基于動態(tài)塑化的木質(zhì)纖維塑性加工原理

指出了PVC-U的塑化性能不能用于評價其加工性能, 論述了PVC-U熔體黏度與熔體強度的關(guān)系及熔體黏度的影響因素, 分析了塑化轉(zhuǎn)矩比平衡轉(zhuǎn)矩更適合用于評價 PVC-U 加工性能的原因.

PVC -U的塑化性能與熔體黏度的關(guān)系, 熔體黏度與熔體強度的關(guān)系, 塑化性能與加工性能的關(guān)系,尚少見報道。一些研究者混淆了 PVC -U 塑化性能與加工性能的概念, 并錯誤地用塑化性能來評價 PVC -U 的加工性能;而另一些研究者又習(xí)慣性且不恰當(dāng)?shù)亟梃b研究聚烯烴時用的平衡轉(zhuǎn)矩來表示 PVC-U 加工時的熔體黏度 ,并以平衡轉(zhuǎn)矩來評價 PVC-U 加工性能的好壞。鑒于此 ,筆者撰寫此文 ,供廣大讀者參考,并望專家、學(xué)者指證。

1 PVC的塑化性能與加工性能

PVC 混合物的塑化過程和加工成型是兩個不同的過程。塑化過程是固態(tài) PVC 混合物塑化成可以流動的流體, 而加工成型是把部分高彈態(tài)物料及黏流態(tài)物料進(jìn)一步混合均化成型。加工成型時要求PVC 熔體的黏度不能太大 , 這有2點好處 :①摩擦熱較少(減少熱分解), ②流動性較好(減少成品質(zhì)量缺陷)。筆者歸納的塑化性能及加工性能的評價條件如下。

(1)塑化性能的評價條件:形成熔體的條件及速度 ,塑化溫度低、塑化速度快則塑化性能好。

(2)加工性能的評價條件:塑化以后形成的熔體的性質(zhì) ,主要考察熔體的黏度, 熔體黏度低、易于流動則加工性能好。

1.1　軟質(zhì) PVC的塑化性能與加工性能

加工軟質(zhì) PVC 時 , 由于添加了大量增塑劑, 顯著地降低了 PVC 分子間作用力 ,因而有效地降低了塑化溫度,縮短了塑化時間, 促進(jìn)了 PVC 樹脂的塑化 ;同時 ,也顯著地降低了 PVC 樹脂的熔體黏度 ,提高了流動性 ,大大減少了摩擦熱的生成,減小了熱分解的可能性 ,有利于物料的均化、流動, 從而改善了軟質(zhì) PVC 的加工性能。由于添加增塑劑同時改善了軟質(zhì) PVC 的塑化性能和加工性能 ,因此其塑化性能和加工性能往往具有一致性。

1.2 PVC-U 的塑化性能與加工性能

加工 PVC-U 與加工軟質(zhì) PVC 相比有 3 個不同點 :①由于 PVC -U 基本不添加增塑劑 , 流動性較差 ,所以其加工溫度(一般為 185～ 195 ℃)比軟質(zhì)PVC 的加工溫度(一般為 165 ～ 175 ℃)高 20 ℃左右,其加工溫度很接近 PVC-U 的分解溫度。②在較高溫度下,PVC-U 熔體黏度仍然比軟質(zhì) PVC 高很多。③加工 PVC-U時 ,須添加加工助劑來促進(jìn)塑化 ,但同時又不同程度地增加了熔體黏度, 因而也相應(yīng)地降低了 PVC-U的加工性能。因此 ,PVC -U 塑化性能好 , 但加工性能不一定好 ,兩者往往不一致。

2熔體強度與熔體黏度

關(guān)于熔體黏度的文獻(xiàn)較多 ,而關(guān)于熔體強度的文獻(xiàn)較少,兩者的區(qū)別及聯(lián)系更少見報道。熔體黏度的大小 、熔體強度的強弱都取決于高分子鏈段之間作用力的大小。如果高分子鏈段間有許多極性基團(tuán)(如酯基、羥基及其他極性基團(tuán))構(gòu)成偶極矩、氫鍵、絡(luò)合鍵, 則熔體黏度及熔體強度都較大。因為這些官能團(tuán)可以通過誘導(dǎo)、極化絡(luò)合構(gòu)成網(wǎng)狀或體形大分子, 提高鏈段間作用力 ,從而提高了熔體強度及熔體黏度。PVC 的熔體強度是指熔體抵抗剪切力而不破裂的能力。而熔體黏度是指在外力作用下熔體阻滯流動的能力。熔體黏度與熔體強度是同一本質(zhì)在不同領(lǐng)域應(yīng)用的 2 個相似概念。因而凡是能提高熔體強度的助劑,一定能同時提高熔體黏度。下面以加工助劑 ACR為例進(jìn)行說明 。

表 1 為ACR對 PVC-U 塑化性能的影響 。

表 1 可知:加入 ACR后 , PVC -U 的塑化時間縮短,塑化轉(zhuǎn)矩增加。該結(jié)果與上述分析相符。

3 PVC熔體黏度的影響因素

PVC體黏度的因素很多。PVC 樹脂方面,有分子質(zhì)量及其分布、側(cè)支鏈的數(shù)量及長短以及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等;助劑方面 ,有增塑劑、填充劑、熱穩(wěn)定劑、加工助劑 ACR、沖擊改性劑等;加工工藝方面,有溫度、剪切速率等 。

3.1PVC樹脂

3.1.1 極性

PVC 各部分的分子極性是不相同的, 如烯丙基氯中的氯及與其相連的碳 、與微量氧及殘存的引發(fā)劑相連的碳等, 其極性均較大。在熱及剪切力作用下 ,這些極性較大的活性結(jié)點一旦接觸就形成鍵能較強的絡(luò)合鍵,所以其是影響 PVC 熔體黏度的關(guān)鍵因素之一。有資料表明 ,硬脂酸用量只發(fā)生微量改變,就能明顯地改變 PVC 物料的塑化轉(zhuǎn)矩及塑化時間,這說明并不是 PVC 每個結(jié)構(gòu)單元對 PVC 熔體黏度的貢獻(xiàn)都是相同的,只是那些數(shù)量很少但作用顯著的強極性結(jié)點在起著重要作用。即使 PVC 分子間產(chǎn)生了色散力、誘導(dǎo)力 ,在熱及剪切力的作用下其也很容易被分開。

3.1.2 分子質(zhì)量

PVC 樹脂的分子質(zhì)量越大 , 其碳鏈也越長, 鏈段間相互纏繞的程度也越大,因而整個分子間的作用力也越大 , 發(fā)生鏈段位移時的阻力也越大。如2500 型 PVC 與 PVC -SG3 相比, 因前者的分子質(zhì)量大得多,所以在同樣條件下,加入同樣用量的增塑劑時, 2500 型 PVC 樹脂的熔體黏度大于 PVC -SG3 的熔體黏度 ,因而其加工溫度比 PVC -SG3 要高 10 ℃左右。

3.1.3 分子質(zhì)量分布

分子質(zhì)量分布較寬的 PVC 樹脂中的低分子質(zhì)量 PVC 樹脂的熔融溫度及熔體黏度均較低,可起到內(nèi)潤滑的作用,降低 PVC 樹脂的熔體黏度。分子質(zhì)量分布較窄的 PVC 樹脂中含有的低分子質(zhì)量 PVC 樹脂較少, 但高分子質(zhì)量 PVC 樹脂也較少,所以理論上分析熔體黏度的變化不會很大。但應(yīng)注意分子質(zhì)量分布較寬的 PVC 樹脂“魚眼”較多 ,不利于成型加工。

3.1.4 側(cè)支鏈的數(shù)量及長短

長側(cè)支鏈會互相纏結(jié), 增加鏈段的流動阻力 ,因而其數(shù)量越多 , PVC 熔體黏度越高。在生產(chǎn) PVC樹脂時 ,為了控制分子質(zhì)量, 常采用鏈轉(zhuǎn)移的方法,這固然可以控制分子質(zhì)量 ,但同時也產(chǎn)生了較多的長側(cè)支鏈或短側(cè)支鏈。有時不同廠家生產(chǎn)的相同分子質(zhì)量(或聚合度)PVC 樹脂的熔體黏度相差較大。其原因是:PVC 樹脂生產(chǎn)企業(yè)是以 PVC 樹脂的稀溶液來測定分子質(zhì)量(或聚合度)的, 而長側(cè)支鏈的數(shù)量對分子質(zhì)量(或聚合度)的測試結(jié)果影響很小, 所以有時 PVC 熔體黏度相差較大。

碳原子數(shù)在 4個以下的短側(cè)支鏈彼此不能相互纏結(jié) ,空間位阻較小。同時,由于分子中短側(cè)支鏈的存在 ,增大了主鏈間的距離,因而減弱了主鏈間的相互作用力 ,并增大了主鏈間的自由空間 ,為鏈段位移創(chuàng)造了必要的條件, 所以在相同條件下 ,短側(cè)支鏈越多,PVC 熔體的塑化溫度及黏度也越低。

3.2能降低 PVC分子間作用力的助劑

能降低 PVC 分子間作用力的助劑(如增塑劑、潤滑劑等)都能降低塑化溫度 ,縮短塑化時間, 降低PVC 熔體黏度。添加這類助劑時 ,其塑化性能與加工性能一般是一致的。

3.3能與 PVC形成絡(luò)合物的小分子質(zhì)量助劑

在 PVC 中常用的能與 PVC 形成絡(luò)合物的小分子質(zhì)量助劑有含硫有機錫熱穩(wěn)定劑 、含有稀土元素的化合物、未改性的無機填充劑、無機顏料(尤其是導(dǎo)電炭黑)、金屬絲或金屬粉末及其氧化物等。這些小分子化合物與 PVC 在較低溫度時能形成絡(luò)合鍵 ,形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 有利于熱及剪切力傳導(dǎo), 促進(jìn)塑化 ;但是 ,同時又會增加PVC分子運動的阻力, 增大熔體黏度,降低 PVC熔體的流動性, 不利于 PVC 加工成型。

3.4 加工助劑 ACR

加工助劑 ACR有很強的促進(jìn) PVC-U 塑化的能力 ,但其不同于小分子質(zhì)量增塑劑促進(jìn) PVC 的塑化。加工助劑 ACR含有大量的丙烯酸酯強極性官能團(tuán) ,能與PVC 的強極性結(jié)點形成絡(luò)合鍵, 使 PVC分子間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ,有利于熱及剪切力的傳導(dǎo),從而促進(jìn) PVC 塑化。另外, 加工助劑ACR分子質(zhì)量很大,其通過超大分子質(zhì)量的超長鏈對PVC 分子鏈進(jìn)行纏繞 ,進(jìn)一步加速 PVC分子的塑化。這 2 種作用產(chǎn)生了 2 個結(jié)果 :①ACR加工助劑能有效地促進(jìn)塑化 ,增強了PVC熔體強度;②ACR加工助劑增大了PVC 熔體黏度,降低了PVC 熔體流動性, 降低了加工性能。

4 塑化轉(zhuǎn)矩與平衡轉(zhuǎn)矩

在流變曲線上有 2 個表示 PVC 熔體黏度的轉(zhuǎn)矩———塑化轉(zhuǎn)矩(也稱最大轉(zhuǎn)矩)和平衡轉(zhuǎn)矩。有一些研究人員習(xí)慣用評價聚烯烴加工性能的平衡轉(zhuǎn)矩來判斷 PVC-U 熔體黏度的大小,進(jìn)而評價 PVC -U 加工性能的好壞。筆者認(rèn)為這不太恰當(dāng), 其原因分析如下:①大量研究表明 :PVC -U 的塑化程度在 60 %～ 65%時,其制品各項力學(xué)性能最好。②流變曲線上的塑化轉(zhuǎn)矩處 PVC 的塑化度為 40%左右。③平衡轉(zhuǎn)矩為塑 化度為 100 %時的轉(zhuǎn)矩。綜合分析以上 3點可知:塑化轉(zhuǎn)矩處 PVC 的塑化度更接近于最佳塑化度。因此, 與平衡轉(zhuǎn)矩相比 ,塑化轉(zhuǎn)矩更接近 PVC-U 實際加工時的情況。

另外,當(dāng)添加加工助劑 ACR時 ,其與 PVC 樹脂形成絡(luò)合鍵而提高了塑化轉(zhuǎn)矩 。在較低溫度(如塑化溫度 170～180 ℃)時, 絡(luò)合鍵成鍵率較大;而在較高溫度(如平衡溫度 190 ～ 200℃)時, 由于PVC分子動能的增加, 絡(luò)合鍵離解率增大 ,絡(luò)合鍵數(shù)量大大減少 ,且丙烯酸酯長分子鏈的纏繞作用減弱, 因而對平衡轉(zhuǎn)矩影響很小。由于加工助劑ACR對塑化轉(zhuǎn)矩影響很大而對平衡轉(zhuǎn)矩影響很小, 因此平衡轉(zhuǎn)矩也不適宜用于評價PVC-U加工性能。

另外,大量的試驗與生產(chǎn)實踐表明:塑化轉(zhuǎn)矩的微小波動卻對PVC-U 的成 型 加 工 影響 很大。

5結(jié)語

PVC-U的塑化性能與加工性能往往不一致,不能用塑化性能評價其加工性能。PVC -U 的塑化轉(zhuǎn)矩更適宜用于評價其加工性能。

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