通过研究基础树脂、复合稳定剂、增塑剂、填充剂等对电线电缆用环保聚氯乙烯(PVC)护套料性能的影响,确立电线电缆用环保PVC护套料配方:PVC为100.0phr,Ca/Zn复合稳定剂为7.0phr,偏苯三酸三辛酯(TOTM)为35.0phr,邻苯二甲酸二异癸酯(DIDP)为15.0phr,重质碳酸钙为30.0phr。并对产物性能进行了表征,测试结果表明,整个配方体系不含有害物质(铅、镉、汞、六价铬等重金属及多溴联苯及其醚类),护套料性能满足国家标准对105℃环保PVC护套料的要求,挤出工艺性能优良。
关键词:聚氯乙烯;环保;护套料;配方
中图分类号:TM215;TQ325.3文献标志码:A文章编号:1009-9239(2008)06-0014-04
1前言
进入21世纪,随着人类环保意识的提高和人们对自身健康的关注,环境问题成为人类社会关注的焦点,许多国家、地区及组织纷纷制定了严格的标准与法规,限制有害物质的使用。特别是欧盟规定2006年7月1日以后进入欧盟国家的产品必需符合环保ROHS规定,否则,产品根本无法进入欧盟国家。传统PVC电线电缆料因含一定量的重金属元素等有害物质,已成为制约电线电缆在电气设备、基础设施、基本建设等场合应用的重要因素。为保护人类健康,维护生态环境,降低对社会环境的威胁和污染,实现可持续发展,环保PVC电缆料的开发已成为当前电缆材料开发的主题。
本环保配方体系不含对人和环境有较大损害的铅、镉、六价铬、汞等重金属及及多溴联苯及其醚类,性能满足国家标准对105℃环保聚氯乙烯护套料的要求,挤出工艺性能优良,目前已投入汽车电线、电气装备线等用环保塑料的批量生产中。
2实验
2.1原材料
PVC树脂:北京化工二厂;偏苯三酸三辛酯(TOTM)、邻苯二甲酸二异癸酯(DIDP):齐鲁石化公司;钙/锌环保复合稳定剂:深圳志海化工公司;重质碳酸钙:苏州立达化工厂;抗氧剂双酚A:台湾化工公司;PE蜡:上海金山石化公司;高耐磨碳黑:辽宁鞍山碳黑厂。
2.2主要设备和仪器
SHR-10A型高速混合机,kx20/40平行双阶螺杆挤出机,江苏昆山科信橡塑机械公司;QLB-D25吨平板硫化压床,上海第一橡胶机械厂;XWW-20B万能试验机,承德市金建检测仪器公司;低温冲击脆化仪,上海澎脯制冷仪器公司;热老化箱,江苏启东实验仪器厂;分析天平,上海精科仪器厂。
2.3制备工艺
将不同组分的原材料在高速混合机上混合6min左右,在挤出温度为130~160℃双螺杆挤出机上塑化造粒,将混好的护套料在165~175℃压床上模压15min制成试片,供实验用。
2.4试样测试
试样的物理力学性能按国家标准GB/T8815—2002《电线电缆用软聚氯乙烯塑料》要求进行测试,环保性能按IEC62321ED.1111/54/CDV的标准测试。
3结果与讨论
3.1PVC树脂的选用
选用合适的PVC树脂是设计PVC护套配方至关重要的一步,PVC分子量的大小即聚合度的大小关系到PVC护套料的各项性能。分子量越高,制品的拉伸强度、冲击强度、弹性模量越高,耐热耐寒性越好,热变形温度较高;另一方面,随分子量增大,树脂的加工流动性能变差,可塑性下降,加工温度高。试验发现,采用聚合度为1300左右的聚氯乙烯树脂较适合(即SG-3型树脂)。
3.2增塑剂的选择
增塑剂添加到高聚物中,能降低树脂分子间的作用力,增塑剂的主要作用是降低聚合物的熔融温度和熔体粘度,进而降低聚合物的加工温度;赋予聚合物制品以柔软性和耐低温性能。通过配方试验发现,对105℃环保PVC护套料,使材料热失重和断裂伸长变化率及低温冲击脆化性能同时满足标准要求是配方研制的关键所在。选择热稳定性好、挥发性比较小、增塑效果好的增塑剂以获得护套料较好的热老化性能,保持较好的物理力学性能。
环保聚氯乙烯护套料中较常使用的增塑剂有:邻苯二甲酸二辛酯(DOP),邻苯二甲酸二壬酯(DINP),邻苯二甲酸二异癸酯(DIDP),邻苯二甲酸双十三酯(DTDP),对苯二甲酸二辛酯(DOTP),偏苯三酸三辛酯(TOTM)等。由图1看出,增塑剂的挥发性及耐热性优劣顺序如下:TOTM>DTDP>DIDP>DOP。
从表1结果可知:10#配方同7#配方相比,由于10#配方的DIDP用量较多,护套料的断裂伸长变化率及热失重较大,达不到到相关标准的要求。7#配方DIDP用量减少,因此7#配方老化后的断裂伸长变化率及热失重比较小,可满足国家标准对断裂伸长变化率及热失重的要求,是因为增塑剂TOTM比DIDP挥发性小所致。热失重主要由增塑剂的挥发、氯化氢的逸出、低分子物质的析出等引起;热失重会在一定程度上影响塑料的断裂伸长变化率。7#和10#配方的低温冲击实验合格,而4#和6#配方的低温冲击实验不合格,是因为4#和6#配方增塑剂用量较少所致,当增塑剂用量较少会导致材料的玻璃化温度升高,从而导致4#和6#配方的低温冲击实验不合格。通过实验可知材料的热失重与低温冲击性能是一对矛盾,要使它们同时满足标准要求,必须选择好增塑剂的品种并将其添加量控制在合适的范围。综合考虑多方面的因素选取偏苯三酸三辛酯(TOTM)和邻苯二甲酸二异癸酯(DIDP)作为本配方体系的增塑剂;加入DIDP主要是为了降低塑料的成本。
3.3环保稳定剂的选择
环保PVC护套料的稳定剂应不含对人体有危害的铅(Pb)、镉(Cd)汞(Hg)、六价铬(Cr6+)等重金属元素。环保护套料选用钙/锌复合稳定剂,钙/锌复合稳定剂的热稳定性接近或超过某些钡/镉稳定剂、铅类稳定剂,并可以替代有毒稳定剂。并且这类稳定剂的耐候性好,无毒,具有良好的透明性,有益于人体健康和环境保护。
由表2可知,钙/锌复合稳定剂的加入对护套料的热稳定时间影响很大。稳定剂加入越多,护套料热稳定时间越长,材料性能就越优良。这主要是因为钙/锌复合稳定剂加入有效抑制了PVC的分解,延长了护套料的使用期。钙/锌复合稳定剂的加入量不宜过低,过低护套料的热稳定时间很短,在生产中会出现焦烧,使生产无法进行,同时,材料老化后的性能变差;但加入量也不能过高,过高虽然老化后的性能很好,但成本会增加。综合考虑了各种因素,环保稳定剂一般加入7份左右比较合适。
3.4填充剂的使用
塑料中添加填充剂主要是降低产品成本,减少树脂的消耗量,还可以改善塑料的某些性能。例如:耐热变形性变小,改善捏合性能,减少成型收缩率等。但是,填充剂的加入会影响塑料的拉伸强度及低温性能等。在PVC护套料中常用碳酸钙做填充剂。碳酸钙分轻质碳酸钙和重质碳酸钙,重质碳酸钙加入到PVC护套材料中比轻质碳酸钙加入到PVC护套材料中的产量高,表面质量也比较好。重质碳酸钙的生产工艺简单,生产过程出现的粉尘少,符合绿色环保设计与制造的要求。
由表3可知,碳酸钙添加量多少对PVC护套料低温冲击性能影响比较大,添加量较多时,低温冲击性能一般不容易合格,这是因为碳酸钙加入量增加了,而增塑剂用量保持不变,这会使护套料玻璃化温度升高,相应的低温性能变差。随着碳酸钙添加量的增加,护套料成本会降低,但断裂伸长率变小,密度会逐渐增大,硬度增大。综合考虑各方面的因素,碳酸钙添加量在30~40份为宜。
3.5其它加工助剂的使用
在PVC护套料中还加入了抑制PVC老化的抗氧剂,加入了降低PVC与加工机械摩擦和PVC内摩擦的有聚乙烯蜡及碳黑着色剂等。
4塑料及其制品的性能
通过配方的综合研究和筛选,确定了105℃环保聚氯乙烯护套料配方,对塑料及其制品的性能进行了研究。
4.1挤出造粒
塑料挤出造粒在?75/180双阶螺杆挤出造粒机上进行,挤出过程设备负荷正常,塑化好的粒料表面光滑。105℃环保聚氯乙烯护套料配方性能如表4所示,环保性能如表5所示。
105℃环保聚氯乙烯护套料配方性能
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5结论
(1)以聚氯乙烯(PVC)SG-3为基础树脂,Ca/Zn复合稳定剂为稳定剂,偏苯三酸三酯(TOTM)和邻苯二甲酸二异癸酯(DIDP)为增塑剂、重质碳酸钙为填充剂,双酚A为抗氧剂,聚乙烯蜡为润滑剂、高耐磨炭黑为着色剂,通过挤出造粒获得了性能优良的电线电缆用105℃环保聚氯乙烯护套塑料,已用于电缆的实际生产中。
