PVC-U异型材塑化度的评价

 PVC树脂是由多层粒子聚合而成，在硬质PVC加工过程中，多层粒子结构的形态会发生很大变化，这种变化是在受热和剪切力的同时作用下产生的。首先是50～250μm的树脂颗粒破碎游离出1―2μm的初级粒子(或称二次粒子)。随着加工的进行(如物料在料筒内的输送)，物料受到更高温度和剪切力的作用，初级粒子破碎。一般当料温高于190℃时，次级粒子可以全部破碎，晶体熔化，粒子边界消失而形成三维网络结构。这种三维网络的形成过程称为凝胶化或塑化。高分子物理所指的凝胶化是微交联物的溶胀过程，这种凝胶物是不能溶解的；而PVC的凝胶化是考虑多层粒子结构和分子链的部分再结晶形成的可溶解的三维网络结构。凝胶化度是表征PVC“多层粒子结构”破坏的程度，从工艺上讲是指PVC树脂塑化的程度。
    PVC加工过程中，随着温度的升高，其强度和刚度降逐渐增大，但冲击强度在达到最大值后下降。因此，有一个最佳加工温度，即存在一个最佳塑化度。所以通过判定PVC-U制品的塑化度与其力学性能的关系来控制生产工艺尤为重要。现介绍4种用于评价和测试塑化度的常用方法，重点介绍准确、方便的差式扫描量热法(Dsc)。
1 目测法
(1)在加工过程中，观察物料塑化情况。关闭真空泵，移开视镜，用肉眼观察机筒内的物料，若物料均匀地包覆在螺槽内表面，且物料表面又很光滑，无凹凸不平现象，可视为塑化良好。
(2)观察制品表面状态，表面有光泽，无发抖、模糊感觉，手感光滑，内腔光滑为塑化良好。
2 溶剂法
在烧杯中加入二氯甲烷溶剂至高度为10cm，取约5cm异型材浸入其中。未经塑化的PVC树脂可被二氯甲烷溶解；塑化度低的PVC型材由于未形成三维网络结构，溶剂分子能渗入结晶网络链段间，使制品表面有絮状物出现，表面疏松等；当异型材的塑化度较高时，已形成较好的三维网络结构，溶剂分子较难进入链段间，制品难以溶解，仅有溶胀现象。塑化度良好的异型材用二氯甲烷浸泡后表面光滑均一，无脱层龟裂现象。
3 拉伸法
按GB／T 1040―1992《塑料拉伸性能试验方法》在规定的试验温度和试验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷，直到试样被拉断为止。图1为制品断裂伸长率与塑化度的关系。当塑化度较低或较高时，断裂伸长率较低。当型材断裂伸长率在140％～150％时，塑化良好。制品的断裂性能与塑化度密切相关。塑化度为60％时制品的断裂强度最大。塑化度为70％时，制品的断裂伸长率最大。

图 1: PVC制品断裂伸长率与塑化度的关系

4 DSC法
在DSC样品池中放入10～15mg待测样品，以10℃/min加热速率使试样从室温加热到240℃。仪器自动记录样品熔化过程中吸收热量的曲线。将完全未经加工的PVC干混物的塑化度视为0、高温下加工的试样视为完全塑化状态，其塑化度设为100％，以此设定条件来计算处于两极端情况之间PVC加工物料的塑化度。因此，塑化度是一个相对值。
在获得的DSC图(见图2、图3)中，面积A的吸热量(△HA)是PVC中熔点较低部分微晶熔融时的吸热能量，而面积B的吸热能(△HB)则是PVC中熔点较高部分微晶(比较完善的晶区)熔融时的吸热能量，单位为J／g。

图 2: PVC-U异型材的DSC图

从图2可以看出，在DSC曲线上吸热峰B峰点对应的温度为该配方的加工温度，面积A的起点一般为110 ℃左右，面积B的终点一般为240℃左右。通过DSC分析软件自动计算面积A和面积B的值。图3表明，随着加工温度升高，DSC曲线中吸热能量增加，A峰对应的面积增大，塑化度提高。

图 3: 不同挤出加工温度条件下PVC-U的DSC图

不同加工方法和不同用途的PVC－U制品，熔融度的要求并不是相同的；同时，在通常的加工条件下，要使物料中所有PVC粉粒达到分子水平的熔融既不可能也是完全没必要的。PVC-U异型材的塑化度是按主要力学性能的要求来控制的。在塑化度较低时，拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率等都很差；随着塑化度的提高,制品的刚性和强度都随之增加，并达到一个最大值，直到出现屈服现象；而韧性在随塑化度提高而达到一个最大值后，进一步提高塑化度则会导致韧性降低。因此，采用DSC法测试PVC-U异型材的塑化度，并使其控制在60％－70％比例时的PVC-U异型材具有最佳的力学性能。用DSC方法分析PVC-U物料熔融过程中微晶的变化及吸热能量情况，并计算其塑化度已成为一种方便、准确的方法。
5 结 语
以上4种评价塑化度的方法在PVC-U质量控制和配方研究中应用都很广泛。目测法简单，只能用于粗略判断；溶剂法迅速，容易操作，但不能定量判断；拉伸法可定量判断，但需要大量样品，且实验过程中影响结果的因素太多，限制了对塑化度的研究；DSC法可定量测量，且准确、方便。综合使用以上4种方法对正确评价PVC-U异型材塑化质量，控制制品成型加工过程、优化工艺配方、指导PVC－U新产品的应用都十分必要