技术| 碳酸钙和滑石粉对硬质 PVC 性能的影响

聚氯乙烯( PVC) 是世界上五大合成树脂之一， 具有阻燃、耐腐蚀、绝缘、耐磨损等优良的综合性能， 此外，其还具有价格低廉、原材料来源方便等优点， 已在各个领域得到了广泛应用 。

无机填料的添加不仅能提高 PVC 材料的力学 和热学性能，还能大大降低成本 。在硬质 PVC 中常 用填料是碳酸钙，很少用到滑石粉。但滑石粉 在 ABS、PP 等其他塑料中常用作增强填料。笔 者将碳酸钙与滑石粉复配，加入 PVC 中，通过熔融 共混法制得了综合性能良好的 PVC/碳酸钙／滑石 粉复合 材 料，研究了碳酸钙/滑 石 粉 复 配 比 例 对 PVC 复合材料耐热性能、力学性能和加工性能的影 响。

1 试验部分

1. 1  主要原料

PVC SG8 , 电石法，山东鲁泰化学有限公司。滑石粉，粒径5 μm, 市售。碳酸钙，粒径10μm, 市售。钙锌稳定剂，R92597FP , 百尔罗赫新材料科技 有限公司。加工助剂，DL - 20 , 山东东临新材料股份有限 公司。润滑剂，629a, 市售。

1. 2  主要设备

转矩流变仪，上海科创橡塑机械设备有限公司。PVC 胶片积层压片机，高铁检测仪器有限公司。

电子万能试验机，美特斯工业系统（ 中国）有限 公司。

悬臂梁冲击试验机，深圳市中威仪器有限公司。

维卡软化温度测试仪，高铁检测仪器（ 东莞）有 限公司。

1. 3 样品制备

1.3.1 基本配方

PVC , 100 份；钙锌稳定剂，4 份；加 工 助 剂，1 份；润滑剂，2 份；钛白粉，2 份。

1.3.2试样制备

将 PVC、钙锌稳定剂、加工助剂、润滑剂、碳酸 钙、滑石粉等放入高速搅拌机中，混料 10 min。然 后将混合好的物料通过小型密炼机密炼，PVC 胶片 积层压片机压片，再经过万能制样机制备样条 。共制备 7 个样品，样品 1 ~ 样品 7 中碳酸钙与滑石粉 质量比分别为 30 ∶ 0、25 ∶ 5、20 ∶ 10、15 ∶ 15、10 ∶ 20、 5 ∶ 25、0 ∶ 30。

1. 4 性能测试与表征

弯曲性能按照 GB/T 9341—2008《塑料 弯曲性 能的测定》测试，试样尺寸为 80 mm × 10. 0 mm × 4. 0 mm,试验速度为 2 mm/min。

缺口冲击强度按照 GB/T 1843—2008《塑料 悬 臂梁冲击强度的测定》测试，V 形缺口，试样尺寸为80 mm ×10. 0 mm ×4. 0 mm, 缺口深度 2 mm。

维卡软化温度按照 GB/T 1633—2000《热塑性 塑料维卡软化温度( VST) 的测定》测试，试验方法为 B50 法，试验尺寸为 10. 0 mm × 10. 0 mm × 4. 0 mm。

加工性能测试：称取 300 g 混合料，放入转矩流 变仪中，测试温度为 175 ℃ , 记录扭矩随时间的变化 关系，然后按要求读取所需数据。

2 结果与讨论

2. 1 无机填料用量对 PVC 复合材料维卡软化温度的影响

无机填料用量对 PVC 复合材料维卡软化温度 的影响见图 1 。

由图 1 可见：随着滑石粉含量的增加，PVC 复 合材料的维卡软化温度先升高后降低，当碳酸钙／滑石粉质量比为 10 ∶ 20 时，维卡软化温度最高(78. 6  ℃) 。碳酸钙和滑石粉复合添加时 PVC 复合材料的维卡软化温度比单独添加时高，说明碳酸钙／滑石粉  复合添加对提高 PVC 复合材料维卡软化温度有利。

2. 2  无机填料用量对 PVC 复合材料冲击强度的影响

无机填料用量对 PVC 复合材料冲击强度的影响见图 2。

可见：随着滑石粉用量的增加，PVC 复合材料的缺口冲击强度先增高后降低，当碳酸钙／滑  石粉质量比为 20：10 时，缺口冲击强度最高(7 . 738  kJ/m2 ) , 随后明显下降；只添加滑石粉时，缺口冲击强度最低 。说明碳酸钙与滑石粉按一定比例复配可以提高 PVC 复合材料的缺口冲击强度 。碳酸钙与  滑石粉与 PVC 缺口冲击强度产生上述关系的原因  可能是碳酸钙和滑石粉复配填充了基体间的空隙， 形成基体表面和填料间的缠结点，缠结点有助于提高界面黏合力，当碳酸钙／滑石粉质量比为 20：10时，缺口冲击强度达到峰值，随着滑石粉用量增多， 基体间的空隙逐渐增大，缺口冲击强度下降。

2. 3 无机填料用量对 PVC 复合材料弯曲强度和弯曲模量的影响

无机填料用量对 PVC 复合材料弯曲强度和弯曲模量的影响见图 3。

可见：随着滑石粉用量的增加，PVC 复合材料的弯曲模量逐渐升高，当碳酸钙／滑石粉质量比为 5：25 时，弯曲模量为6300MPa, 比单纯添加  30 份碳酸钙提高了 104% , 滑石粉用量越多，弯曲模  量提升越明显 。这主要与滑石粉的片层结构有关，相比球形结构的碳酸钙，片状结构的滑石粉更利于提高塑料的弯曲模量[8] 。

还可看出，PVC复合材料的弯曲强度随着复合填料中滑石粉用量的增加先增加后降低。当碳酸钙／滑石粉质量比为15∶15 时，PVC 复合材料 的弯曲强度达到最大值(77.81 MPa),随着滑石粉用量再增加，弯曲强度降低至 40.5 MPa后不再明显降低。因而碳酸钙／滑石粉质量  比在10∶20~20∶10时，PVC复合材料的弯曲性能较好。2.4  无机填料用量对PVC复合材料加工性能的影响

无机填料用量对 PVC 复合材料加工性能的影响见图 4。

由图 4 可见，随着滑石粉用量的增加，PVC复合材料的塑化时间越来越长。同时，塑化扭矩和塑化温度越来越高。这主要与滑石粉的片层结构有 关，滑石粉用量越多，体系摩擦系数越小，因而塑化整体延迟，故碳酸钙／滑石粉质量比控制(25∶5) ~(15∶15)较为适宜。在兼顾 PVC复合材料的其他综合性能的情况下，应尽量降低滑石粉的用量。

3  结论

(1)通过熔融共混法制备 PVC/碳酸钙／滑石粉 复合材料，测试结果表明：碳酸钙与滑石粉复配有利 于提高材料的冲击强度、弯曲强度、弯曲模量和维卡软化温度 。碳酸钙与滑石粉复配质量比为10∶20时，PVC复合材料维卡软化温度最高(78.6 ℃);碳酸钙与滑石粉复配质量比为 15∶15 时，PVC复合材料弯曲强度最高(77.81 MPa);碳酸钙与滑石粉复配质量比在 20∶10 时，PVC复合材料缺口冲击强度最高(7.738 kJ/m2 );碳酸钙与滑石粉复配质量比在5∶25 时，PVC复合材料弯曲模量最高(6300 MPa)。

(2)在 PVC/碳酸钙／滑石粉复合材料中，滑石粉添加越多，复合材料的弯曲模量提高越明显，但塑 化时间也更长 。综合考虑，碳酸钙与滑石粉复配质 量比在(20∶ 10) ~ (15∶ 15)较为合适。

(3)滑石粉和碳酸钙的加入不仅提高了材料韧性和刚性，还有利于降低 PVC 复合材料的成本。