PVC改性TPU弹性体的制备及性能研究

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针对热塑性聚氨酯弹性体(TPU)在应用过程中存在的生产成本高、硬度调节困难、加工流变性能差的缺点,本文以TPU为基体,特引入软质聚氯乙烯(PVC)与其共混改性,采用机械熔融共混法制备了TPU/PVC共混合金,以期在保持TPU优异的力学性能的基础上,改善其加工流变性能,降低其生产成本,拓展其应用范围。本文首先研究制备TPU/PVC共混合金的最佳配方和加工工艺,探讨TPU种类、PVC类型、TPU与PVC的共混比、增塑剂种类及用量及热稳定剂用量等对共混物的硬度、100%定伸应力、拉伸强度、断裂伸长率等力学性能的影响。力学性能测试结果表明:当TPU/PVC的质量共混比为70/30、钙锌复合稳定剂的用量为4份、硬脂酸钡的用量为2份、增塑剂柠檬酸三乙酯(TEC)的用量为25份时,TPU/PVC共混体系的综合力学性能最好。本文还着重探讨了TPU与PVC的共混比对体系的力学性能、加工流变性能及相态结构的影响,邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、脂肪酸丁酯(FAB)及2-羟基-1,2,3-丙烷三羧酸三乙酯(TEC)等增塑剂的种类及用量对共混体系的力学性能、加工流变性能的影响。结果表明:TPU/PVC共混体系与纯TPU相比,其表观黏度及损耗因子均降低,其弹性模量在低频的范围内有非常明显的上升,而损耗模量则变化不大,共混体系的加工流变性能变好,PVC的加入明显改善了TPU的加工流变性能;当TPU/PVC的质量共混比为70/30时,共混体系的力学性能较优,加工流变性能较好,两相界面的作用结合力也较大,两相分布均匀,在液氮脆断SEM中呈现非常明显的韧性断裂形貌,相容性较好;增塑剂DBP、FAB及TEC的最佳使用量均为20~25份,与DBP及FAB相比,增塑剂TEC的综合力学性能最优,表观黏度最低,储能模量及损耗模量最小,损耗因子最大,与TPU及PVC的作用力最大,加工流变及热稳定性最好,对TPU/PVC共混体系的增塑效果最优。为了增加共混体系的强度及韧性,并进一步降低成本,本文通过熔融共混法,将经硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂及铝酸酯偶联剂改性的纳米CaCO3与TPU/PVC复合,制得TPU/PVC/偶联剂改性纳米活性CaCO3共混体系,并考查了其力学性能、流变性能、动态力学及耐热等性能。结果表明:所得TPU/PVC/偶联剂改性纳米活性CaCO3共混材料的力学、流变、动态力学及耐热等性能均有不同幅度改变,改性后的纳米CaCO3在20份内能有效提高TPU/PVC共混体系的综合力学性能及热稳定性能,改善TPU的加工流变性能,但当用量超过20份时,过大的添加量会因产生团聚而导致体系的力学、流变、及耐热等性能下降;与钛酸酯偶联剂及铝酸酯偶联剂相比,硅烷偶联剂改性的纳米活性CaCO3作为填料应用到TPU/PVC共混体系之中,改性效果最好,综合力学性能最优;为了改善TPU与PVC的相容性、更大限度提高TPU/PVC共混体系的使用性能,本文进一步探讨了PP-g-MAH、CPE、EVA-g-MAH相容剂对TPU/PVC共混体系力学性能的影响,结果显示PP-g-MAH、CPE、EVA-g-MAH三种相容剂均能在一定程度上提高TPU/PVC共混体系的界面相容性,但作用结果不完全一致,CPE和EVA-g-MAH对改善分散相的分布和分散性作用更为突出,对共混物力学性能的作用最大,只添加4%CPE和EVA-g-MAH,即可大幅度提高共混物的综合性能。在研究共混物力学性能同时,我们还采用了AR-2000高级应力熔体流变测试仪、扫描电子显微镜(SEM)、动态力学分析(DMA)、热重分析(TG)等手段研究CPE、EVA-g-MAH对共混物的流变性能、微观结构、链段运动、动态力学、热稳定性能的影响。结果显示:CPE和EVA-g-MAH加入到共混体系中后使体系的表观黏度降低,储能模量及损耗模量减小,损耗因子增大,两相之间的作用力及相容性增强,韧性增加,玻璃化转变温度Tg1也向着TPU及PVC两者的玻璃化转变温度中间靠拢,热稳定增强,共混物微观结构的变化与其力学性能交化趋势结果一致。本文还研究了相容剂CPE及EVA-g-MAH对TPU/PVC/偶联剂改性纳米碳酸钙共混体系性能的影响。CPE加入到TPU/PVC/偶联剂改性纳米碳酸钙体系中后,可以使其综合力学性能变好,而EVA-g-MAH加入后则变差,且TPU/PVC/CPE/硅烷偶联剂改性纳米碳酸钙体系的综合力学性能最优,其硬度为92,拉伸强度为21.88,断裂伸长率为1032.03,100%定伸应力为5.08。
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