀度为1.63 g/m2，优于标准QB/T 38011999要求；由图2（b）对比可知，碳酸钙添加PVC份数为20份时，复合材料腐蚀度为2.21 g/m2，已不满足标准要求，添加份数为 40份时，复合材料腐蚀度达5.87 g/m2，远高于无水石膏在相同添加份数下PVC复合材料的腐蚀度。无水石膏作为填料的耐腐蚀性能较碳酸钙更优，盐酸、硫酸、硝酸等常见酸都不能溶解无水石膏。复分解反应发生条件是强酸制弱酸，无水石膏倘若要被溶解，必须生成2个可溶物，硫酸根离子本身为强酸根离子，不能发生置换反应，所以无水石膏有较好的耐酸蚀性能；碳酸钙与酸反图1填料粒径分析图Fig.1Filler particle size analysis（a）PVC-无水石膏复合材料腐蚀度数据图；（b）PVC-碳酸钙复合材料腐蚀度数据图图2复合材料腐蚀度数据图Fig.2Corrosion data plot of composite materials陈朝彬，等：耐酸蚀PVC复合材料制备及性能研究69第53卷