沖擊改性劑對(duì)PVC酒瓶底座材料性能的影響

袁雄

(宜賓天億新材料科技有限公司，四川 宜賓 644000)

四川及鄰近的貴州是我國(guó)白酒生產(chǎn)大省，白酒生產(chǎn)企業(yè)眾多。2017年,四川白酒產(chǎn)量約372萬(wàn)t，是我國(guó)白酒產(chǎn)量最高的省份，占全國(guó)白酒產(chǎn)量的31%[1]。如此大的產(chǎn)量給白酒包裝材料帶來(lái)了極大的需求，而塑料酒瓶底座和頂套包裝占白酒包裝材料的50%左右，具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。目前，酒瓶底座基本采用ABS材料，而ABS價(jià)格遠(yuǎn)高于PVC，因此PVC酒瓶底座具有巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

PVC具有良好的力學(xué)性能，優(yōu)良的阻燃性、耐化學(xué)腐蝕性、耐磨性、絕緣性等性能[2]，且價(jià)格低廉、原料來(lái)源豐富, 因此應(yīng)用廣泛。但PVC也存在熱穩(wěn)定性差、韌性差、加工性能差等缺點(diǎn)[3]。要用PVC替代ABS用于酒瓶底座，就必須對(duì)PVC材料進(jìn)行增韌改性處理。PVC材料的改性主要為物理共混改性和化學(xué)改性。相對(duì)于化學(xué)改性來(lái)說(shuō)，物理共混改性(如加入MBS、CPE、ACR等)的成本較低，操作簡(jiǎn)單，加工方便，比較適合工業(yè)化生產(chǎn)，所以筆者通過(guò)物理共混改性來(lái)開(kāi)發(fā)PVC酒瓶底座。

1 PVC增韌機(jī)制[4-5]

要對(duì)PVC樹(shù)脂進(jìn)行增韌改性，首先應(yīng)掌握其機(jī)制。經(jīng)過(guò)多年的研究，人們對(duì)PVC增韌改性機(jī)制的認(rèn)識(shí)已逐漸走向成熟。目前，較為認(rèn)同的理論是由Bucknall等提出的銀紋-剪切帶理論，該理論主要內(nèi)容如下。

(1)由于沖擊改性劑微粒的楊氏模量與PVC樹(shù)脂相差較大(僅為樹(shù)脂的0.1%)，因此沖擊改性劑在材料中充當(dāng)了應(yīng)力集中點(diǎn)。當(dāng)材料受力時(shí)，作用力就會(huì)集中到兩相界面，圍繞改性劑微粒的赤道面上應(yīng)力被放大，隨離開(kāi)微粒距離的增加，被放大后的應(yīng)力迅速減少到原來(lái)的應(yīng)力水平。應(yīng)力集中使沖擊改性劑赤道面上誘發(fā)大量銀紋，并誘發(fā)剪切帶，從而吸收和消耗了大量能量。

(2)由于沖擊改性劑能控制銀紋的發(fā)展，防止銀紋發(fā)展成破壞性的裂紋，因而提高了材料的沖擊強(qiáng)度。

(3)沖擊改性劑的“空穴”作用在引發(fā)剪切屈服方面起著十分重要的作用。沖擊改性劑內(nèi)部自由表面的形成在一定程度上緩解了聚合物的剪切屈服。

總之，根據(jù)銀紋-剪切帶理論，沖擊改性劑微粒降低了總的銀紋引發(fā)應(yīng)力，并利用微粒變形和剪切帶阻止銀紋伸長(zhǎng)。對(duì)于PVC材料來(lái)說(shuō)，在沖擊改性劑用量相同的前提下，沖擊改性劑的粒徑較小，則材料中沖擊改性劑的有效體積分?jǐn)?shù)越高，各位置拉截和分散應(yīng)力的能力越強(qiáng)。

用于PVC的沖擊改性劑主要分為2大類(lèi)：相容分散型，如CPE、EVA；粒子分散型，如MBS、ACR等。相容分散型沖擊改性劑主要存在以下特點(diǎn)：①由于相容分散型沖擊改性劑與PVC在加工溫度下相容，會(huì)引起成型制品沖擊強(qiáng)度和熱變形溫度的下降；②相容分散型沖擊改性劑與PVC樹(shù)脂的折射率不同，會(huì)降低產(chǎn)品的透明度；③在不同的加工條件下，由于相容分散型沖擊改性劑的分散狀態(tài)不同，要達(dá)到較好的增韌效果，加工條件范圍會(huì)變窄。而粒子分散型沖擊改性劑中與PVC相容性較好的組分接枝聚合于橡膠粒子外層，因此其加工條件范圍更寬，增韌效果更明顯。綜上所述，筆者選取粒子分散型沖擊改性劑MBS和ACR對(duì)PVC材料進(jìn)行物理共混改性。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)原料

PVC-SG8，宜賓天原集團(tuán)股份有限公司；加工ACR，NSR401，山東瑞豐高分子材料股份有限公司；抗沖ACR，LS-61，山東瑞豐高分子材料股份有限公司；MBS，B564，日本鐘淵化學(xué)株式會(huì)社；硬脂酸，SA-1840，豐益油脂科技有限公司；納米碳酸鈣，SPSL-1，江西華明納米碳酸鈣有限公司；鉛鹽熱穩(wěn)定劑，TK238，重慶太岳科技有限公司。

2.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

電子拉力試驗(yàn)機(jī)，LWK-250，廣州試驗(yàn)儀器有限公司；沖擊試驗(yàn)機(jī)，CBL-11J，長(zhǎng)春第二試驗(yàn)機(jī)有限公司；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，WD-E，廣州市廣材試驗(yàn)儀器有限公司；沖擊試驗(yàn)機(jī)，CBL-11J ，長(zhǎng)春第二試驗(yàn)機(jī)有限公司；開(kāi)放式煉塑機(jī)，KY-3203W-160，東莞市厚街開(kāi)研機(jī)械設(shè)備廠；平板硫化機(jī)，KY-3201B，東莞市厚街開(kāi)研機(jī)械設(shè)備廠。

2.3 試樣制備

2.3.1 試驗(yàn)配方

PVC樹(shù)脂，100份；加工ACR，0.5份；鉛鹽熱穩(wěn)定劑，4份；硬脂酸，0.8份；納米碳酸鈣，10份；PE蠟，0.5份。

2.3.2 制樣流程

制樣流程見(jiàn)圖1。

圖1 制樣流程Fig.1 Process flow of specimen preparation

2.4 性能測(cè)試

沖擊強(qiáng)度按照GB/T 1043.1—2008《塑料 簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定 第1部分：非儀器沖擊試驗(yàn)》檢測(cè)，沖擊速度為3.8 m/s，沖擊能量為7.5 J，擺錘預(yù)揚(yáng)角為150°。

斷裂伸長(zhǎng)率按照GB/T 1040.1—2006《塑料 拉伸性能的測(cè)定 第1部分：總則》，測(cè)試溫度為23 ℃，拉伸速度為5 mm/min。

2.5 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

市售ABS酒瓶底座材料的沖擊強(qiáng)度為10.5 kJ/m2，斷裂伸長(zhǎng)率為21%，因此筆者將其作為PVC酒瓶底座材料的性能指標(biāo)。

3 結(jié)果與討論

3.1 單獨(dú)添加抗沖ACR

單獨(dú)添加抗沖ACR時(shí)，其用量對(duì)PVC酒瓶底座材料性能的影響見(jiàn)表1、圖2和圖3。由圖2和圖3可知：PVC酒瓶底座材料的沖擊強(qiáng)度隨著ACR用量的增加呈先上升后降低的趨勢(shì)；當(dāng)添加12份抗沖ACR時(shí)，PVC酒瓶底座材料的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值(9 kJ/m2)；隨著ACR用量的增加，PVC酒瓶底座材料的斷裂伸長(zhǎng)率逐漸提高。

表1 抗沖ACR用量對(duì)PVC酒瓶底座材料性能的影響

圖3 抗沖ACR用量對(duì)PVC酒瓶底座材料斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.3 Effect of addition amount of impact ACR on elongation at break of PVC materials for wine bottle bases

3.2 單獨(dú)使用MBS

單獨(dú)添加MBS時(shí)，其用量對(duì)PVC酒瓶底座材料性能的影響見(jiàn)表2、圖4和圖5。由圖4和圖5可知：隨著MBS用量的逐漸增加，PVC酒瓶底座材料的沖擊強(qiáng)度呈先上升后降低的趨勢(shì)；當(dāng)添加17份MBS時(shí)，PVC酒瓶底座材料的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大(10 kJ/m2)；隨著MBS用量的增加，PVC酒瓶底座材料的斷裂伸長(zhǎng)率呈先提高后降低的趨勢(shì)[4]。

表2 MBS用量對(duì)PVC酒瓶底座材料性能的影響

圖5 MBS用量對(duì)PVC酒瓶底座材料斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.5 Effect of addition amount of MBS on elongation at break of PVC materials for wine bottle bases

3.3 復(fù)合使用抗沖ACR和MBS

復(fù)合使用抗沖ACR和MBS時(shí)，控制沖擊改性劑總用量為12份，其配比對(duì)PVC酒瓶底座材料性能的影響見(jiàn)表3、圖6和圖7。由圖6和圖7可知：隨著抗沖ACR比例的增大，PVC酒瓶底座材料的沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；當(dāng)抗沖ACR、MBS用量均為6份時(shí)，PVC酒瓶底座材料的沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均達(dá)到最大，分別為11 kJ/m2和24%。

表3 沖擊改性劑配比對(duì)PVC酒瓶底座材料性能的影響

圖6 沖擊改性劑配比對(duì)PVC酒瓶底座材料沖擊強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of impact modifier ratio on impact strength of PVC materials for wine bottle bases

圖7 沖擊改性劑配比對(duì)PVC酒瓶底座材料斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.7 Effect of impact modifier ratio on elongation at break of PVC materials for wine bottle bases

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)抗沖ACR與MBS復(fù)配的方式，PVC酒瓶底座的沖擊性能得到有效改善，達(dá)到了ABS酒瓶底座的性能指標(biāo)，不僅降低了酒瓶底座的生產(chǎn)成本，也拓寬了PVC制品的應(yīng)用領(lǐng)域，為開(kāi)發(fā)其他PVC制品積累了經(jīng)驗(yàn)。