CN108503976A - 改性聚氯乙烯材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改性聚氯乙烯材料的制备方法，包括以下步骤：将钛白粉与炭黑混合并升温至60～80℃，然后加入钛酸酯偶联剂，搅拌10～20min后干燥并研磨得到粒径为100nm以下的耐候助剂，所述钛白粉、炭黑和钛酸酯偶联剂的质量比为4～7:2～5:1；将聚氯乙烯、辅料和所述耐候助剂混匀后挤出成型即得所述改性聚氯乙烯材料。本发明通过预先处理可使钛白粉、炭黑和钛酸酯偶联剂更好地与聚氯乙烯分散结合，且能够提高钛白粉和炭黑的协同抗紫外线作用，同时碳酸酯偶联剂相比其他偶联剂更有助于钛白粉、炭黑与聚氯乙烯的结合，从而提高了改性聚氯乙烯材料对紫外线的抵抗能力，不易分解老化变色，机械性能变化较小，获得了优异的耐候性能，特别适合用于制备各类PVC管材。

Description

改性聚氯乙烯材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域，特别是涉及一种改性聚氯乙烯材料及其制备方法。
背景技术
聚氯乙烯(PVC)为无定形结构的白色粉末，支化度较小，工业生产的PVC分子量一般在5万～12万范围内，无固定熔点，80～85℃开始软化，130℃变为粘弹态，160～180℃开始转变为粘流态，有较好的机械性能，抗张强度60MPa左右，冲击强度5～10kJ/m2，有优异的介电性能和阻燃性，对有机和无机酸、碱、盐均稳定。因此PVC是一种重要的建筑工程材料，被广泛应用于建材、轻工、农业等领域，其制品主要应用在管材如排水管、电力穿线管等方面。
但一般的PVC材料在室外使用时，受到紫外线的照射后容易分解而产生氯化氢，并进一步自动催化分解，引起老化变色，物理机械性能也迅速下降，影响客户使用。
发明内容
基于此，有必要提供一种不易老化变色、机械性能变化较小的改性聚氯乙烯材料的制备方法。
一种改性聚氯乙烯材料的制备方法，包括以下步骤：
将钛白粉与炭黑混合并升温至60～80℃，然后加入钛酸酯偶联剂，搅拌10～20min后干燥并研磨得到粒径为100nm以下的耐候助剂，所述钛白粉、炭黑和钛酸酯偶联剂的质量比为4～7:2～5:1；
将聚氯乙烯、辅料和所述耐候助剂混匀后挤出成型即得所述改性聚氯乙烯材料。
在其中一个实施例中，所述钛白粉、炭黑和钛酸酯偶联剂的质量比为6:3:1。
在其中一个实施例中，按质量份数计，所述聚氯乙烯为100份，所述耐候助剂为2～10份，所述辅料为14～41份。
在其中一个实施例中，按质量份数计，所述聚氯乙烯为100份，所述耐候助剂为5～7份，所述辅料为14～41份。
在其中一个实施例中，所述将聚氯乙烯、辅料和所述耐候助剂混匀具体包括以下步骤：将聚氯乙烯、辅料和所述耐候助剂混合得到混合料，在1200～1500r/min条件下搅拌直至所述混合料的温度达到110～130℃，然后在400～600r/min的条件下搅拌直至所述混合料的温度降至40～50℃。
在其中一个实施例中，按质量份数计，所述辅料包括稳定剂3～6份、填充物10～30份和润滑剂1～5份。
在其中一个实施例中，所述稳定剂为钙锌稳定剂。
在其中一个实施例中，所述填充物为轻质碳酸钙或活性碳酸钙。
在其中一个实施例中，所述润滑剂为内润滑剂和外润滑剂。
本发明还提供了一种根据所述改性聚氯乙烯材料的制备方法制备得到的改性聚氯乙烯材料。
本发明将钛白粉、炭黑和钛酸酯偶联剂按照特定比例混合，于高温下搅拌并干燥、研磨得到粒径为100nm以下的耐候助剂，然后再将该耐候助剂与聚氯乙烯、辅料混匀并挤出成型得到改性聚氯乙烯材料。如此，通过预先处理可使钛白粉、炭黑和钛酸酯偶联剂更好地与聚氯乙烯分散结合，且能够提高钛白粉和炭黑的协同抗紫外线作用，同时碳酸酯偶联剂相比其他偶联剂更有助于钛白粉、炭黑与聚氯乙烯的结合，从而提高了改性聚氯乙烯材料对紫外线的抵抗能力，不易分解老化变色，机械性能变化较小，获得了优异的耐候性能，延长了产品在室外条件下的寿命，特别适合用于制备各类PVC管材。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明一实施方式的改性聚氯乙烯材料的制备方法，包括以下步骤S1～S2：
S1、将钛白粉与炭黑混合并升温至60～80℃，然后加入钛酸酯偶联剂，搅拌10～20min后干燥并研磨得到粒径为100nm以下的耐候助剂，钛白粉、炭黑和钛酸酯偶联剂的质量比为4～7:2～5:1。
在一个实施例中，钛白粉、炭黑和钛酸酯偶联剂的质量比为6:3:1，该比例相对其它比例能够获得更好的性能，炭黑和钛白粉具有协同作用，但不宜加入过多炭黑，否则容易导致改性聚氯乙烯材料的力学性能降低。
S2、将聚氯乙烯、辅料和耐候助剂混匀后挤出成型即得改性聚氯乙烯材料。
具体地，将聚氯乙烯、辅料和耐候助剂混匀具体包括以下步骤：将聚氯乙烯、辅料和耐候助剂混合得到混合料，在1200～1500r/min条件下搅拌直至混合料的温度达到110～130℃，然后在400～600r/min的条件下搅拌直至混合料的温度降至40～50℃。在混匀过程中，物料在高速搅拌设备内通过高速摩擦生热，温度的控制十分重要。
在一个实施例中，按质量份数计，聚氯乙烯为100份，耐候助剂为2～10份，辅料为14～41份。
在一个实施例中，按质量份数计，聚氯乙烯为100份，耐候助剂为5～7份，辅料为14～41份。随着耐候助剂的添加量逐渐增加，改性聚氯乙烯材料的色差变化将逐渐减小，同时拉伸屈服强度逐渐减小，即产品耐候性逐渐提高，但加入过多会影响产品拉伸屈服强度，因此该比例范围更优选。
在一个实施例中，按质量份数计，辅料包括稳定剂3～6份、填充物10～30份和润滑剂1～5份。
可选地，聚氯乙烯的平均聚合度为800～1200。可选地，稳定剂为钙锌稳定剂，填充物为轻质碳酸钙或活性碳酸钙，润滑剂为内润滑剂和外润滑剂，可以理解，不限于此，可根据需要选择。
本发明还提供了一种根据上述改性聚氯乙烯材料的制备方法制备得到的改性聚氯乙烯材料。
本发明将钛白粉、炭黑和钛酸酯偶联剂按照特定比例混合，于高温下搅拌并干燥、研磨得到粒径为100nm以下的耐候助剂，然后再将该耐候助剂与聚氯乙烯、辅料混匀并挤出成型得到改性聚氯乙烯材料。如此，通过预先处理可使钛白粉、炭黑和钛酸酯偶联剂更好地与聚氯乙烯分散结合，且能够提高钛白粉和炭黑的协同抗紫外线作用，同时碳酸酯偶联剂相比其他偶联剂更有助于钛白粉、炭黑与聚氯乙烯的结合，从而提高了改性聚氯乙烯材料对紫外线的抵抗能力，不易分解老化变色，机械性能变化较小，获得了优异的耐候性能，延长了产品在室外条件下的寿命，特别适合用于制备各类PVC管材。
以下为具体实施例。
实施例1
向高速搅拌设备中加入6kg钛白粉和3kg炭黑，搅拌并逐渐升温至70℃，加入1kg钛酸酯偶联剂，然后搅拌10～20min，取出烘干后放入研磨机中研磨制得粒径为100nm以下的耐候助剂。
将2kg耐候助剂与100kg PVC在高速混合机中低速(100r/min以下)搅拌5min，然后加入4kg钙锌稳定剂、15kg活性碳酸钙、2kg内润滑剂及外润滑剂得到混合料，在1200～1500r/min条件下搅拌直至混合料的温度达到120℃，然后将混合料放入冷混设备中在500r/min的条件下搅拌直至混合料的温度降至40～50℃，再通过挤出机挤出成型即得改性聚氯乙烯材料管材。
实施例2
向高速搅拌设备中加入6kg钛白粉和3kg炭黑，搅拌并逐渐升温至70℃，加入1kg钛酸酯偶联剂，然后搅拌10～20min，取出烘干后放入研磨机中研磨制得粒径为100nm以下的耐候助剂。
将6kg耐候助剂与100kg PVC在高速混合机中低速(100r/min以下)搅拌5min，然后加入4kg钙锌稳定剂、15kg活性碳酸钙、2kg内润滑剂及外润滑剂得到混合料，在1200～1500r/min条件下搅拌直至混合料的温度达到120℃，然后将混合料放入冷混设备中在500r/min的条件下搅拌直至混合料的温度降至40～50℃，再通过挤出机挤出成型即得改性聚氯乙烯材料管材。
实施例3
向高速搅拌设备中加入6kg钛白粉和3kg炭黑，搅拌并逐渐升温至70℃，加入1kg钛酸酯偶联剂，然后搅拌10～20min，取出烘干后放入研磨机中研磨制得粒径为100nm以下的耐候助剂。
将10kg耐候助剂与100kg PVC在高速混合机中低速(100r/min以下)搅拌5min，然后加入4kg钙锌稳定剂、15kg轻质碳酸钙、2kg内润滑剂及外润滑剂得到混合料，在1200～1500r/min条件下搅拌直至混合料的温度达到120℃，然后将混合料放入冷混设备中在500r/min的条件下搅拌直至混合料的温度降至40～50℃，再通过挤出机挤出成型即得改性聚氯乙烯材料管材。
实施例4
向高速搅拌设备中加入4kg钛白粉和5kg炭黑，搅拌并逐渐升温至70℃，加入1kg钛酸酯偶联剂，然后搅拌10～20min，取出烘干后放入研磨机中研磨制得粒径为100nm以下的耐候助剂。
将2kg耐候助剂与100kg PVC在高速混合机中低速(100r/min以下)搅拌5min，然后加入4kg钙锌稳定剂、15kg活性碳酸钙、2kg内润滑剂及外润滑剂得到混合料，在1200～1500r/min条件下搅拌直至混合料的温度达到120℃，然后将混合料放入冷混设备中在500r/min的条件下搅拌直至混合料的温度降至40～50℃，再通过挤出机挤出成型即得改性聚氯乙烯材料管材。
对比例1
向高速搅拌设备中加入8kg钛白粉和1kg炭黑，搅拌并逐渐升温至70℃，加入1kg钛酸酯偶联剂，然后搅拌10～20min，取出烘干后放入研磨机中研磨制得粒径为100nm以下的耐候助剂。
将2kg耐候助剂与100kg PVC在高速混合机中低速(100r/min以下)搅拌5min，然后加入4kg钙锌稳定剂、15kg活性碳酸钙、2kg内润滑剂及外润滑剂得到混合料，在1200～1500r/min条件下搅拌直至混合料的温度达到120℃，然后将混合料放入冷混设备中在500r/min的条件下搅拌直至混合料的温度降至40～50℃，再通过挤出机挤出成型即得改性聚氯乙烯材料管材。
对比例2
将100kg PVC、4kg钙锌稳定剂、15kg活性碳酸钙、2kg内润滑剂及外润滑剂、6kg钛白粉(粒径为100nm以下)、3kg炭黑(粒径为100nm以下)和1kg钛酸酯偶联剂放入高速混合机中得到混合料，在1200～1500r/min条件下搅拌直至混合料的温度达到120℃，然后将混合料放入冷混设备中在500r/min的条件下搅拌直至混合料的温度降至40～50℃，再通过挤出机挤出成型即得改性聚氯乙烯材料管材。
对比例3
向高速搅拌设备中加入6kg钛白粉和3kg炭黑，搅拌并逐渐升温至70℃，加入1kg硅烷偶联剂，然后搅拌10～20min，取出烘干后放入研磨机中研磨制得粒径为100nm以下的耐候助剂。
将2kg耐候助剂与100kg PVC在高速混合机中低速(100r/min以下)搅拌5min，然后加入4kg钙锌稳定剂、15kg活性碳酸钙、2kg内润滑剂及外润滑剂得到混合料，在1200～1500r/min条件下搅拌直至混合料的温度达到120℃，然后将混合料放入冷混设备中在500r/min的条件下搅拌直至混合料的温度降至40～50℃，再通过挤出机挤出成型即得改性聚氯乙烯材料管材。
对比例4
向高速搅拌设备中加入9kg钛白粉，逐渐升温至70℃，加入1kg钛酸酯偶联剂，然后搅拌10～20min，取出烘干后放入研磨机中研磨制得粒径为100nm以下的耐候助剂。
将2kg耐候助剂与100kg PVC在高速混合机中低速(100r/min以下)搅拌5min，然后加入4kg钙锌稳定剂、15kg活性碳酸钙、2kg内润滑剂及外润滑剂得到混合料，在1200～1500r/min条件下搅拌直至混合料的温度达到120℃，然后将混合料放入冷混设备中在500r/min的条件下搅拌直至混合料的温度降至40～50℃，再通过挤出机挤出成型即得改性聚氯乙烯材料管材。
对比例5
向高速搅拌设备中加入9kg炭黑，逐渐升温至70℃，加入1kg钛酸酯偶联剂，然后搅拌10～20min，取出烘干后放入研磨机中研磨制得粒径为100nm以下的耐候助剂。
将2kg耐候助剂与100kg PVC在高速混合机中低速(100r/min以下)搅拌5min，然后加入4kg钙锌稳定剂、15kg活性碳酸钙、2kg内润滑剂及外润滑剂得到混合料，在1200～1500r/min条件下搅拌直至混合料的温度达到120℃，然后将混合料放入冷混设备中在500r/min的条件下搅拌直至混合料的温度降至40～50℃，再通过挤出机挤出成型即得改性聚氯乙烯材料管材。
分别取实施例1～4和对比例1～5制备得到的dn110排水管进行紫外光老化1000小时试验，对比管材色差变化情况及拉伸屈服强度情况，结果分别如表1和表2所示。
从色差变化情况来看，实施例1～4在变化趋势上均小于对比例1～4，其中实施例3优于实施例2，实施例2优于实施例1，实施例1优于实施例4，对比例5因为产品呈黑色，所以色差变化小。从拉伸屈服强度情况来看，各实施例在拉伸屈服强度下降趋势方面相对对比例更小，其中实施例1的拉伸性能优于实施例2～4。根据实施例1～4可知，耐候助剂的添加量逐渐增加时，色差变化逐渐减小，产品耐候性逐渐提高，但加入过多时产品拉伸屈服强度逐渐减小。根据实施例1、对比例4和对比例5可知，同时添加钛白粉和炭黑时，产品拉伸屈服强度变化均优于单独添加钛白粉或炭黑(总质量相同)，说明钛白粉和炭黑同时加入具有协同效应。根据实施例3和对比例2可知，通过将钛白粉、炭黑及钛酸酯偶联剂预先处理后制成耐候助剂再用于产品生产，相同添加量情况下，产品在拉伸屈服强度变化和色差变化方面均有明显优势，说明该处理加工工艺可带来明显的有益效果。
表1
表2
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种改性聚氯乙烯材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将钛白粉与炭黑混合并升温至60～80℃，然后加入钛酸酯偶联剂，搅拌10～20min后干燥并研磨得到粒径为100nm以下的耐候助剂，所述钛白粉、炭黑和钛酸酯偶联剂的质量比为4～7:2～5:1；
将聚氯乙烯、辅料和所述耐候助剂混匀后挤出成型即得所述改性聚氯乙烯材料。
2.根据权利要求1所述的改性聚氯乙烯材料的制备方法，其特征在于，所述钛白粉、炭黑和钛酸酯偶联剂的质量比为6:3:1。
3.根据权利要求1所述的改性聚氯乙烯材料的制备方法，其特征在于，按质量份数计，所述聚氯乙烯为100份，所述耐候助剂为2～10份，所述辅料为14～41份。
4.根据权利要求3所述的改性聚氯乙烯材料的制备方法，其特征在于，按质量份数计，所述聚氯乙烯为100份，所述耐候助剂为5～7份，所述辅料为14～41份。
5.根据权利要求1所述的改性聚氯乙烯材料的制备方法，其特征在于，所述将聚氯乙烯、辅料和所述耐候助剂混匀具体包括以下步骤：将聚氯乙烯、辅料和所述耐候助剂混合得到混合料，在1200～1500r/min条件下搅拌直至所述混合料的温度达到110～130℃，然后在400～600r/min的条件下搅拌直至所述混合料的温度降至40～50℃。
6.根据权利要求1～5任一项所述的改性聚氯乙烯材料的制备方法，其特征在于，按质量份数计，所述辅料包括稳定剂3～6份、填充物10～30份和润滑剂1～5份。
7.根据权利要求6所述的改性聚氯乙烯材料的制备方法，其特征在于，所述稳定剂为钙锌稳定剂。
8.根据权利要求6所述的改性聚氯乙烯材料的制备方法，其特征在于，所述填充物为轻质碳酸钙或活性碳酸钙。
9.根据权利要求6所述的改性聚氯乙烯材料的制备方法，其特征在于，所述润滑剂为内润滑剂和外润滑剂。
10.一种根据权利要求1～9任一项所述的改性聚氯乙烯材料的制备方法制备得到的改性聚氯乙烯材料。
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