納米粒子增韌改性聚氯乙烯的研究進展

刁潤麗 李峰

摘 ? 要：聚氯乙烯（PVC）具有性能優異、原料來源廣泛、價格低廉等優點，但其硬而脆的性能嚴重影響其在生產過程中的使用，所以，急需對其進行增韌改性。綜述了聚氯乙烯增韌改性的現狀、納米粒子增韌改性聚氯乙烯（PVC）的作用機理及方法，指出了增韌過程中存在的問題，并對納米粒子增韌改性聚氯乙烯的前景進行了展望。

關鍵詞：納米粒子;聚氯乙烯（PVC）;增韌;改性

聚氯乙烯（Polyvinylchloride，PVC）是最早工業化、產量略低于聚乙烯的通用塑料，具有耐磨、耐腐蝕、阻燃、絕緣等優異性能，且原材料來源廣泛、價格較低，因此，被廣泛應用于管材、薄膜、防腐材料、絕緣材料、建筑材料等領域[1-2]。但熱穩定性不高，質地硬而脆，抗沖擊能力低，耐老化性差，限制了PVC在實際生產中的應用。因此，需要對PVC進行增韌改性，這也一直是PVC領域的研究熱點和重點[3-4]。

PVC的增韌改性一般分為化學改性和物理改性兩種。化學改性的成本高，過程復雜，設備要求嚴格，因而應用受到限制。目前，主要采用物理方法對其進行改性。物理改性主要是通過機械共混的方法將改性劑和PVC進行共混，可在簡單的生產設備中應用。物理改性主要分為彈性體增韌改性和剛性粒子增韌改性。彈性體改性只能提高韌性，成本也高[5-6]。剛性粒子增韌在增加韌性的同時，不降低剛度、模量，主要分為有機剛性粒子增韌和無機剛性粒子增韌。有機剛性粒子價格較高，所以，無機剛性粒子應用更為廣泛，其納米粒子性能更優越[7]。

1 ? ?聚氯乙烯增韌改性機理

化學改性主要是通過接枝、共聚的方法改變PVC的分子結構而實現增韌增強，因其工藝復雜而應用很少[8]。物理改性靠引入的改性劑和基體之間形成相界面，受力時，界面塑性形變、吸收大量的能量而改性。該方法簡單、應用廣泛，主要有彈性體改性、有機剛性粒子改性和無機剛性粒子改性3種。

1.1 ?彈性體機理

彈性體包裹聚氯乙烯粒子形成網絡結構，這種結構可有效吸收材料受到的沖擊力，并且網格結構破裂以后也可吸收部分沖擊力，提高了聚氯乙烯的韌性，從而達到增韌改性的目的[9]。

1.2 ?有機剛性粒子機理

聚氯乙烯分散相界面與基體黏合時，分散相粒子被靜壓力拉長，轉變為韌性粒子，材料的韌性因此而增強。剛性粒子拉伸時，其附近的基體產生反作用，也可吸收部分沖擊力，使聚氯乙烯的抗沖擊強度得到提高。

1.3 ?無機剛性粒子機理

在無機剛性粒子與聚氯乙烯基體黏合時，因為兩者的相容性較差，所以界面明顯、應力集中，出現大量銀紋。當有外力沖擊時，材料界面容易因脫離而形成微小的空穴，這些空穴可以吸收能量。有沖擊力時，銀紋也會吸收能量，導致其鈍化，這些都能使材料的韌性得到提高。

2 ? ?納米粒子增韌改性PVC

納米粒子的粒徑為l～100 nm，具有獨特的表面效應和量子尺寸效應。將其應用于PVC改性，除了使聚氯乙烯的韌性增強外，還表現出很多優異的性能[10]。在PVC基體上分散一定量的無機納米粒子，當外力沖擊時，PVC基體因納米粒子的應力集中效應而產生塑性形變，隨之產生無數微小的空穴和空洞，在這一過程中能量被消耗，基體從脆性轉變到韌性[11-12]。

2.1 ?納米CaCO3增韌改性PVC

用于PVC材料增韌改性的無機納米粒子很多，其中，納米CaCO3由于原料易得、價格低廉、性能優異且已經產業化等優點，應用最為廣泛。用納米CaCO3增韌PVC，提高了材料的強度和韌性，還呈現出較好的耐熱性、耐磨性和尺寸穩定性。但是，納米粒子本身也存在缺陷，其表面能較高、比表面積較大，因此，在實際應用過程中一般需要先對納米CaCO3進行表面改性。將一些彈性體，如氯化聚乙烯（Chlorinated Polyethylene，CPE）等與納米碳酸鈣粒結合為母粒，再與聚氯乙烯發生作用，可以取得更好的增韌效果。吳志超等[13]分別用改性前后的納米CaCO3對PVC進行增韌改性研究，結果發現未改性的納米CaCO3表面能較高，增韌作用不明顯;表面改性后的納米CaCO3粒子使PVC復合材料的抗沖擊強度大幅度提高。

2.2 ?納米SiO2增韌改性PVC

納米二氧化硅具有粒度小、防水、透光性好等優良性能，對聚氯乙烯進行增韌改性，除了提高材料的強度和韌性外，還能使材料的致密性、防水性、流變性、透明度得到改善。NADEEM等[14]用溶膠-凝膠法且添加了納米SiO2對PVC進行增韌改性，并用未改性的PVC材料作比較，結果表明，材料用SiO2改性后其韌性和拉伸強度明顯提高，當SiO2的添加量為2.5%時，材料的耐熱溫度達到了250 ℃，拉伸強度由5.22 MPa提高到121.54 MPa。研究發現，納米SiO2經過超聲、振磨等表面處理后再對聚氯乙烯進行增韌改性，可以使其在基體中分散得更加均勻，結果材料的強度和韌性也大大提高。對納米SiO2表面進行6 h的振磨后再混合增韌，PVC材料的增韌效果最佳。

2.3 ?納米黏土增韌改性PVC

用納米黏土增韌改性PVC，只添加少量納米黏土，材料的韌性、強度和剛度就能明顯提高，熱穩定性和尺寸穩定性也得到改善。MAHMOOD等[15]通過熔融混合制備了有機黏土增強PVC/丙烯腈-丁二烯-苯乙稀（Acrylonitrile-Butadiene-Styrene，ABS）基體，并研究了納米黏土對PVC/ABS的形態、力學性能和流變學的影響。結果表明，PVC/ABS共混物的韌性因納米黏土的加入而顯著提高，當加入量為5%時，共混物的力學性能最佳。

3 ? ?結語

納米粒子由于其優良的性能，在聚氯乙烯的增韌改性中有諸多優勢，發展前景良好。納米粒子增韌改性聚氯乙烯的技術目前已取得了突破性進展，也產生了巨大的經濟效益，但是仍有一些問題有待進一步研究。

（1）納米原材料存在價格高、技術難度大等缺點，所以，開發新型低價的納米增韌增強劑，獲得更好的增韌效果并最終實現工業化生產，是一個極其重要的方向和目標。

（2）納米粒子增韌PVC的機理研究雖然較多，但目前大多仍局限于定性分析，所以，仍需進一步深入研究，降低成本、簡化工藝，并爭取盡早實現工業化生產，從而推動PVC產業平穩、快速發展。

（3）對于PVC納米復合材料，還需找到更好的表面改性技術，提高納米粒子與PVC的相容性，使這一新材料能夠真正發揮作用。

[參考文獻]

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