PVC门-C树脂门分子结构与加工性能关系研究

PVC门-C树脂门分子结构与加工性能关系研究

PVC门-C（CPVC门）作为一种高性能的工程塑料，有诸多PVC门树脂门无法比拟的优点，同时也存在一些不足——主要体现在热稳定性和加工性能两方面。影响CPVC门树脂门热稳定性能和加工性能主要因素是树脂门本身和加工过程中所使用的助剂。

对于加工性能，研究人员通过在CPVC门树脂门中添加各种助剂来提高CPVC门树脂门的热稳定性，改善加工流动性以及其它性能。甚至在CPVC门树脂门中混入第二甚至第三组分（其它树脂门）来改善其加工性能，虽然取得了一些进展，但同时也降低了CPVC门树脂门的其它使用性能。

从CPVC门树脂门加工的角度对树脂门的相对分子质量及其分布、树脂门的氯含量及氯原子的分布、粒子的亚微相态对加工性能影响的研究还未见报道。本文通过对CPVC门树脂门性能的研究，讨论了CPVC门树脂门的相对分子质量及其分布、树脂门氯含量及氯原子的分布、粒子的亚微相态对其加工性能的影响，对国内CPVC门的生产以及在加工时CPVC门树脂门的选择具有积极的指导意义。

CPVC门树脂门相对分子质量及其分布的研究

表1 不同CPVC门树脂门的GPC测试结果：

树 脂

型 号 数 均

分子量 重 均

分子量 峰 位

分子量 黏 均

分子量 多 分

散 性

1# 39900 81400 78800 76300 2.04

2# 31100 65700 70800 61700 2.11

3# 34100 73800 74700 69000 2.16

4# 35700 77600 78200 72700 2.17

5# 37200 79600 78300 75300 2.14

6# 56300 127600 123000 116000 2.27

CPVC门树脂门的相对分子质量越大，分子链越长，分子链中包含的基本单元就越多，因此分子间作用力、内摩擦阻力都增大，熔融黏度相应升高，加工流动性变差，材料的可加工性变差，给加工成型带来困难。相对分子质量过小则分子链间的作用力迅速减小，导致材料力学性能迅速下降。因此，研究树脂门的相对分子质量及其分布，使其兼顾到使用性能和加工性能两方面的要求，是十分必要的。

表1是不同CPVC门树脂门的GPC测试结果，由表1可以看出：1#～5#树脂门的相对分子质量比较接近，尤其是峰位相对分子质量都在75000左右；6#树脂门的相对分子质量大，其峰位相对分子质量往相对分子质量大的方向偏移，且分子量分布宽，而其他5种树脂门分子量分布相对较窄，且相对分子质量峰值较小。6种树脂门的分子量分布差异大的为1＃树脂门和6＃树脂门——1#树脂门分子量分布小，6#树脂门的分子量分布大。

CPVC门树脂门氯含量及氯原子分布的研究

聚合物分子链中的氯含量及氯原子在主链上的分布情况在很大程度上影响分子链的断裂方式和速率，从而影响树脂门的热稳定性；氯原子的分布情况同时会影响分子链的极性，而分子链间的相互作用对树脂门的加工流动性有很大影响。随着氯含量增大，CPVC门分子链中出现比较多的-CCl2-结构，相应的出现-CHCl-CCl2-结构的几率增加，从键能的角度考虑，这使得分子链受热时易分解；而在氯含量相同时，如果分子链中含有较多的-CHCl-结构，即-CHCl-百分含量较高时，CPVC门树脂门的热稳定性就比较优异。因此，研究CPVC门树脂门的氯含量及氯原子的分布对树脂门加工性能及热稳定性的影响规律，是十分必要的。

表2 不同CPVC门树脂门中结构单元摩尔含量和氯含量

树脂门 各结构单元的摩尔百分含量 氯含量％

-CH2- -CHCl- -CCl2-

1# 23.89 67.85 8.26 69.48

2# 23.14 67.92 8.94 69.86

3# 28.89 65.16 5.96 67.41

4# 23.41 68.50 8.09 69.56

5# 21.89 68.07 10.04 70.46

6# 27.68 67.10 5.23 67.55

表2是实验用6种树脂门的NMR测试结果，从中可以看出，1#、2#、4#三种树脂门的氯含量相近，-CH2-、-CHCl-、-CCl2-三种基本结构的摩尔百分含量相差不大；3#树脂门和6#树脂门的氯含量相对较低，6#树脂门中的-CCl2-结构的百分含量略低于3#树脂门，明显要低于其他4种树脂门。因此，其分子链中形成-CHCl-CCl2-结构可能性就较低，其热稳定性也应该优于其他树脂门。5#树脂门的氯含连高，-CCl2-结构的百分含量也明显高于其他五种树脂门，-CCl2-结构的大量存在以及-CH2-含量的明显降低使得分子链中形成-CHCl-CCl2-结构的可能性增加。从键能的角度考虑，6#树脂门的热稳定性应该好。

CPVC门树脂门粒子亚微相态的研究

CPVC门存在树脂门塑化困难、熔体黏度大、加工温度高且温度范围窄等诸多问题。在加工过程中，CPVC门的粒子作为基本的微粒，受热同时在设备的作用下发生挤压、摩擦等作用，逐渐达到软化、熔融状态。因此对粒子的亚微相态进行研究也成为改善其加工性能的一个重要方面。

为了分析不同树脂门粒子之间的差异，应用SEM对实验用的CPVC门树脂门粒子的亚微相态进行了观察。6种树脂门的SEM照片所示可知，1#、4#、5#三种树脂门的表面形貌相似，皮层完整而致密；2#、3#两种树脂门表面附着大量的微小颗粒，皮层较为完整；6#树脂门的皮层几乎完全被破坏，表面大量的亚颗粒子，亚颗粒子堆积均匀。从CPVC门树脂门断面的SEM照片看，3#、4#树脂门内部结构相似，亚颗粒子之间的堆积疏密不一；1#、2#、5#三种树脂门内部的亚颗粒子分布相对较好，同样存在堆积疏密不一的问题；6#树脂门内部亚颗粒子堆积均匀。

不同树脂门加工性能的研究

PVC门经氯化后由于在分子链中引入了大量的氯原子，使得分子链的极性增大，整个分子链相对僵硬，柔韧性变差。随着氯含量的增大，分子链的刚性也增加，熔体黏度变大，加工难度随之增加，因此研究不同CPVC门树脂门的加工性能是非常重要的。

为了研究CPVC门树脂门的分子结构及粒子的亚微相态等与树脂门加工性能的关系，本实验应用Brabender转矩流变仪研究了6种CPVC门树脂门的加工性能，并结合前面对树脂门的结构表征进行了分析。图2是各种CPVC门树脂门的流变曲线，从流变曲线可以判断出树脂门在相同条件下的加工性及热稳定性，从而可以找到一种加工流动性及热稳定性优良的CPVC门树脂门。

在加工初期，CPVC门树脂门在受热和剪切的作用下，开始塑化，扭矩随着塑化的进行而迅速升高。在经过约3分钟的继续受热、受剪切作用后，粒子才塑化均匀，进入稳定的加工中期。在树脂门完全塑化熔融前，1#～5#树脂门的流变曲线形状相似，只是扭矩大小不等，加工前期只有6#树脂门的流变曲线塑化熔融峰不明显，没有出现明显的大值，扭矩直接达到平衡，标志着塑化已经完全。树脂门塑化后，6种树脂门都进入加工相对稳定的阶段，扭矩相对平衡，波动不大。3#树脂门的平衡扭矩较小，2#、4#树脂门进入加工稳定阶段后曲线几乎完全重合。1#、5#两种树脂门的扭矩大，6#树脂门的扭矩随着加工的进行，略有下降。从稳定时间来看，6#树脂门好，3#、5#其次，1#、2#、4#三种树脂门稳定时间短。

1#～5#树脂门的流变曲线形状相似主要是因为树脂门粒子的亚微相态决定的，这五种树脂门的皮层结构和亚颗粒子的结构及其堆积状态相似，6#树脂门的流变曲线几乎没有出现大峰值，扭矩直接达到平衡，其树脂门熔融塑化比较快，这主要是因为6#树脂门粒子有适合加工的亚微相态——皮层完全被破坏，表面及内部的亚颗粒子堆积均匀——这种粒子结构有利于树脂门的快速均匀塑化，加工生产的稳定进行。因此，6#树脂门有比较好的加工性能。

树脂门的平衡扭矩主要受树脂门的氯含量及其分子链中氯原子分布、相对分子质量大小及其分布的影响。2#和4#树脂门的平衡扭矩几乎相同，主要是因为2种树脂门粒子相对分子质量及其分布相差不大，树脂门的氯含量及3种基本结构单元的摩尔百分含量相近。3#树脂门和4#树脂门相对分子质量大小及其分布相近，实验过程中物料温度也几乎相同，而平衡扭矩却有所差别，这是因为3#的氯含量较小，特别是极性较大的-CHCl-结构含量较小，整个分子链的极性相对较小，分子中链锻与链锻之间以及分子之间相互作用较4#小，因此，相同条件下3#树脂门扭矩较4#小。1#和2#树脂门的氯含量及氯原子分布相似，平衡扭矩的差异主要是由于相对分子质量引起的，1#树脂门的相对分子质量较大，分布相对较窄，所以平衡扭矩较大。1#、5#、6#树脂门平衡扭矩较大，其中6#树脂门主要是因为相对分子质量大引起的，1#、5#树脂门则是由于氯含量较高引起的。

树脂门的热稳定性主要是由氯含量及分子链中氯原子分布决定的。从图2和表2中看出，树脂门的稳定性时间基本随着氯含量的增加而减小。相同氯含量条件下，树脂门的氯原子分布对树脂门的稳定性影响很大树脂门分子链中含有比较多的-CHCl-结构、比较少的-CCl2-结构时，CPVC门树脂门的热稳定性相对较好。6#树脂门的氯含量低，氯原子分布也基本符合上述要求，所以其在实验中稳定时间长，而和6#树脂门氯含量及氯原子分布相似的3#树脂门热稳定时间相对较短可能是因为树脂门颗粒表面附着的细小微粒引起的（SEM照片可以清楚地看出）。