塑料改性最新理论和应用实例

一 塑料改性最新理论和成果

进入21世纪之后，随着现代科学技术对塑料材料要求的不断提高，塑料改性技术早已跳出经典的偶联表面处理粉体理论和改性，各地塑料改性精英又推出各自的科研成果和改性理论，如无机粉体刚性粒子增强（增韧）理论、纳米材料和晶须增强（增韧）材料、偶联剂和助偶联剂理论、化学接技和化学交联、稀土偶联剂、有机包复、三元共混理论、弹性体增强（增韧）技术、不同基材共混的相容剂理论、液晶原位复合技术、粉体表面原位组合化学改性、微胶囊化技术、废旧塑料的利用和改性、超临界水降解废旧塑料技术、通用塑料工程化、合金化、无机粉体改性塑料环境友好材料、木塑复合材料、塑料多元复合共混改性理论、快速交联聚乙烯技术、全降解塑料的开发和生产、流固耦合力学理论、石墨烯复合材料改性、玻璃长纤维（LFT）增强和玻璃连续纤维（CFT）增强技术、碳纤维复合材料改性、医用和药用塑料等。

其中在改性塑料中应用粉体填料改性材料比较重要的理论和技术是无机粉体刚性粒子（增韧）理论和塑料多元复合共混改性理论。分别简述如下:

无机粉体刚性粒子增强（增韧）理论

这个理论认为超细粒子与大粒径粒子相比，它们表面缺陷少，非配对原子多与聚合物发生物理或化学结合的可能性大大提高，增强了粒与聚合物基材的界面粘合力，因而可承受一定的负载。在一定条件下，有超细粒存在的聚合物材料在受外力冲击时，基体产生大量银纹和塑性变形，吸收更多冲击能，从而达到增强(增韧)的目的。所谓一定条件下，即添加填料粒径必须小于5微米、2微米甚至更细，同时粒子表面经过处理,在聚合物中分布分散均匀。这个理论产生的重要性在于打破了过去人们认为只有橡胶、玻纤和弹性体才能在塑料中起增强(增韧)的神活，使得广大无机粉体材料由丑小鸭变为白天鹅，一跃为功能性材料，从而为无机粉体材料扩展在塑料中大量应用，打开了一条康庄大道。

塑料多元复合共混改性理论

笔者在2004年首先提出的集当代塑料改性精英大师们的经验之大成，塑料多元复合共混改性理论阐述的是：现代塑料改性时，添加的粉体材料（如：填充剂、改性剂等）必须进行的表面处理并非如同以往采用一种方法处理，例如仅用钛酸酯或者硅烷偶联剂进行表面处理，这种表面处理已难以满足日新月异的高新技术对塑料材料的更高要求，可以采用duo＝1＋2＋3＋…＋n多元化复合表面处理，才能满足技术和质量、加工工艺的更高要求，同时针对不同的使用场合、不同技术指标的要求，复合配方多种加工助剂，包括相容剂等，如FU＝A＋B＋C＋…＋N。经这样处理的改性粉体添加在塑料中，才能满足使用者对改性塑料材料的各种苛刻要求，或者大幅度提升某一、二项技术指标而其它指标基本保持不变，或者在保证质量前提下大幅度降低成本，更好地参与市场竞争。这里 duo表示多元化处理，FU表示复合共混改性的意思。

这里还有一个物尽其用准则，即根据现有的条件，如已有加工设备、国产原材料、基本不改变原有加工工艺，在多元复合共混改性理论指导下，充分满足使用要求和技术指标、在保证质量的前提下，充分挖掘原材料的潜能，从而达到最好的高性价比。

塑料多元复合共混改性理论的出现，改变了以往人们在塑料中添加粉体改性材料的习惯思维，使那些原本无法研制出的新产品如雨后春笋般出现了。例如添加量高达50％的无机非矿粉料仍然透明且物理机械性能好的塑料薄膜制品；无机非矿粉料添加量达20～30％且比重小于1的塑料树脂；结构与普通PVC建筑物排水管一样单层就可以消除流水声的静音管等，使我国的改性塑料事业达到一个新的高度。

多少年来，各国科学家都在努力将计算机技术应用在自己的科学试验和生产实践中，但改性塑料新品种的开发却是一项应用科学。首先必须进行探索性配方、再制成样品、然后经按标准测试得出科学数据，再筛选得出合理配方，试制成成品、并进一步提高，产生新的合理的科学理论以指导实践。笔者作为一个中国塑料科技专家，一直梦想将计算机技术用于模拟塑料改性试验以提高工作效率，又快又好地完成课题。同时如有一种先进的理论指导模拟塑料改性数字技术的推广，将使广大中小型塑料企业受益，其将不再因缺乏技术力量而无法实施改性塑料，从而省时省力省钱。但塑料改性技术的数字化，一直找不到合适的理论和数学模型及数字化工具而搁浅。塑料多元复合共混改性理论的出现，为我们找到了一条将粉体表面处理技术和塑料共混改性技术与计算机应用联系结合的方法，将塑料改性技术应用数字化，从而使计算机技术用于模拟塑料改性试验。它使塑料共混改性的最新理论如何转变为先进的生产技术、指导科学试验和生产实践有了一个发挥的平台。它的应用可以优化需要改性塑料的某项性能，同时其它性能技术指标基本不下降，并且原有加工工艺、加工设备也无须改变。

二 粉体填料在塑料工业中的应用实例

创新理论来源于社会实践，又在更高层次指导创新实践。这里介绍的两个实例，其技术水准达到国内外先进水平或领先水平，其技术含金量不言而喻了。

案例： 消除马大哈的医用PVC-X光追踪丝、片的研制

在病人进行外科手术中，紧张的气氛和复杂的手术有时会出现一些意外，例如擦血用的纱布，稍一疏忽就可能被遣忘在病人体内，轻者给病人带来痛苦，重者出现意外，甚至死亡。针对该情况，现在发明了一种在X光透视下，可以清晰显影的医用聚氯乙烯X光追踪丝、片。把它固定在纱布上，当手术结束后发现纱布数量缺失时，就能对病人进行X光透视，来确认纱布是否留在病人体内和留在何处，从而可帮助医生准确及时地从病人体内取出被遣忘的纱布。

X光追踪丝、片的生产技术难度较高，这是因为要在PVC树脂内添加大量的显影剂，同时还要保证表面光滑细腻、材质柔软、弹性高、强度大和无味无毒、显影效果好。

1 原料的选择

◆树脂：X光追踪丝、片的基材选用无毒聚氯乙烯树脂。对无毒聚氯乙烯树脂基本要求是：

●残留VCM<5×10。

●平均聚合度在800—1200范围内，即国标SG一3型PVC树脂。

●选用支链少，相对分子质量均匀的PVC树脂。

●要求白度在72％左右。

●PVC树脂中少晶点、黑黄点，由于PVC树脂中黑黄点、晶点直接带入到制品中，会严重影响最终制品的外观，因此粒料生产一般要求PVC中的晶点、黑黄点尽量少。

◆ 稳定剂的选择

●聚氯乙烯是热敏性塑料，热稳定性较差。当加工受热时，在没有稳定剂存在情况下，聚氯乙烯树脂很快会放出氯化氢气体，树脂颜色很快变黄、红、棕色，最后变成黑色。所以配方中必须加入热稳定剂。而X光追踪丝、片的生产是先挤出造粒后再挤出成型。它的热稳定系统非常重要。因为它的加工温度是比较高的(温度可达160-200℃)，只有在塑化程度良好的情况下，才能在机头内吹塑成型为外观美观而厚度均匀的制品。为了适应工艺的特性，配方必须考虑在高温下不会分解。一般选用无毒无味的钙锌复合稳定剂系统。

●辅助稳定剂：辅助热稳定剂选用环氧大豆油类，它具有良好的光稳定性及改善熔体流动性的功能，同时兼有增塑剂的作用。与主热稳定剂有较好的协同效应，用量一般为3～8phr。环氧值>6.2％为佳。

●鳌合剂：鳌合剂一般有亚磷酸三苯脂、亚磷酸一苯二异辛脂等。它仅作为辅助稳定剂使用，不能单独使用。它的份量以0.5份较为恰当，当份量再增加时，对热着色并没有增效，而它的发粘却容易给加工过程带来不良的后果。

当然，所有的稳定剂都必须选用无毒无味型的。添加的比例必须合适，发挥最好的协同效应。

◆ 增塑剂

凡是添加到聚合物体系在可以使聚合物玻璃化温度降低、塑性增加、容易加工的物质被称为增塑剂。在加工过程中可以降底树脂的熔融温度和熔融粘度，并使塑料制品在常温下具有柔软性。在聚氯乙烯保鲜膜中常用的有已二酸二辛脂(DOA)，一般增塑剂加入量在40%以上的聚氯乙烯塑料制品为软制品。

◆ 润滑剂：润滑剂从其作用来看可分三类：外润滑剂、内润滑剂、内外润滑剂。外润滑剂主要由与PVC相容性较差、熔点较低的润滑剂组成，添加的目的是为了减少熔体与挤出机机筒、螺杆的摩擦和剪切作用。内润滑剂主要由与PVC相容性较好的润滑剂组成，添加的目的是为了减少熔体分子间的摩擦和剪切作用。内外润滑剂主要由与PVC相容的润滑剂组成，兼有上两种润滑剂的作用。挤出成型时润滑剂选用以内润滑剂为主，内外兼顾，搭配得当。

◆ 显影剂：为得到较好的X光显影效果，配方中添加了大量的医用非金属矿粉体显影剂，一般可为100～160份。

◆ 配方：PVC、增塑剂、稳定剂、润滑剂——100份 

              显影剂——100～160份    色母——适量

2 工艺流程图

配料计量→高速捏和→冷却→挤出造粒→粒料→检验→存储备用

a.粒料→挤出机→出片口模→冷却→牵引→X光追踪片

b.粒料→挤出机→出丝口模→冷却→牵引→X光追踪丝

3卫生性能：参见《中国药典》中第二部份附录输血输液用塑料容器检验法

4讨论

◆ 要生产出优质的医用PVC-X光追踪丝、片的产品，捏和工艺极为重要。捏和不当，将导致分散不均，影响粒料和产品质量。

◆ 外观平滑光泽性：医用PVC-X光追踪丝、片外观要求平整、无光。可以通过对冷却牵引、挤出温度和挤出速度的调整加以解决。

◆ 无味无毒问题：医用PVC-X光追踪丝、片要求绝对无味无毒，能满足化学和生物性能指标。但在其配方中，又必须添加各种助剂，才能生产。各种助剂必须搭配适量，才能达到其各项规定指标。

表1 相关的测试项目

表2 生物试验结果

案例：2010年上海世博会选用的建筑物用单层静音排水实壁管专用料

随着我国现代化建设的不断发展，各类不同材质、不同结构的塑料管被大量应用，但应用于建筑物内部的排水排污管，如果遇到住户倒生活用水时，普通塑料管将有流水声传出形成噪音干扰，很是令人生厌。去噪音的一个方法是采用三层共挤中间一层发泡的办法，生产复合塑料管加以解决。本法的缺陷是投入大、工艺复杂等导致此类管子成本高。能否采用原有生产实壁管的设备生产抗噪声静音管呢？我们在塑料多元复合共混改性理论指导下，经过一个多月的连续奋战，研制生产了适用于建筑物内普通排水系统、连续排水温度不大于95℃的高温排水系统以及对排水噪音有特殊要求的静音排水系统用管材专用料。受到用户的好评，现己批量投产。在考虑到本专用料耐化学性的条件下，也可用于生产工业排水系统用管材。

图1 静音排水系统用管材专用料制成的建筑物用单层静音排水实壁管被2010年上海世博会选用

本专用料以聚丙烯或者聚氯乙烯为主要原料，其中加入为生产达到标准要求的管材所必需的添加剂，所有添加剂应分散均匀。用本专用料生产的管材外观，内外表面光滑，无气泡、裂口和明显的痕纹、凹陷、色泽不均及其它影响性能的表面缺陷。管材不应含有可见杂质。管材端面应切割平整并与轴线垂直。颜色为灰白色，也可按需方要求协商确定。

表 3管材物理力学性能

用本专用料生产的管材的主要特点是：A.静音效果优异，通过添加的特殊分子结构材料来吸收声波的能量，达到静音的效果。静音指标优于其它管道。B.超强的耐化学腐蚀性，可用于PH2-PH12的液体排放。C.绿色安全环保，本材料生产的管材无毒无害，不对水质造成二次污染。

用本专用料生产的管材，物理力学性能符合表3的规定。

用本专用料生产的管材与管件按要求连接后进行的系统适用性试验，可符合表4的规定。

表4 系统适用性

按GB/T 2918规定，在温度为（23±2） ℃，湿度为(50±10)%条件下进行状态调节，时间不少于24h，并在此条件下进行试验。

本专用料制成的建筑屋内用高温静音排水管道系通已被2010年上海世博会选用。