環境溫度對PVC低發泡板性能的影響

＊劉潔 張麗麗 鄒鵬飛 楊康 馬雪嬌 田北平

（四川輕化工大學土木工程學院 四川 643000）

聚氯乙烯（Polyvinyl chloride），英文簡稱PVC，是一種熱塑性聚合物，具有優良的性能，如耐燃燒、耐腐蝕、良好的機械性能和低價格，被大量用于薄膜、板材、管道、汽車部件和電纜材料[1-2]。然而，PVC的熱穩定性限制了它的廣泛使用。有研究表明：PVC的低熱穩定性與PVC本身的不穩定結構片段有關，如相鄰的C-Cl和C-H鍵或聚合物鏈的缺 陷[3]，這導致了PVC的變色，并且發生氧化反應，導致大分子鏈的裂解并影響PVC的機械性能[4]。

PVC低發泡復合板材是以PVC樹脂為主要材料，輔以其他添加劑，包括穩定劑、潤滑劑、增塑劑、填充劑、著色劑、改性劑等多種其他助劑進行共混，然后經過塑化而成，PVC低發泡復合板材具有質量輕、強度高、抗腐蝕能力強、優良的耐磨性、價格便宜等優點，而備受青睞，市場前景廣闊，應用也越來越廣泛[5]。PVC低發泡復合板材具有塑料的特性因此實際應用中環境因素對板材的性能是一個值得探討的問題。吳春渝等[6]通過研究發現竹塑復合材料尺寸會受到溫度的影響。

本文討論了PVC低發泡復合板材在不同溫度處理條件下，不同處理時間后的尺寸穩定性和力學性能。

1.試驗部分

(1)原料

實驗所使用的PVC樹脂為實驗室自制，發泡劑為偶氮二甲酰胺，發泡調節劑為發泡調節劑HF-100。

(2)儀器測試設備

電熱恒溫鼓風干燥箱：101-2A型，濟南創日新儀器設備有限公司；

數顯游標卡尺：量程150mm，德國MAHR馬爾數顯卡尺；

掃描電子顯微鏡（SEM）：VEGA3SBU型；

微機控制電子萬能試驗機：SANS-CMT4104型。

(3)測試方法

①工作性能

按照GB/T11982.1-2005進行，測試在不同溫度下（-15℃、20℃、40℃）對同一方向的尺寸變化率，樣品尺寸分別為360mm×360mm×10mm、240mm×240mm×10mm，每種處理溫度測試3個樣品，取平均值。

②力學性能

彎曲性能試驗依據標準《塑料彎曲性能的測定》（GB/T 9341-2008）中規定的方法進行制樣測定，樣品尺寸80mm× 10mm×4mm，跨距64mm，加載速率2mm/min；拉伸性能實驗方法按照《塑料拉伸性能的測定》（GB/T 1040.4-2006）中規定的方法通過啞鈴制樣機對復合材料進行制樣測定，每次試驗測試5組數據，最終結果取其平均值。

③斷面微觀形貌表征

對試驗進行彎曲強度測試后，選取1個彎曲斷面對其斷面進行微觀形貌表征。

2.結果與討論

(1)尺寸穩定性

將制得的PVC低發泡板試件，通過電熱恒溫鼓風干燥箱對試件進行加熱，加熱溫度分別為20℃、40℃，通過實驗冰箱對試件進行冷藏，冷藏溫度為-15℃，每隔24h分別用游標卡尺測量試件縱向、橫向，用螺旋測儀測量厚度方向一次，每次測量結束后做好標記保證每次測量點都在同一個位置。

①同一尺寸試件在不同方向的尺寸變化率

圖1～圖2是處理時間為120h，不同處理溫度下PVC低發泡板的橫向和縱向、厚度尺寸變化率。研究發現PVC低發泡板在同一尺寸下，不同溫度條件下尺寸均有變化，在20℃狀態下，橫向與縱向尺寸變化略有膨脹，但可忽略不計，厚度方向尺寸無變化；在加熱40℃狀態下，各方向尺寸均有收縮，在第96～120h后趨于穩定，其中縱向收縮變化率＞橫向收縮變化率＞厚度收縮變化率，這是由于PVC低發泡板通過加熱擠出→成型冷卻→出料牽引→切割下線的制備過程，材料內部的PVC分子序列從有序變為無序[7-8]，制備過程中板材切割下線是沿縱向切割，因此在縱向產生內向應力，導致加熱后尺寸變化率較大。而熱處理后消除了部分內應力，導致加熱尺寸變化率減小[9]，即試驗結果顯示尺寸有收縮現象。

圖1 PVC低發泡板（360mm×360mm）在不同溫度（-15℃、20℃、40℃）各方向尺寸隨時間變化

圖2 PVC低發泡板（240mm×240mm）在不同溫度（-15℃、20℃、40℃）下各方向尺寸隨時間變化

在-15℃冷藏狀態下，各方向均有收縮，這主要是低溫將PVC低發泡板材的分子“冷凍”，并讓其保持“靜止”狀態，內應力對板材有一定的壓縮比，所以導致板材橫向、縱向、厚度略微減小。

通過對比兩種不同尺寸在同一溫度下的尺寸穩定性發現，在20℃時，兩個尺寸各方向的尺寸變化基本保持一致，即厚度無變化，橫向尺寸變化率0%～0.03%，縱向尺寸變化率0%～0.02%，由于實驗地點在一樓，地處四川潮濕環境，因此水分子也會在室內環境中被板材內部吸入，即有吸水膨脹的現象；在40℃時，240mm與360mm的樣品在厚度方向呈收縮趨勢，平均變化率-0.2%，240mm與360mm的樣品縱向尺寸變化率分別平均為-0.11%和-0.107%，總體差異不大，240mm與360mm的樣品在橫向尺寸變化情況與縱向保持一致，在-15℃冷藏狀態下，各尺寸各方向均收縮。在實際應用中，特別是在夏季高溫，板材的尺寸效應對板材尺寸收縮的影響不大。

(2)力學性能

在20℃時，試樣的拉伸強度最大，隨著溫度的升高或減小，拉伸強度也在減小，當溫度降至-15℃，對于試樣測試結果而言表現出強度降低，模量增大。對于界面相互作用，溫度的降低，PVC的收縮比使界面摩擦力得到增強[10]，在-15℃時，溫度的下降導致水分子在PVC低發泡板中由液態變為固態，使界面之間的結合增強[11]。由于PVC低發泡板制備過程中加熱擠出后冷卻成型，在擠出過程中PVC有向外分布的趨勢，而低溫時致使外部的PVC收縮，也因此板材良好的密實性讓其有較好的力學性能。在40℃時，PVC低發泡板的拉伸強度與拉伸模量較20℃時整體降低，這是因為板材中原來的PVC并未分布均勻，溫度升高導致的熱膨脹更增加了PVC低發泡板的應力集中點[12]。以上分析說明溫度對PVC低發泡板拉伸性能有較大影響，實際應用時需考慮環境溫度。

與拉伸強度類似，由圖3(a)可知，當溫度分別由20℃降至-15℃和升高至40℃時，彎曲強度和彎曲模量整體降低，復合材料的整體均勻性對材料是彎曲模量有影響的[13]，從圖4(b)可知，室溫狀態下的掃描電鏡斷裂面更加平整，光滑斷面所占面積多，圖4(a)中電鏡圖片顯示試樣各處均有大大小的“空穴”，同樣圖4(c)的掃描電鏡出現了很多褶皺，這也說明了溫度在-15℃和40℃是試樣彎曲模量降低，是因為兩種溫度狀態時光滑斷面所在面積減少。

圖3 各溫度下彎曲強度/拉伸強度與彎曲模量/拉伸模量

圖4 試樣彎曲斷面掃描電鏡

另一方面，PVC低發泡板所添加的發泡劑為偶氮二甲酰胺，溫度的升高，使得復合發泡板材中的氣泡聚集現象加劇，板材內部出現坍塌現象，如圖5(c)所示，偶氮二甲酰胺導致反應釋放出的熱量破壞了板材內部結構，使聚合物的熔體黏度急劇下降，聚合物因局部過熱而降解，導致板材的力學性能下降[14]。

3.結論

（1）試驗中各溫度對板材尺寸穩定性的影響結果顯示：20℃下三個方向的尺寸保持不變；在加熱40℃狀態下，各方向尺寸均有收縮，在第96～120h后趨于穩定，其中縱向收縮變化率＞橫向收縮變化率＞厚度收縮變化率；在-15℃冷藏狀態下，各方向也均有收縮。

（2）通過對比兩種不同尺寸在同一溫度下的尺寸穩定性發現，在實際應用中，特別是在夏季高溫下，板材的尺寸效應對板材尺寸收縮的影響不大。

（3）力學性能中，溫度對PVC低發泡板拉伸、彎曲性能有較大影響，實際應用時需考慮環境溫度。