刀刮法软质PVC发泡高强涤纶膜结构材料的配方优化
发布时间:2020年7月21日 点击数:3821
近年来，聚氯乙烯作为四大通用塑料之一在发泡材料开发应用领域得到了迅速发展。软质PVC发泡制品是以树脂为基础而内部具有无数微孔性气体的塑料制品，又称多孔性塑料
发泡本身是一种动态而且复杂的过程，涉及到科学原理和控制加工工艺的工程参数
连荣炳等
在实际应用过程中，不同类型发泡剂以及配方设计的不同，会对PVC发泡材料在泡孔结构、发泡制品的密度、硬度以及发泡表面平整度等方面都具有显著的影响。所以，研究不同发泡剂配方的发泡效果十分有必要。但是目前对刀刮法软质PVC发泡高强涤纶膜结构材料配方筛选和优化方面的研究还存在不足。根据实际生产经验，笔者发现使用Ba-Zn205和K-Zn9004复配的热稳定剂体系可以降低AC的分解温度，调整Ba-Zn205和K-Zn9004的配比可使AC的分解温度与刀刮法软质PVC塑化温度相一致，且可以遏制PVC的热分解老化。本研究在生产经验基础上重点研究液体稳定剂（Ba-Zn205、K-Zn9004），闪星二锑粉(主要成分Sb2O3)对AC-6000分解温度和吸放热的影响；并对PVC糊树脂、发泡剂、成核剂、泡孔调节剂等主要助剂对软质PVC发泡材料的影响进行了正交试验研究，分析其发泡倍数和微观泡孔结构，总结各组分对发泡材料性能的影响，最终优选出高发泡倍数且表面平整、泡孔均匀细密的配方体系用于生产刀刮法软质PVC发泡膜结构材料。本研究对新型刀刮法软质PVC阻燃发泡高强涤纶膜结构材料的开发具有指导意义。
1 实 验
1.1 实验仪器
电子天平（上海光正医疗仪器有限公司）；JJ-1精密增力电动搅拌器（金坛西城区新瑞仪器厂）；NDJ-5S数显旋转黏度仪（邦西仪器科技（上海）有限公司）；电热鼓风干燥箱（上海姚氏仪器厂）；数码电子显微镜（东菀市新索科仪器有限公司）；DSC-204型测量仪（德国NETZSCH公司）；CH-10-AT型测厚仪（上海六菱仪器厂）。
1.2 实验原料
实验中所用药品见表1。
表1实验所用药品 导出到EXCEL
|
药品 |
规格 |
厂家 |
|
聚氯乙烯糊树脂 |
E67ST、E69ST |
Vinnolit |
|
增塑剂 |
邻苯二甲酸二异壬酯(DINP) |
镇江联城化学工业有限公司 |
|
发泡剂 |
偶氮二甲酰胺(AC-6000:DINP 1:1) |
浙江舜泰科技有限公司 |
|
稳定剂 |
钡锌稳定剂（Ba-Zn205） |
德清东来化工有限公司 |
|
助发泡稳定剂 |
钾锌稳定剂K-Zn9004 |
德清东来化工有限公司 |
|
阻燃剂 |
闪星二锑粉（Sb2O3） |
闪星锑业有限责任公司 |
|
成核剂 |
纳米CaCO3 |
江西华明纳米钙有限公司 |
|
发泡助剂 |
ACR-401 |
温州天盛塑料助剂有限公司 |
|
辅助增塑剂 |
环氧大豆油（ESO） |
桐乡嘉澳化工有限公司 |
1.3 实验方案
1.3.1 发泡体系稳定剂配比的设计
AC-6000/热稳定剂配方见表2。
表2 AC-6000/热稳定剂配方（phr） 导出到EXCEL
|
编号 |
Ba-Zn205 |
K-Zn9004 |
Sb2O3 |
AC-6000 |
|
1 |
0 |
2.5 |
12 |
9 |
|
2 |
1 |
2.5 |
12 |
9 |
|
3 |
2 |
2.5 |
12 |
9 |
|
4 |
3 |
2.5 |
12 |
9 |
|
5 |
1 |
1 |
12 |
9 |
|
6 |
1 |
2 |
12 |
9 |
|
7 |
1 |
3 |
12 |
9 |
|
8 |
1 |
4 |
12 |
9 |
|
9 |
1 |
2.5 |
8 |
9 |
|
10 |
1 |
2.5 |
16 |
9 |
1.3.2 AC-6000/热稳定剂的DSC分析
将表2中的配方进行配制并充分混合均匀，并做DSC分析。并选取其中最优稳定剂配比作为下个实验的稳定剂配方。因素水平表见表3。
表3因素水平 导出到EXCEL
|
水平 |
(A) 纳米CaCO3 |
(B)树脂添加比例 E67ST：E69ST |
(C) AC-6000 |
(D) ACR-401 |
|
1 |
3 |
50:50 |
9 |
12 |
|
2 |
0 |
33:67 |
15 |
4 |
|
3 |
6 |
25:75 |
13 |
8 |
|
4 |
9 |
75:25 |
17 |
0 |
|
5 |
12 |
67:33 |
11 |
16 |
1.3.3 以主要影响因素制定正交试验方案
根据实际生产经验，影响PVC发泡效果的因素主要有：纳米CaCO3、AC-6000、ACR-401用量及树脂添加比例。据此提出4因素5水平的正交实验方案。本实验不考虑因素间的交互作用，L25(56)是满足条件m≥5最小的Ln(5m)型正交表，故选用正交表L25(56)来安排实验。其正交试验方案见表4，实验配方见表5。
表4正交试验方案 导出到EXCEL
|
实验号 |
A |
B |
C |
空列 |
D |
空列 |
试验方案 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
A1B1C1D1 |
|
2 |
1 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
A1B2C2D2 |
|
3 |
1 |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
A1B3C3D3 |
|
4 |
1 |
4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
A1B4C4D4 |
|
5 |
1 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
A1B5C5D5 |
|
6 |
2 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
A2B1C2D4 |
|
7 |
2 |
2 |
3 |
4 |
5 |
1 |
A2B2C3D5 |
|
8 |
2 |
3 |
4 |
5 |
1 |
2 |
A2B3C4D1 |
|
9 |
2 |
4 |
5 |
1 |
2 |
3 |
A2B4C5D2 |
|
10 |
2 |
5 |
1 |
2 |
3 |
4 |
A2B5C1D3 |
|
11 |
3 |
1 |
3 |
5 |
2 |
4 |
A3B1C3D2 |
|
12 |
3 |
2 |
4 |
1 |
3 |
5 |
A3B2C4D3 |
|
13 |
3 |
3 |
5 |
2 |
4 |
1 |
A3B3C5D4 |
|
14 |
3 |
4 |
1 |
3 |
5 |
2 |
A3B4C1D5 |
|
15 |
3 |
5 |
2 |
4 |
1 |
3 |
A3B5C2D1 |
|
16 |
4 |
1 |
4 |
2 |
5 |
3 |
A4B1C4D5 |
|
17 |
4 |
2 |
5 |
3 |
1 |
4 |
A4B2C5D1 |
|
18 |
4 |
3 |
1 |
4 |
2 |
5 |
A4B3C1D2 |
|
19 |
4 |
4 |
2 |
5 |
3 |
1 |
A4B4C2D3 |
|
20 |
4 |
5 |
3 |
1 |
4 |
2 |
A4B5C3D4 |
|
21 |
5 |
1 |
5 |
4 |
3 |
2 |
A5B1C5D3 |
|
22 |
5 |
2 |
1 |
5 |
4 |
3 |
A5B2C1D4 |
|
23 |
5 |
3 |
2 |
1 |
5 |
4 |
A5B3C2D5 |
|
24 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
5 |
A5B4C3D1 |
|
25 |
5 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
A5B5C4D2 |
表5实验配方 导出到EXCEL
|
编号 |
E67ST |
E69ST |
DINP |
Ba-Zn2O5 |
K-Zn9004 |
Sb2O3 |
AC-6000 |
ESO |
纳米CaCO3 |
ACR-401 |
|
1 |
50 |
50 |
65 |
1 |
3 |
12 |
9 |
2.5 |
3 |
12 |
|
2 |
33 |
67 |
65 |
1 |
3 |
12 |
15 |
2.5 |
3 |
4 |
|
3 |
25 |
75 |
65 |
1 |
3 |
12 |
13 |
2.5 |
3 |
8 |
|
4 |
75 |
25 |
65 |
1 |
3 |
12 |
17 |
2.5 |
3 |
0 |
|
5 |
67 |
33 |
65 |
1 |
3 |
12 |
11 |
2.5 |
3 |
16 |
|
6 |
50 |
50 |
65 |
1 |
3 |
12 |
15 |
2.5 |
0 |
0 |
|
7 |
33 |
67 |
65 |
1 |
3 |
12 |
13 |
2.5 |
0 |
16 |
|
8 |
25 |
75 |
65 |
1 |
3 |
12 |
17 |
2.5 |
0 |
12 |
|
9 |
75 |
25 |
65 |
1 |
3 |
12 |
11 |
2.5 |
0 |
4 |
|
10 |
67 |
33 |
65 |
1 |
3 |
12 |
9 |
2.5 |
0 |
8 |
|
11 |
50 |
50 |
65 |
1 |
3 |
12 |
13 |
2.5 |
6 |
4 |
|
12 |
33 |
67 |
65 |
1 |
3 |
12 |
17 |
2.5 |
6 |
8 |
|
13 |
25 |
75 |
65 |
1 |
3 |
12 |
11 |
2.5 |
6 |
0 |
|
14 |
75 |
25 |
65 |
1 |
3 |
12 |
9 |
2.5 |
6 |
16 |
|
15 |
67 |
33 |
65 |
1 |
3 |
12 |
15 |
2.5 |
6 |
12 |
|
16 |
50 |
50 |
65 |
1 |
3 |
12 |
17 |
2.5 |
9 |
16 |
|
17 |
33 |
67 |
65 |
1 |
3 |
12 |
11 |
2.5 |
9 |
12 |
|
18 |
25 |
75 |
65 |
1 |
3 |
12 |
9 |
2.5 |
9 |
4 |
|
19 |
75 |
25 |
65 |
1 |
3 |
12 |
15 |
2.5 |
9 |
8 |
|
20 |
67 |
33 |
65 |
1 |
3 |
12 |
13 |
2.5 |
9 |
0 |
|
21 |
50 |
50 |
65 |
1 |
3 |
12 |
11 |
2.5 |
12 |
8 |
|
22 |
33 |
67 |
65 |
1 |
3 |
12 |
9 |
2.5 |
12 |
0 |
|
23 |
25 |
75 |
65 |
1 |
3 |
12 |
15 |
2.5 |
12 |
16 |
|
24 |
75 |
25 |
65 |
1 |
3 |
12 |
13 |
2.5 |
12 |
12 |
|
25 |
67 |
33 |
65 |
1 |
3 |
12 |
17 |
2.5 |
12 |
4 |
1.3.4 试样制备与测试方法
按表5中的配方用电子天平准确称量进行配料。用电动搅拌器充分搅拌混合均匀，倒出适量浆料于烘干过的脱模纸上，然后用刮涂棒将其刮涂均匀，放入110℃的电热烘箱中预塑化3min，然后取出冷却测量厚度，再将其转入190℃进行发泡塑化3min，取出后在室温下冷却，称量其对应预塑化位置处的厚度，分别每组取10个点去掉最高值和最低值计算平均发泡倍数。发泡倍数计算公式如下：
（1）
1.3.5 电镜分析
采用数码电镜观察发泡材料的泡孔结构。将发泡试样用锋利的刀片在中部切开，并用黑色颜料对其横切面进行表面涂色，用电镜放大50倍观察其形貌。
2 结果与分析
2.1 AC-6000/热稳定剂的DSC实验结果
表6 发泡剂体系的DSC实验结果 导出到EXCEL
|
编号 |
峰尖温度/℃ |
峰尖吸热值/mW |
峰尾温度/℃ |
峰尾吸热值/mW |
|
1 |
187.54 |
-8.07 |
191.54 |
9.63 |
|
2 |
186.95 |
3.35 |
193.54 |
14.17 |
|
3 |
189.48 |
2.53 |
194.48 |
15.77 |
|
4 |
188.40 |
9.43 |
195.40 |
16.44 |
|
5 |
193.39 |
-8.00 |
197.39 |
34.00 |
|
6 |
189.38 |
4.97 |
194.38 |
22.25 |
|
7 |
180.38 |
6.31 |
189.38 |
21.57 |
|
8 |
185.40 |
9.65 |
192.40 |
22.66 |
|
9 |
187.36 |
2.73 |
193.36 |
26.04 |
|
10 |
188.36 |
7.51 |
193.36 |
26.83 |
本实验软质PVC的塑化温度为190~200℃，而偶氮二甲酰胺（AC)在205℃下才开始出现放热分解。从实验结果看：Ba-Zn205的添加量对AC-6000的分解温度影响不大，提高Ba-Zn205的添加量仅使得完全分解温度略微提升；另一方面加入Ba-Zn205会提高AC-6000分解的吸热值，从而避免AC-6000分解发生自加速现象。K-Zn9004的添加量对AC-6000的分解温度影响很大，提高K-Zn9004的添加量AC-6000的分解温度先降低后升高，其中K-Zn9004添加量为3份时AC-6000分解温度最低，体系在189.38℃时即可完全分解，与PVC的塑化温度相匹配。闪星二锑粉对于体系的分解温度完全没有影响，添加量提高仅使得体系的吸热值提高，对体系影响不大，因此在本体系中维持原配方不变。综上，AC-6000/热稳定剂以第7组为最优配方。发泡体系10组DSC曲线见图1。
图1发泡体系10组DSC曲线 下载原图
发泡剂的分解峰形越窄，其分解速度就越快。从图1中可以看出：该体系分解峰分布较宽，说明该体系可以降低AC发泡速率。降低AC分解峰宽度有利于软质PVC产品发泡时产生均匀的泡孔结构，避免短时间剧烈分解时气体集聚使材料发生破孔或者产生较大气泡，有利于软质PVC发泡材料的加工成型。
2.2 正交实验方案结果
25组平均发泡倍数折线图见图2。
图2 发泡倍数测量结果 下载原图
正交实验分析数据结果见表7。
表7 实验方案结果分析 导出到EXCEL
|
指标 |
|
A |
B |
C |
空列1 |
D |
空列2 |
|
|
平均发泡倍数 |
K1 |
20.38 |
19.59 |
16.58 |
20.15 |
19.18 |
20.37 |
T=99.13；P=393.07；Q=404.07 |
|
K2 |
19.58 |
21.39 |
22.02 |
18.75 |
22.10 |
19.32 |
||
|
K3 |
22.49 |
19.33 |
20.69 |
18.79 |
20.14 |
19.29 |
||
|
K4 |
19.44 |
19.72 |
19.13 |
21.11 |
20.02 |
21.57 |
||
|
K5 |
17.25 |
19.11 |
20.71 |
20.34 |
17.70 |
18.59 |
||
|
k1 |
4.08 |
3.92 |
3.32 |
4.03 |
3.84 |
4.07 |
||
|
k2 |
3.92 |
4.28 |
4.40 |
3.75 |
4.42 |
3.86 |
||
|
k3 |
4.50 |
3.87 |
4.14 |
3.76 |
4.03 |
3.86 |
||
|
k4 |
3.89 |
3.94 |
3.83 |
4.22 |
4.00 |
4.31 |
||
|
k5 |
3.45 |
3.82 |
4.14 |
4.07 |
3.54 |
3.72 |
||
|
极差R |
5.24 |
2.29 |
5.44 |
2.35 |
4.41 |
2.98 |
方差分析及显著性水平见表8。
表8 方差分析 导出到EXCEL
|
差异源 |
SS |
df |
MS |
F |
|
A |
2.85 |
4 |
0.71 |
4.08 |
|
误差B+（误差E） |
0.66 |
12 |
2.1 |
|
|
C |
3.48 |
4 |
0.87 |
4.97 |
|
D |
2.05 |
4 |
0.51 |
2.94 |
|
总和 |
9.04 |
24 |
|
|
AC-6000、纳米CaCO3和ACR-401三因素影响趋势图如图3所示。
图3 AC-6000、纳米CaCO3、ACR-401与发泡倍数关系折线图 下载原图
若单以发泡倍数作为唯一指标，发泡倍数越大越好。从表7的发泡倍数测量结果表可以看出编号11的配方平均发泡倍数最大为5.53倍，编号16的配方平均发泡倍数最小为2.95倍。因此在所做实验组中最佳配方为11号。
经F检验查得临界值：Fα=0.05（4，12）=3.26、Fα=0.01（4，12）=5.41，所以对于给定显著水平α=0.05、α=0.01，因素A即纳米CaCO3添加量、C即AC添加量对实验结果有显著的影响。因素D即ACR-401对实验结果无显著影响，因素B即树脂添加比例对结果的影响更小。从表8可以看出，在不考虑交互作用的情况下，试样的优化方案应该取最大K值所对应的水平，即A3B2C2D2，即纳米CaCO3为6份，树脂比例为1:2，AC-6000为15份，ACR-401为4份。
从表8看出纳米CaCO3为6份，AC-6000为15份，ACR-401为4份时试样的发泡倍数应为最大值。结合图3可以看出，试样的发泡倍数并不是添加纳米CaCO3、AC、ACR-401越多越好。随着添加量的增加，发泡倍数都呈现先上升后减小的情况。
由于在实际生产过程中，单纯以发泡倍数来判定发泡效果的好坏比较片面，也不太科学，因此在评价发泡优劣时还需结合发泡制品内部泡孔结构情况来分析。只有找到两者的最佳平衡点才能使得产品具有更好的使用寿命和优越性能。因此需进一步结合优化试验方案发泡倍数及用电镜观察其截面，分析并评价发泡的情况。
2.3 优化方案制样及测量
根据表8 实验方案及实验结果分析，配制最优配方，编号26。优化方案实验配方及发泡倍数表见表9。
表9 优化方案实验配方及发泡倍数 导出到EXCEL
|
编号 |
E67ST |
E69ST |
DINP |
Ba-Zn2O5 |
K-Zn9004 |
Sb2O3 |
AC-6000 |
ESO |
纳米CaCO3 |
ACR-401 |
发泡倍数 |
|
26 |
33 |
67 |
65 |
1 |
3 |
12 |
15 |
2.5 |
6 |
4 |
5.23 |
代表性组因素水平配比表见表10。
表10 代表性组因素水平配比 导出到EXCEL
|
编号 |
树脂比 |
AC-6000 |
ACR-401 |
纳米CaCO3 |
发泡倍数 |
|
2 |
1:2 |
15 |
4 |
3 |
4.97 |
|
6 |
1:1 |
15 |
0 |
0 |
3.89 |
|
11 |
1:1 |
13 |
4 |
6 |
5.53 |
|
16 |
1:1 |
17 |
16 |
9 |
2.95 |
|
19 |
3:1 |
15 |
8 |
9 |
4.58 |
选取具有代表性的试验组2、6、11、16、19进行横切面电镜观察。
从试样6号电镜切面图可见其泡孔结构不匀，有较大气泡，16号虽然没有泡孔不匀现象，但是发泡倍数最低，且质地紧密硬实。从图4(c)中可见2号试样泡孔有并孔不匀现象，19号试样切面泡孔均匀，但是发泡倍数不大。观察优化方案实验组26号试样虽然发泡倍数较大，但是内部有较多大气泡产生，且发泡效果较及发泡倍数较11号差，可以表明在11号AC添加量的情况下进一步提高AC用量不仅得不到更大的发泡倍数，反而会使其内部泡孔结构变得不均匀，且有较粗大泡孔产生的趋势。
图4发泡切面电镜图 下载原图
结合表10和图4分析可知在高发泡剂添加量的情况下，ACR-401和纳米CaCO3的添加量对体系的发泡倍数和泡孔结构有较大影响。纳米CaCO3在体系中起着成核剂、补强剂的作用。且碳酸钙是来源广且价格低廉的一种填料，在塑料材料中有很好的填充效果
因此综合发泡倍数和泡孔结构，试样11的配方为最佳，即E67ST的添加份数为33，E69ST的添加份数为67，DINP的添加份数为65，Ba-Zn2O5的添加份数为1，K-Zn9004的添加份数为3，Sb2O3的添加份数为12，AC-6000的添加份数为17，ESO的添加份数为2.5，纳米CaCO3的添加份数为6，ACR-401的添加份数为8。
3 结 论
a)对于AC-6000/热稳定剂体系：Ba-Zn205的添加量对AC-6000的分解温度影响不大；K-Zn9004添加量的提高会使AC-6000的分解温度先降低后升高，当K-Zn9004添加量为3份时AC-6000分解温度最低，且与PVC的塑化温度相匹配；闪星二锑粉添加量提高仅使得体系的吸热值提高，对于体系中AC的分解温度没有明显影响。因此本体系的最佳配方是Ba-Zn205为1份，K-Zn9004为3份，Sb2O3为12份。
b)根据正交试验结果：纳米CaCO3和AC的添加量对实验结果有显著的影响，而ACR-401对实验结果无显著影响，树脂添加比例对结果的影响更小。本实验中，纳米CaCO3为6份，树脂比例为1:2，AC-6000为15份，ACR-401为4份可获得最大发泡倍数。
c)从电镜照片中可得：在高发泡剂添加量的情况下，ACR-401和纳米CaCO3的添加量在一定程度上影响着体系的发泡倍数和泡孔结构。在纳米钙过低添加时，发泡性能下降；在过多添加时，泡孔难以增长。而AC过量使用不仅得不到更大的发泡倍数，反而会使其内部泡孔结构变得不均匀，且有较粗大泡孔产生的趋势。最终的最优配比为：树脂比为1:1，AC-6000为13份，ACR-401为4份，纳米CaCO3为6份。
