通過研究基礎樹脂、復合穩定劑、增塑劑、填充劑等對電線電纜用環保聚氯乙烯(pvc)護套料性能的影響,確立電線電纜用環保PVC護套料配方:PVC為100.0phr,Ca/Zn復合穩定劑為7.0phr,偏苯三酸三辛酯(TOTM)為35.0phr,鄰苯二甲酸二異癸酯(DIDP)為15.0phr,重質碳酸鈣為30.0phr。并對產物性能進行了表征,測試結果表明,整個配方體系不含有害物質(鉛、鎘、汞、六價鉻等重金屬及多溴聯苯及其醚類),護套料性能滿足國家標準對105℃環保PVC護套料的要求,擠出工藝性能優良。
1前言
進入21世紀,隨著人類環保意識的提高和人們對自身健康的關注,環境問題成為人類社會關注的焦點,許多國家、地區及組織紛紛制定了嚴格的標準與法規,限制有害物質的使用。特別是歐盟規定2006年7月1日以后進入歐盟國家的產品必需符合環保ROHS規定,否則,產品根本無法進入歐盟國家。傳統PVC電線電纜料因含一定量的重金屬元素等有害物質,已成為制約電線電纜在電氣設備、基礎設施、基本建設等場合應用的重要因素。為保護人類健康,維護生態環境,降低對社會環境的威脅和污染,實現可持續發展,環保PVC電纜料的開發已成為當前電纜材料開發的主題。
本環保配方體系不含對人和環境有較大損害的鉛、鎘、六價鉻、汞等重金屬及及多溴聯苯及其醚類,性能滿足國家標準對105℃環保聚氯乙烯護套料的要求,擠出工藝性能優良,目前已投入汽車電線、電氣裝備線等用環保塑料的批量生產中。
2實驗
PVC樹脂:北京化工二廠;偏苯三酸三辛酯(TOTM)、鄰苯二甲酸二異癸酯(DIDP):齊魯石化公司;鈣/鋅環保復合穩定劑:深圳志?；す?重質碳酸鈣:蘇州立達化工廠;抗氧劑雙酚A:臺灣化工公司;PE蠟:上海金山石化公司;高耐磨碳黑:遼寧鞍山碳黑廠。
制備工藝 ，將不同組分的原材料在高速混合機上混合6min左右,在擠出溫度為130~160℃雙螺桿擠出機上塑化造粒,將混好的護套料在165~175℃壓床上模壓15min制成試片,供實驗用。
試樣的物理力學性能按國家標準GB/T8815—2002《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》要求進行測試,環保性能按IEC62321ED.1111/54/CDV的標準測試。
3結果與討論
3.1PVC樹脂的選用
選用合適的PVC樹脂是設計PVC護套配方至關重要的一步,PVC分子量的大小即聚合度的大小關系到PVC護套料的各項性能。分子量越高,制品的拉伸強度、沖擊強度、彈性模量越高,耐熱耐寒性越好,熱變形溫度較高;另一方面,隨分子量增大,樹脂的加工流動性能變差,可塑性下降,加工溫度高。試驗發現,采用聚合度為1300左右的聚氯乙烯樹脂較適合(即SG-3型樹脂)。
3.2增塑劑的選擇
增塑劑添加到高聚物中,能降低樹脂分子間的作用力,增塑劑的主要作用是降低聚合物的熔融溫度和熔體粘度,進而降低聚合物的加工溫度;賦予聚合物制品以柔軟性和耐低溫性能。通過配方試驗發現,對105℃環保PVC護套料,使材料熱失重和斷裂伸長變化率及低溫沖擊脆化性能同時滿足標準要求是配方研制的關鍵所在。選擇熱穩定性好、揮發性比較小、增塑效果好的增塑劑以獲得護套料較好的熱老化性能,保持較好的物理力學性能。
環保聚氯乙烯護套料中較常使用的增塑劑有:鄰苯二甲酸二辛酯(DOP),鄰苯二甲酸二壬酯(DINP),鄰苯二甲酸二異癸酯(DIDP),鄰苯二甲酸雙十三酯(DTDP),對苯二甲酸二辛酯(DOTP),偏苯三酸三辛酯(TOTM)等。由圖1看出,增塑劑的揮發性及耐熱性優劣順序如下:TOTM>DTDP>DIDP>DOP。
從表1結果可知:10#配方同7#配方相比,由于10#配方的DIDP用量較多,護套料的斷裂伸長變化率及熱失重較大,達不到到相關標準的要求。7#配方DIDP用量減少,因此7#配方老化后的斷裂伸長變化率及熱失重比較小,可滿足國家標準對斷裂伸長變化率及熱失重的要求,是因為增塑劑TOTM比DIDP揮發性小所致。熱失重主要由增塑劑的揮發、氯化氫的逸出、低分子物質的析出等引起;熱失重會在一定程度上影響塑料的斷裂伸長變化率。7#和10#配方的低溫沖擊實驗合格,而4#和6#配方的低溫沖擊實驗不合格,是因為4#和6#配方增塑劑用量較少所致,當增塑劑用量較少會導致材料的玻璃化溫度升高,從而導致4#和6#配方的低溫沖擊實驗不合格。通過實驗可知材料的熱失重與低溫沖擊性能是一對矛盾,要使它們同時滿足標準要求,必須選擇好增塑劑的品種并將其添加量控制在合適的范圍。綜合考慮多方面的因素選取偏苯三酸三辛酯(TOTM)和鄰苯二甲酸二異癸酯(DIDP)作為本配方體系的增塑劑;加入DIDP主要是為了降低塑料的成本。
3.3環保穩定劑的選擇
環保PVC護套料的穩定劑應不含對人體有危害的鉛(Pb)、鎘(Cd)汞(Hg)、六價鉻(Cr6+)等重金屬元素。環保護套料選用鈣/鋅復合穩定劑,鈣/鋅復合穩定劑的熱穩定性接近或超過某些鋇/鎘穩定劑、鉛類穩定劑,并可以替代有毒穩定劑。并且這類穩定劑的耐候性好,無毒,具有良好的透明性,有益于人體健康和環境保護。
鈣/鋅復合穩定劑的加入對護套料的熱穩定時間影響很大。穩定劑加入越多,護套料熱穩定時間越長,材料性能就越優良。這主要是因為鈣/鋅復合穩定劑加入有效抑制了PVC的分解,延長了護套料的使用期。鈣/鋅復合穩定劑的加入量不宜過低,過低護套料的熱穩定時間很短,在生產中會出現焦燒,使生產無法進行,同時,材料老化后的性能變差;但加入量也不能過高,過高雖然老化后的性能很好,但成本會增加。綜合考慮了各種因素,環保穩定劑一般加入7份左右比較合適。
3.4填充劑的使用
塑料中添加填充劑主要是降低產品成本,減少樹脂的消耗量,還可以改善塑料的某些性能。例如:耐熱變形性變小,改善捏合性能,減少成型收縮率等。但是,填充劑的加入會影響塑料的拉伸強度及低溫性能等。在PVC護套料中常用碳酸鈣做填充劑。碳酸鈣分輕質碳酸鈣和重質碳酸鈣,重質碳酸鈣加入到PVC護套材料中比輕質碳酸鈣加入到PVC護套材料中的產量高,表面質量也比較好。重質碳酸鈣的生產工藝簡單,生產過程出現的粉塵少,符合綠色環保設計與制造的要求。
碳酸鈣添加量多少對PVC護套料低溫沖擊性能影響比較大,添加量較多時,低溫沖擊性能一般不容易合格,這是因為碳酸鈣加入量增加了,而增塑劑用量保持不變,這會使護套料玻璃化溫度升高,相應的低溫性能變差。隨著碳酸鈣添加量的增加,護套料成本會降低,但斷裂伸長率變小,密度會逐漸增大,硬度增大。綜合考慮各方面的因素,碳酸鈣添加量在30~40份為宜。
3.5其它加工助劑的使用
在PVC護套料中還加入了抑制PVC老化的抗氧劑,加入了降低PVC與加工機械摩擦和PVC內摩擦的有聚乙烯蠟及碳黑著色劑等。
4塑料及其制品的性能
通過配方的綜合研究和篩選,確定了105℃環保聚氯乙烯護套料配方,對塑料及其制品的性能進行了研究。
4.1擠出造粒
塑料擠出造粒在75/180雙階螺桿擠出造粒機上進行,擠出過程設備負荷正常,塑化好的粒料表面光滑。
5結論
(1)以聚氯乙烯(PVC)SG-3為基礎樹脂,Ca/Zn復合穩定劑為穩定劑,偏苯三酸三酯(TOTM)和鄰苯二甲酸二異癸酯(DIDP)為增塑劑、重質碳酸鈣為填充劑,雙酚A為抗氧劑,聚乙烯蠟為潤滑劑、高耐磨炭黑為著色劑,通過擠出造粒獲得了性能優良的電線電纜用105℃環保聚氯乙烯護套塑料,已用于電纜的實際生產中。
(2)105℃環保聚氯乙烯護套料的性能符合GB/T8815-2002要求。
(3)105℃環保聚氯乙烯護套料的環保指標符合相關標準要求。
(4)105℃環保聚氯乙烯護套料的工藝性能良好。
