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纳米二氧化硅改性聚氯乙烯的研究

魏庆渤  
【摘要】:聚氯乙烯(PVC)是五大通用塑料之一,具有良好的可塑性、抗化学腐蚀性、耐渗透性、性价比高等优点,被广泛应用于日常生产生活。由于纯PVC的热稳定性、韧性等不能满足加工和使用的要求,所以在制备和加工过程中需要加入助剂提高PVC的性能。随着纳米技术的发展,高表面活性、高强度、良好热稳定性的无机纳米微粒在聚合物中的应用受到广泛关注。本文使用液相原位表面修饰技术制备表面改性的纳米SiO_2,采用原位和熔融共混两种方式对PVC进行改性。研究了纳米SiO_2的结构、表面性质对PVC的结构和性能的影响。主要内容与结果如下:(1)纳米SiO_2共混改性PVC。通过机械混合,熔融共混步骤将纳米SiO_2分散在PVC基体中。研究了纳米SiO_2的结构、表面性质等对PVC树脂的塑化性能以及制品的力学性能、热稳定性的影响。加入3份HB120F纳米SiO_2使PVC树脂的塑化时间从84s大幅降低至39s。冲击强度从5.36 kJ/m~2增加至10.19 kJ/m~2,强度保持稳定,而等量的商用抗冲改性剂氯化聚乙烯(CPE)对PVC的韧性提升效果与之相当,弯曲强度大幅降低8.24%。纳米SiO_2具有较高的表面活性,能吸附在树脂颗粒表面,提高树脂颗粒表面的摩擦系数,增大扭矩,促进塑化,也能在PVC基体中起到应力集中作用,引发银纹吸收能量并阻止银纹发展成破坏性的裂纹。加入3份表面修饰有双键的纳米SiO_2,Ti和T_(50)分别从2.9min和17.7min增加到3.7min和22.2min,PVC受热分解产生HCl速度明显变缓。这主要是由于纳米SiO_2表面的双键能与PVC分解产生的HCl结合,使得HCl对PVC分解的催化作用减弱,提高热稳定性。(2)纳米SiO_2原位改性PVC。在悬浮聚合反应开始前,将纳米SiO_2加入聚合反应体系,通过影响PVC树脂的微观、亚微观、宏观成粒过程,改变PVC树脂的表面形貌和内部孔结构。研究了纳米SiO_2的加入方式、亲/疏水性、用量等对PVC树脂的吸油值、表观密度等常规指标的影响。结果表明润湿后的纳米SiO_2容易经由水相进入单体液滴,对聚合反应影响小,得到正常状态树脂颗粒。而直接加入粉状的疏水性纳米SiO_2会受到水相(连续相)阻隔,难以进入单体液滴起作用。由于纳米SiO_2与分散剂上的极性基团相互作用较强,将粉状的纳米SiO_2与有机分散剂预先混合会导致分散剂不容易在油水界面铺展,影响分散剂对单体液滴的分散和稳定作用,导致产生不合格的粗颗粒。加入0.1%水接触角约150°的HB120F纳米SiO_2可使PVC树脂吸油值最高提升28.2%,热稳定性增加。这是由于纳米SiO_2在聚合过程中能阻止初级粒子聚并,增加内部孔隙率,提高吸油值,同时纳米SiO_2本身能够吸附和稳定增塑剂,有利于吸油值的提高。与改变生产工艺、加入有机溶剂作为致孔剂提高吸油值的方法相比,采用纳米SiO_2在聚合反应前加入反应体系的方法具有环境友好、操作简单、易于规模化生产的优点。(3)纳米SiO_2稳定反应单体悬浮分散体系。研究了纳米SiO_2对悬浮分散体系的作用以及对树脂的吸油值和表观密度的影响。加入0.03%的助分散剂TCR-4040使PVC树脂吸油值从19.0%小幅增加至20.2%,而表观密度从0.49g/mL降低至0.48g/mL。加入0.025%的HB120F纳米SiO_2使PVC树脂吸油值从19.0%提升至22.4%,表观密度保持稳定。高吸油值有利于树脂对助剂的吸收和塑化,高表观密度有利于硬质品的高速挤出,减少制品表面的气泡。水接触角约150°的HB120F纳米SiO_2能够实现对助分散剂TCR-4040的替代。纳米SiO_2本身无毒无害、耐存储、稳定性好、生物相容性好。使用纳米SiO_2代替有机分散剂,有利于减少废水中化学需氧量(COD),对环境友好。HB120乳液中的纳米SiO_2表面的硅羟基更多,亲水性更好。使用HB120乳液分散模拟液EDC/水体系,更有利于降低油水界面张力,起到分散和稳定胶体(保胶)的作用。随着HB120乳液用量增多,模拟液逐渐被分散成细小的液滴。有望取代高醇解度聚乙烯醇类或亲水的纤维素醚类有机分散剂,最终实现对有机分散剂的全部替代和PVC树脂性能的提高。


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