塑料改性最新理論和應用實例

一 塑料改性最新理論和成果

進入21世紀之后，隨著現代科學技術對塑料材料要求的不斷提高，塑料改性技術早已跳出經典的偶聯表面處理粉體理論和改性，各地塑料改性精英又推出各自的科研成果和改性理論，如無機粉體剛性粒子增強（增韌）理論、納米材料和晶須增強（增韌）材料、偶聯劑和助偶聯劑理論、化學接技和化學交聯、稀土偶聯劑、有機包復、三元共混理論、彈性體增強（增韌）技術、不同基材共混的相容劑理論、液晶原位復合技術、粉體表面原位組合化學改性、微膠囊化技術、廢舊塑料的利用和改性、超臨界水降解廢舊塑料技術、通用塑料工程化、合金化、無機粉體改性塑料環境友好材料、木塑復合材料、塑料多元復合共混改性理論、快速交聯聚乙烯技術、全降解塑料的開發和生產、流固耦合力學理論、石墨烯復合材料改性、玻璃長纖維（LFT）增強和玻璃連續纖維（CFT）增強技術、碳纖維復合材料改性、醫用和藥用塑料等。

其中在改性塑料中應用粉體填料改性材料比較重要的理論和技術是無機粉體剛性粒子（增韌）理論和塑料多元復合共混改性理論。分別簡述如下:

無機粉體剛性粒子增強（增韌）理論

這個理論認為超細粒子與大粒徑粒子相比，它們表面缺陷少，非配對原子多與聚合物發生物理或化學結合的可能性大大提高，增強了粒與聚合物基材的界面粘合力，因而可承受一定的負載。在一定條件下，有超細粒存在的聚合物材料在受外力沖擊時，基體產生大量銀紋和塑性變形，吸收更多沖擊能，從而達到增強(增韌)的目的。所謂一定條件下，即添加填料粒徑必須小于5微米、2微米甚至更細，同時粒子表面經過處理,在聚合物中分布分散均勻。這個理論產生的重要性在于打破了過去人們認為只有橡膠、玻纖和彈性體才能在塑料中起增強(增韌)的神活，使得廣大無機粉體材料由丑小鴨變為白天鵝，一躍為功能性材料，從而為無機粉體材料擴展在塑料中大量應用，打開了一條康莊大道。

塑料多元復合共混改性理論

筆者在2004年首先提出的集當代塑料改性精英大師們的經驗之大成，塑料多元復合共混改性理論闡述的是：現代塑料改性時，添加的粉體材料（如：填充劑、改性劑等）必須進行的表面處理并非如同以往采用一種方法處理，例如僅用鈦酸酯或者硅烷偶聯劑進行表面處理，這種表面處理已難以滿足日新月異的高新技術對塑料材料的更高要求，可以采用duo＝1＋2＋3＋…＋n多元化復合表面處理，才能滿足技術和質量、加工工藝的更高要求，同時針對不同的使用場合、不同技術指標的要求，復合配方多種加工助劑，包括相容劑等，如FU＝A＋B＋C＋…＋N。經這樣處理的改性粉體添加在塑料中，才能滿足使用者對改性塑料材料的各種苛刻要求，或者大幅度提升某一、二項技術指標而其它指標基本保持不變，或者在保證質量前提下大幅度降低成本，更好地參與市場競爭。這里 duo表示多元化處理，FU表示復合共混改性的意思。

這里還有一個物盡其用準則，即根據現有的條件，如已有加工設備、國產原材料、基本不改變原有加工工藝，在多元復合共混改性理論指導下，充分滿足使用要求和技術指標、在保證質量的前提下，充分挖掘原材料的潛能，從而達到最好的高性價比。

塑料多元復合共混改性理論的出現，改變了以往人們在塑料中添加粉體改性材料的習慣思維，使那些原本無法研制出的新產品如雨后春筍般出現了。例如添加量高達50％的無機非礦粉料仍然透明且物理機械性能好的塑料薄膜制品；無機非礦粉料添加量達20～30％且比重小于1的塑料樹脂；結構與普通PVC建筑物排水管一樣單層就可以消除流水聲的靜音管等，使我國的改性塑料事業達到一個新的高度。

多少年來，各國科學家都在努力將計算機技術應用在自己的科學試驗和生產實踐中，但改性塑料新品種的開發卻是一項應用科學。首先必須進行探索性配方、再制成樣品、然后經按標準測試得出科學數據，再篩選得出合理配方，試制成成品、并進一步提高，產生新的合理的科學理論以指導實踐。筆者作為一個中國塑料科技專家，一直夢想將計算機技術用于模擬塑料改性試驗以提高工作效率，又快又好地完成課題。同時如有一種先進的理論指導模擬塑料改性數字技術的推廣，將使廣大中小型塑料企業受益，其將不再因缺乏技術力量而無法實施改性塑料，從而省時省力省錢。但塑料改性技術的數字化，一直找不到合適的理論和數學模型及數字化工具而擱淺。塑料多元復合共混改性理論的出現，為我們找到了一條將粉體表面處理技術和塑料共混改性技術與計算機應用聯系結合的方法，將塑料改性技術應用數字化，從而使計算機技術用于模擬塑料改性試驗。它使塑料共混改性的最新理論如何轉變為先進的生產技術、指導科學試驗和生產實踐有了一個發揮的平臺。它的應用可以優化需要改性塑料的某項性能，同時其它性能技術指標基本不下降，并且原有加工工藝、加工設備也無須改變。

二 粉體填料在塑料工業中的應用實例

創新理論來源于社會實踐，又在更高層次指導創新實踐。這里介紹的兩個實例，其技術水準達到國內外先進水平或領先水平，其技術含金量不言而喻了。

案例： 消除馬大哈的醫用PVC-X光追蹤絲、片的研制

在病人進行外科手術中，緊張的氣氛和復雜的手術有時會出現一些意外，例如擦血用的紗布，稍一疏忽就可能被遣忘在病人體內，輕者給病人帶來痛苦，重者出現意外，甚至死亡。針對該情況，現在發明了一種在X光透視下，可以清晰顯影的醫用聚氯乙烯X光追蹤絲、片。把它固定在紗布上，當手術結束后發現紗布數量缺失時，就能對病人進行X光透視，來確認紗布是否留在病人體內和留在何處，從而可幫助醫生準確及時地從病人體內取出被遣忘的紗布。

X光追蹤絲、片的生產技術難度較高，這是因為要在PVC樹脂內添加大量的顯影劑，同時還要保證表面光滑細膩、材質柔軟、彈性高、強度大和無味無毒、顯影效果好。

1 原料的選擇

◆樹脂：X光追蹤絲、片的基材選用無毒聚氯乙烯樹脂。對無毒聚氯乙烯樹脂基本要求是：

●殘留VCM<5×10。

●平均聚合度在800—1200范圍內，即國標SG一3型PVC樹脂。

●選用支鏈少，相對分子質量均勻的PVC樹脂。

●要求白度在72％左右。

●PVC樹脂中少晶點、黑黃點，由于PVC樹脂中黑黃點、晶點直接帶入到制品中，會嚴重影響最終制品的外觀，因此粒料生產一般要求PVC中的晶點、黑黃點盡量少。

◆ 穩定劑的選擇

●聚氯乙烯是熱敏性塑料，熱穩定性較差。當加工受熱時，在沒有穩定劑存在情況下，聚氯乙烯樹脂很快會放出氯化氫氣體，樹脂顏色很快變黃、紅、棕色，最后變成黑色。所以配方中必須加入熱穩定劑。而X光追蹤絲、片的生產是先擠出造粒后再擠出成型。它的熱穩定系統非常重要。因為它的加工溫度是比較高的(溫度可達160-200℃)，只有在塑化程度良好的情況下，才能在機頭內吹塑成型為外觀美觀而厚度均勻的制品。為了適應工藝的特性，配方必須考慮在高溫下不會分解。一般選用無毒無味的鈣鋅復合穩定劑系統。

●輔助穩定劑：輔助熱穩定劑選用環氧大豆油類，它具有良好的光穩定性及改善熔體流動性的功能，同時兼有增塑劑的作用。與主熱穩定劑有較好的協同效應，用量一般為3～8phr。環氧值>6.2％為佳。

●鰲合劑：鰲合劑一般有亞磷酸三苯脂、亞磷酸一苯二異辛脂等。它僅作為輔助穩定劑使用，不能單獨使用。它的份量以0.5份較為恰當，當份量再增加時，對熱著色并沒有增效，而它的發粘卻容易給加工過程帶來不良的后果。

當然，所有的穩定劑都必須選用無毒無味型的。添加的比例必須合適，發揮最好的協同效應。

◆ 增塑劑

凡是添加到聚合物體系在可以使聚合物玻璃化溫度降低、塑性增加、容易加工的物質被稱為增塑劑。在加工過程中可以降底樹脂的熔融溫度和熔融粘度，并使塑料制品在常溫下具有柔軟性。在聚氯乙烯保鮮膜中常用的有已二酸二辛脂(DOA)，一般增塑劑加入量在40%以上的聚氯乙烯塑料制品為軟制品。

◆ 潤滑劑：潤滑劑從其作用來看可分三類：外潤滑劑、內潤滑劑、內外潤滑劑。外潤滑劑主要由與PVC相容性較差、熔點較低的潤滑劑組成，添加的目的是為了減少熔體與擠出機機筒、螺桿的摩擦和剪切作用。內潤滑劑主要由與PVC相容性較好的潤滑劑組成，添加的目的是為了減少熔體分子間的摩擦和剪切作用。內外潤滑劑主要由與PVC相容的潤滑劑組成，兼有上兩種潤滑劑的作用。擠出成型時潤滑劑選用以內潤滑劑為主，內外兼顧，搭配得當。

◆ 顯影劑：為得到較好的X光顯影效果，配方中添加了大量的醫用非金屬礦粉體顯影劑，一般可為100～160份。

◆ 配方：PVC、增塑劑、穩定劑、潤滑劑——100份 

              顯影劑——100～160份    色母——適量

2 工藝流程圖

配料計量→高速捏和→冷卻→擠出造粒→粒料→檢驗→存儲備用

a.粒料→擠出機→出片口?！鋮s→牽引→X光追蹤片

b.粒料→擠出機→出絲口模→冷卻→牽引→X光追蹤絲

3衛生性能：參見《中國藥典》中第二部份附錄輸血輸液用塑料容器檢驗法

4討論

◆ 要生產出優質的醫用PVC-X光追蹤絲、片的產品，捏和工藝極為重要。捏和不當，將導致分散不均，影響粒料和產品質量。

◆ 外觀平滑光澤性：醫用PVC-X光追蹤絲、片外觀要求平整、無光?？梢酝ㄟ^對冷卻牽引、擠出溫度和擠出速度的調整加以解決。

◆ 無味無毒問題：醫用PVC-X光追蹤絲、片要求絕對無味無毒，能滿足化學和生物性能指標。但在其配方中，又必須添加各種助劑，才能生產。各種助劑必須搭配適量，才能達到其各項規定指標。

表1 相關的測試項目

表2 生物試驗結果

案例：2010年上海世博會選用的建筑物用單層靜音排水實壁管專用料

隨著我國現代化建設的不斷發展，各類不同材質、不同結構的塑料管被大量應用，但應用于建筑物內部的排水排污管，如果遇到住戶倒生活用水時，普通塑料管將有流水聲傳出形成噪音干擾，很是令人生厭。去噪音的一個方法是采用三層共擠中間一層發泡的辦法，生產復合塑料管加以解決。本法的缺陷是投入大、工藝復雜等導致此類管子成本高。能否采用原有生產實壁管的設備生產抗噪聲靜音管呢？我們在塑料多元復合共混改性理論指導下，經過一個多月的連續奮戰，研制生產了適用于建筑物內普通排水系統、連續排水溫度不大于95℃的高溫排水系統以及對排水噪音有特殊要求的靜音排水系統用管材專用料。受到用戶的好評，現己批量投產。在考慮到本專用料耐化學性的條件下，也可用于生產工業排水系統用管材。

圖1 靜音排水系統用管材專用料制成的建筑物用單層靜音排水實壁管被2010年上海世博會選用

本專用料以聚丙烯或者聚氯乙烯為主要原料，其中加入為生產達到標準要求的管材所必需的添加劑，所有添加劑應分散均勻。用本專用料生產的管材外觀，內外表面光滑，無氣泡、裂口和明顯的痕紋、凹陷、色澤不均及其它影響性能的表面缺陷。管材不應含有可見雜質。管材端面應切割平整并與軸線垂直。顏色為灰白色，也可按需方要求協商確定。

表 3管材物理力學性能

用本專用料生產的管材的主要特點是：A.靜音效果優異，通過添加的特殊分子結構材料來吸收聲波的能量，達到靜音的效果。靜音指標優于其它管道。B.超強的耐化學腐蝕性，可用于PH2-PH12的液體排放。C.綠色安全環保，本材料生產的管材無毒無害，不對水質造成二次污染。

用本專用料生產的管材，物理力學性能符合表3的規定。

用本專用料生產的管材與管件按要求連接后進行的系統適用性試驗，可符合表4的規定。

表4 系統適用性

按GB/T 2918規定，在溫度為（23±2） ℃，濕度為(50±10)%條件下進行狀態調節，時間不少于24h，并在此條件下進行試驗。

本專用料制成的建筑屋內用高溫靜音排水管道系通已被2010年上海世博會選用。