浅谈ACR、CPE在UPVC管材中的应用

作者：新疆天业节水灌溉股份有限公司 杨成德

欢迎访问e展厅 展厅 9 管材/管件/法兰展厅 供气设备, 管材, 管件, 法兰, 管道... UPVC（高密度聚氯乙烯）管材从用途上讲，主要有给水管材、排水管材、化工用管材等，从结构上讲，又有实壁管、波纹管、发泡管等。不同的管材有着不同的产品标准和技术指标，因而这些管材的配方和生产工艺也有所不同。但无论哪种管材，都要求在特定配方成本下，有预期的力学强度（抗拉强度、抗冲强度）、良好的外观光洁度、较高的耐候性、理想的热性能和较小的热变形。这些性能指标在产品标准中是以液压试验、落锤冲击试验、维卡软化度试验、纵向回缩率试验等来进行测试的。 生产UPVC绝大部分必须用到CPE和ACR。下面就CPE和ACR对UPVC管材性能指标的改进方面来研究具体应用效果。ACR（Acrylic copolymer）是具有核-壳结构的丙烯酸酯类共聚物，是一种综合性能优良的PVC抗冲改性剂。 液压试验 对给水、化工用UPVC管材来说，液压试验达标与否可以说是管材生产的最大难点。一般来说，液压试验不合格以两种不同的形式出现。一是液压试验过程中管材未出现明显变形（直径增大）而破裂，二是管材发生了明显的变形而破裂。前者往往是管材突然发生撕裂性破裂，这种破裂通常称为脆性破裂；后者往往是管材首先发生变形（直径增大）而后变形逐渐增大，最终破裂（呈花瓶状），从变形开始到破裂之间有一时间段，这种破裂称为韧性破裂。 根据塑料管材在静液压（P）作用下的受力分析，可得到壁厚受到的环向应力（拉伸强度）与外径、壁厚的关系式（参见GB/T6111-2003）为： 式中P为液压试验压力（MPa）；δ 为液压试验规定的环应力（拉伸强度，MPa）；dmin为测量得到的试样平均外径（mm）；emin为测量得到的试样自由长度部分壁厚的最小值（mm)。 对于指定产品标准和指定压力等级的UPVC管材来说，上式中dmin、emin均是已知数，因此，同一规格管材液压试验的压力是一定的。管材的抗压能力由管材材料的抗拉强度 δt 来决定。也就是说，当管材材料的抗拉强度 δt > δ 时，管材将通过液压试验，反之管材将会破裂。脆性破裂的管材说明UPVC管材的韧性不够，这种管材往往落锤冲击试验也不合格。管材材料的抗拉强度 δt 与哪些因素有关？ （1）首先管材材料的抗拉强度与PVC树脂的分子量有关，一般分子量越大的树脂抗拉强度也越大，第二是与PVC树脂的分子结构有关。PVC的分子链主要是“头-尾”结构，这是最稳定的结构，但由于工艺控制等原因，也会出现“头-头”和“尾-尾”结构，这些结构的稳定性不如“头-尾”结构，此外，还会因歧化而生成一些含有双键的支链，这些支链极易引起分解，称为缺陷结构，有缺陷的分子结构越多，其抗拉强度越小。 （2）一般UPVC管材配方中所含的复合热稳定剂、润滑剂、抗冲改性剂、填充剂（轻质碳酸钙）等都会不同程度地降低PVC管材的抗拉强度。 （3）UPVC管材材料由多种物料组成，只有各组分均匀混合、凝胶熔融，才能具有良好的抗拉强度。要实现这一点就必须使挤出机有足够高的剪切力。 显然，在选定PVC树脂和UPVC管材配方的情况下，影响管材抗拉强度的因素就是管材材料的塑化度。实际上该问题是许多厂家管材液压试验不合格的主要问题。 固然，改变工艺条件，例如适当升高加工工艺温度，有时会有利于PVC树脂的塑化，但对剪切力较弱的挤出机，升高机身温度会降低剪切，塑化效果反而不好。此外，由于PVC树脂易分解，加工温度高往往产生PVC物料分解、造成工艺不稳定、废品率升高，需增加稳定剂份数等一系列问题，实际上不利于产品质量稳定，还会增加产品生产成本。 要使PVC树脂获得理想的塑化度，在配方中加入适量的ACR加工助剂无疑是最佳选择。加工ACR通过提高扭矩，增加剪切，在较低的加工温度下实现PVC物料塑化度的提高，从而提高材料的抗拉强度，而且也可以改善管材的表面光洁度，增加熔体的流动性，从而也可以提高机台的产能、降低废品率，使工艺控制更加平衡。综合考虑，加入适量ACR加工助剂，实际上是实现了生产成本的降低。 塑化不好的原因是多方面的，添加较多的轻质碳酸钙、填充料等，均可能使加工变得异常困难，不得不加入较多滑剂，而滑剂多了，物料在机身中又产生打滑现象。在这种情况下，如果不添加一定数量的加工助剂，PVC混合料几乎难以达到要求的塑化度。同时，由于轻质碳酸钙、填充料等的加入，物料的流动性也下降，会使机台背压升高，产能下降，这种情况下，加工助剂ACR不仅能促进物料的塑化，同时能提高物料的流动性。塑化度与机台的剪切力有关。随着机台使用时间的增长，螺杆和料筒因摩擦损耗而间隙增大，剪切力下降、塑化能力下降。这时也需要增加加工助剂的添加量，将物料塑化度调节到需要的程度，同时还可改善其流动性。管材塑化程度是否合格，可用二氯甲烷浸渍试验来验证。 上面谈到，影响UPVC管材抗拉强度的因素中还有配方中添加PVC树脂以外的其它成份，其中抗冲改性剂是不可忽视的一个因素。 目前在管材中所用的抗冲改性剂基本上是CPE和抗冲ACR两大品种，很多管材生产厂家的经验证明在挤出配方相同的情况下，添加CPE的管材，抗拉强度明显不如添加抗冲ACR的。试验证明，用6份ACR取代10份CPE，在达到相同或略高冲击强度的情况下，抗拉强度可提高10%以上。 落锤试验 落锤冲击试验是管材应用性能中的重要指标之一，用来检验管材的抗冲强度。管材抗冲强度不合格的主要因素有： UPVC管材材料的塑化度：像管材的抗拉强度一样，抗冲强度也与塑化度有关，而且对冲击强度的影响更大。塑化不好的管材脆性很大，无法通过落锤冲击试验。如前所述，通过添加适当份数的ACR加工助剂，借以提高管材的塑化度是获得良好抗冲强度的首要方法。 配方中抗冲改性剂的性能、添加份数和分散性：脆性是PVC树脂的固有特性，需要添加抗冲改性剂来提高抗冲强度。抗冲改性剂的改性效果取决于改性剂的性能、添加份数和分散性。研究证明，CPE的抗冲效果远不如抗冲型ACR，在基础配方相同时，想达到同样的抗冲强度，需要添加较多份数的CPE。除此之外，CPE与ACR的抗冲机理不同，ACR是以球状分布在PVC基体材料中，依赖产生剪切带和银纹来吸收冲击能量，达到抗冲目的。要达到此目的，除对抗冲型ACR的结构性能有依赖外，还取决于抗冲型ACR的分散性，抗冲型ACR颗粒是由无数个球形小颗粒组成，在高混机和螺杆剪切下容易破裂成更小的球形颗粒分散到基体材料中去。CPE颗粒由上百亿个线形的CPE分子相互缠绕形成，难以均匀地分散在PVC中。国外高速挤出机的机台现在极少使用CPE作为抗冲改性剂，而是使用抗冲型ACR。高速挤出条件下CPE在PVC基体中产生的堆集现象不但影响抗冲效果，而且使基体材料不均匀，局部拉伸强度大幅度降低，在UPVC管材液压试验或管材使用中极易产生破裂。 可见，抗冲型ACR可以较少的添加份数达到良好抗冲强度，又对PVC材料抗拉强度产生较小影响，这是CPE无法相比的最大优点。 维卡软化点 维卡软化点是塑料材料的热性能的表征。维卡软化点高的材料表明在其升温时，热变形和强度下降要比维卡软化点低的材料小。所以许多塑料制品中均规定了材料的维卡软化点指标，其目的是保证在规定的使用范围内，制品不会因变形和强度下降而失去应用性能。 在PVC树脂选定的情况下，影响维卡软化点的主要因素是抗冲改性剂，CPE和抗冲型ACR均属橡胶弹性体，有使PVC制品维卡软化点下降的趋势。但由于抗冲型ACR的分子结构不同于线形的CPE为“核-壳”结构，CPE为“海-岛”结构，同时添加份数又少于CPE，因此对维卡软化点的影响不像CPE那样明显，这也是不少管材厂家在选择抗冲改性剂时首选抗冲型ACR的原因之一。 纵向回缩率 纵向回缩率表征UPVC经历从高温至低温后，管材纵向尺寸的变化大小。如果管材的纵向回缩率过大，在温度降低后，管材将因收缩而产生较大的内应力，这种内应力与其它应用情况下产生的应力相叠加，加速管材破坏的速率，长距离铺设的管线在未回填之前也会因“热胀冷缩”现象造成管线被拔开。实践证明，由于UPVC管材中需要添加的ACR份数要小于CPE，因而对纵向回缩率的影响也小于CPE。此外，纵向回缩率还与模具配套和工艺控制有关。 耐候性 UPVC管材的耐候性表现在两个方面，一是变色性，二是强度衰减性。很明显前者影响管材的外观，后者影响管材的使用寿命，在门窗型材和其它制品中存在同样的问题。根据所做的耐候性试验数据及大量的研究证明，抗冲型ACR有着CPE无法比拟的耐候性，在UPVC管材中使用抗冲型ACR有着长期潜在的经济效益。 熔体强度 加工过程中，UPVC物料的熔体强度对高填充轻质碳酸钙、其它填充料等对管材的强度有着十分明显的消弱作用，在填充组分高的情况下，熔体强度下降，在高剪切和牵引的作用下，容易产生熔体破裂（鲨鱼皮）现象，形成表面的缺陷，造成UPVC管材力学性能下降。加工型ACR由于分子量大，与PVC树脂相容性好的原因，有助于提高物料的熔体强度，从而获得高强度的UPVC管材制品。 综上所述，对于UPVC管材生产，建议添加1.5-3份ACR类抗冲改性剂，配合1-2份ACR类加工改性剂，可获得综合性能较好的UPVC管材制品，并且随着人们对PVC增韧改性研究的不断深入，必定会出现更多的新方法、新思路，使PVC树脂在各个领域取得更为广泛的应用。

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