一种PVC加工用助剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高分子添加剂,尤其是涉及一种添加到PVC中能改善其加工性能的以马来酸钙-苯乙烯共聚物为核、甲基丙烯酸烷基酯为壳的PVC加工用助剂及其制备方法。
背景技术
聚氯乙烯(PVC)树脂应用非常广泛,在建筑材料、工业制品、日用品、地板革、地板砖、人造革、管材、电线电缆、包装膜、瓶、发泡材料、密封材料、纤维等方面均有广泛应用。PVC分解温度较低,加工时易分解,且其耐热性、耐候性以及抗冲击性能差,因此需要在加工过程中添加各类辅助材料以改善综合性能。
PVC软制品或半硬制品配方中一般添加有液体类增塑剂,可以降低PVC分子间作用力,降低加工温度,但其对熔体强度没有改善作用。PVC硬制品中,基本不添加液体类增塑剂,为了获得塑化良好的制品,要么通过加大螺杆的剪切来促进塑化,要么通过外加加工改性剂来降低加工温度,很显然,加大螺杆剪切不仅加快了设备的损耗,而且物料在过高的温度下会造成热破坏从而使整体性能变差,外加降温的加工改性剂是合理之选。目前,经聚合反应制得的加工改性剂主要细分为四大类:甲基丙烯酸酯类-丙烯酸酯类无规共聚物、苯乙烯-丙烯腈无规共聚物、丙烯酸酯类-苯乙烯类共混树脂以及混有改性纳米无机填料的共混树脂。甲基丙烯酸酯类-丙烯酸酯类无规共聚物具有优异的加工性能,能赋予制品较宽的加工温度范围、较高的熔体强度、良好的表面光洁度,但其价格是四类中最高的;苯乙烯-丙烯腈无规共聚物和丙烯酸酯类-苯乙烯类共混树脂具有显著的价格优势,但因其中的苯乙烯与PVC相容性较差,塑化效率低,且加工范围窄,制品表面光洁度不甚好;混有改性纳米无机填料的共混树脂是以上述两类加工改性剂为基础,再加入纳米碳酸钙、二氧化硅等填充物,从而降低产品价格,但无机填料与PVC的相容性差,对PVC制品的性能会有不良影响,而且这些无机填料的比重相对较大,会造成制品体积成本的提高,无法达到预期效果。
本发明人在研究PVC塑化的过程中发现,马来酸钙可以显著促进PVC塑化,尤其可以促进PVC更均匀地塑化,同时还能提高PVC混合料的耐热性能和刚性,加之其属于有机酸的金属盐,相较于纳米无机填料而言,与PVC树脂有更优异的相容性以及分散性优异,另外,其制备工艺方便,将其应用于PVC加工改性剂方面,将是合适之举。
针对现有几类加工改性剂的优势和不足,若能进行优化组合,并借鉴传统核壳结构ACR的空间结构设计,同时将马来酸钙引入设计方案中,则可在保证促进PVC均匀塑化以及提高熔体强度和耐热性的同时,最大限度地降低PVC加工改性剂的成本,经济效益显著。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种价格适中、塑化效率更高的PVC加工用助剂。
本发明所要解决的另一技术问题是提供上述PVC加工用助剂的制备方法。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种PVC加工用助剂,其具有以马来酸钙-苯乙烯共聚物为核、甲基丙烯酸烷基酯为壳的核-壳结构,且特性粘度为3.0~10.0。
进一步地,按重量份数计,所述PVC加工用助剂包括马来酸钙单体100份、苯乙烯单体10~25份和甲基丙烯酸烷基酯单体15~40份,并通过聚合所述量的单体而得到。
进一步地,所述苯乙烯单体包括选自苯乙烯、α-甲基苯乙烯、4-甲基苯乙烯和叔丁基苯乙烯中的至少一种。
更进一步地,所述甲基丙烯酸烷基酯单体包括选自甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯和甲基丙烯酸叔丁酯中的至少一种。
一种所述的PVC加工用助剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)在装有搅拌、冷凝器的反应釜中,加入定量的蒸馏水、马来酸钙单体、引发剂A、乳化剂、分散剂、苯乙烯单体,搅拌10分钟得到预乳化液;
(2)通入N2,并将预乳化液升温至40~90℃,在不断搅拌下保温反应0.5~5小时,得到核层乳液;
(3)继续搅拌下,在核层乳液中加入引发剂B、甲基丙烯酸烷基酯单体,升温至50~95℃,恒温搅拌反应1~5小时,冷却至≤40℃,再经喷雾干燥得PVC加工用助剂。
进一步地,所述马来酸钙单体的制备方法,在马来酸酐与氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种反应得到的溶液中,加入可溶性钙盐,再经过滤、洗涤、烘干得到。
进一步地,按重量份数计,所述PVC加工用助剂的制备方法中,所用原料的组成如下:马来酸钙单体100份,蒸馏水200~400份,引发剂A 0.01~0.1份,乳化剂0.02~3份,分散剂0.1~3份,苯乙烯单体10~25份,引发剂B 0.01~0.1份,甲基丙烯酸烷基酯单体15~40份。
更进一步地,所述引发剂A和引发剂B分别选自偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二异丙基咪唑啉、过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸铵/亚硫酸氢钠、过硫酸钾/亚硫酸氢钠、过氧化氢/酒石酸、过硫酸铵/硫酸亚铁、过硫酸钾/硫酸亚铁、过氧化氢/吊白块、过氧化氢/硫酸亚铁、过硫酸钾/氯化亚铁、过硫酸铵/氯化亚铁、过氧化氢/氯化亚铁中的一种。
进一步地,所述乳化剂包括选自十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、棕榈酸钠、OP-10、OP-20、OP-50中的至少一种。
进一步地,所述分散剂包括选自聚乙烯醇、聚乙烯醇-十二烷基磺酸钠、聚乙烯醇-壬基酚聚氧乙烯醚、聚乙烯醇-改性纤维素和聚乙烯醇-氨基酸复合分散剂中的至少一种。
所合成的聚合物乳胶粒为核壳结构,其中核层材料为马来酸钙-苯乙烯共聚物,壳层材料为甲基丙烯酸烷基酯。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:本发明提供了一种核壳结构PVC加工用助剂。该产品中马来酸钙是一个平面五元环,嵌入高分子链中能阻止链段的旋转,使分子链有很好的刚性;马来酸钙和甲基丙烯酸烷基酯与PVC有良好的相容性,可显著促进PVC树脂均匀塑化;马来酸钙和甲基丙烯酸烷基酯本身良好的耐热性,可大幅提高PVC混合料的耐热性能;苯乙烯的引入,使该产品流动性好,可以改善PVC的加工性能,同时降低了生产成本。该款PVC加工用助剂,在促进PVC均匀塑化,提高熔体强度、耐热性能和刚性的同时,最大限度地降低了PVC加工改性剂的成本,经济效益显著。
附图说明
图1为实施例1所制备产品的微观结构图。
图2为应用对比试验中得到的流变性能曲线。
具体实施方式
下面将通过具体实施例对本发明做进一步的具体描述,但不能理解为是对本发明保护范围的限定。
实施例1
本发明的一种PVC加工用助剂,其具有以马来酸钙-苯乙烯共聚物为核、甲基丙烯酸甲酯为壳的核-壳结构,且特性粘度为3.0。
按重量份数计,所述PVC加工用助剂包括马来酸钙单体100份、苯乙烯单体10份和甲基丙烯酸甲酯单体15份,并通过聚合所述量的单体而得到。
本发明所述的PVC加工用助剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)在装有搅拌、冷凝器的反应釜中,加入定量的蒸馏水、马来酸钙单体、引发剂A、乳化剂、分散剂、苯乙烯单体,搅拌10分钟得到预乳化液;
(2)通入N2,并将预乳化液升温至40℃,在不断搅拌下保温反应0.5小时,得到核层乳液;
(3)继续搅拌下,在核层乳液中加入引发剂B、甲基丙烯酸甲酯单体,升温至50℃,恒温搅拌反应1小时,冷却至≤40℃,再经喷雾干燥得PVC加工用助剂。
所述马来酸钙单体的制备方法,在马来酸酐与氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种反应得到的溶液中,加入可溶性钙盐,再经过滤、洗涤、烘干得到。
按重量份数计,所述PVC加工用助剂的制备方法中,所用原料的组成如下:马来酸钙单体100份,蒸馏水200份,引发剂A 0.01份,乳化剂0.02份,分散剂0.1份,苯乙烯单体10份,引发剂B 0.01份,甲基丙烯酸甲酯单体15份。
所述引发剂A为偶氮二异丁基脒盐酸盐,所述引发剂B为过硫酸钾/亚硫酸氢钠。
所述乳化剂为十二烷基硫酸钠。
所述分散剂为聚乙烯醇。
所合成的聚合物乳胶粒为核壳结构,其中核层材料为马来酸钙-苯乙烯共聚物,壳层材料为甲基丙烯酸甲酯。
本实施例所制备产品的微观结构图见图1,可以看出,其具有典型的核壳结构。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于:
所述一种PVC加工用助剂,其具有以马来酸钙-α-甲基苯乙烯共聚物为核、甲基丙烯酸乙酯为壳的核-壳结构,且特性粘度为10.0。
按重量份数计,所述PVC加工用助剂包括马来酸钙单体100份、α-甲基苯乙烯单体25份和甲基丙烯酸乙酯单体40份,并通过聚合所述量的单体而得到。
所述的PVC加工用助剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)在装有搅拌、冷凝器的反应釜中,加入定量的蒸馏水、马来酸钙单体、引发剂A、乳化剂、分散剂、α-甲基苯乙烯单体,搅拌10分钟得到预乳化液;
(2)通入N2,并将预乳化液升温至90℃,在不断搅拌下保温反应5小时,得到核层乳液;
(3)继续搅拌下,在核层乳液中加入引发剂B、甲基丙烯酸乙酯单体,升温至95℃,恒温搅拌反应5小时,冷却至≤40℃,再经喷雾干燥得PVC加工用助剂。
按重量份数计,所述PVC加工用助剂的制备方法中,所用原料的组成如下:马来酸钙单体100份,蒸馏水400份,引发剂A 0.1份,乳化剂3份,分散剂3份,α-甲基苯乙烯单体25份,引发剂B 0.1份,甲基丙烯酸乙酯单体40份。
所述引发剂A为过硫酸铵,所述引发剂B为偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐。
所述乳化剂为OP-10和OP-20的混合物。
所述分散剂为聚乙烯醇-壬基酚聚氧乙烯醚。
所合成的聚合物乳胶粒为核壳结构,其中核层材料为马来酸钙-α-甲基苯乙烯共聚物,壳层材料为甲基丙烯酸乙酯。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于:
所述一种PVC加工用助剂,其具有以马来酸钙-叔丁基苯乙烯共聚物为核、甲基丙烯酸正丁酯为壳的核-壳结构,且特性粘度为7.0。
按重量份数计,所述PVC加工用助剂包括马来酸钙单体100份、叔丁基苯乙烯单体18份和甲基丙烯酸正丁酯单体32份,并通过聚合所述量的单体而得到。
所述的PVC加工用助剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)在装有搅拌、冷凝器的反应釜中,加入定量的蒸馏水、马来酸钙单体、引发剂A、乳化剂、分散剂、叔丁基苯乙烯单体,搅拌10分钟得到预乳化液;
(2)通入N2,并将预乳化液升温至60℃,在不断搅拌下保温反应2.5小时,得到核层乳液;
(3)继续搅拌下,在核层乳液中加入引发剂B、甲基丙烯酸正丁酯单体,升温至75℃,恒温搅拌反应3小时,冷却至≤40℃,再经喷雾干燥得PVC加工用助剂。
按重量份数计,所述PVC加工用助剂的制备方法中,所用原料的组成如下:马来酸钙单体100份,蒸馏水300份,引发剂A 0.05份,乳化剂1.5份,分散剂1.5份,叔丁基苯乙烯单体18份,引发剂B 0.05份,甲基丙烯酸正丁酯单体32份。
所述引发剂A为过硫酸铵/亚硫酸氢钠,所述引发剂B为过硫酸钾。
所述乳化剂为棕榈酸钠。
所述分散剂为聚乙烯醇和聚乙烯醇-十二烷基磺酸钠的混合物。
所合成的聚合物乳胶粒为核壳结构,其中核层材料为马来酸钙-叔丁基苯乙烯共聚物,壳层材料为甲基丙烯酸正丁酯。
应用对比试验:
所用配方(见表1)为:PVC-5 100、稳定剂4、硬脂酸0.2、CPE 10、轻质碳酸钙20、加工改性剂2,其中加工改性剂为变品种添加。试验配方选用实施例1制备的产品,对比例1不添加加工改性剂,对比例2选用甲基丙烯酸酯类-丙烯酸酯类无规共聚物ACR(目前市面上塑化效果最佳的加工改性剂)。按配方将所有的原料在高混机中预混后,取适量的混合料在转矩流变仪上考察流变性能,流变曲线见图2,流变性能数据见表2;在185℃开炼机上混炼出片,然后在平板硫化机(条件:185℃下,先预热5min、加压5min、冷却5min)上压片,制样,按国家标准进行测试,所得性能数据见表3。
表1所用配方
项目 |
试验配方 |
对比例1 |
对比例2 |
PVC-5 |
100 |
100 |
100 |
稳定剂 |
4 |
4 |
4 |
硬脂酸 |
0.2 |
0.2 |
0.2 |
CPE |
10 |
10 |
10 |
轻质碳酸钙 |
20 |
20 |
20 |
ACR |
— |
— |
2 |
实施例1制备产品 |
2 |
— |
— |
表2流变性能数据
项目 |
塑化扭矩Nm |
平衡扭矩Nm |
塑化时间min:s |
塑化度 |
试验配方 |
25.8 |
21 |
02:03 |
良好 |
对比例1 |
21 |
17.8 |
13:51 |
很差 |
对比例2 |
25.2 |
20.4 |
02:31 |
良好 |
表3力学性能数据
由表2数据的比较可以看出:PVC本身的塑化性能很差,添加加工改性剂可以显著改善塑化效果,而本发明所制备产品较目前市面上塑化效果最好的ACR表现出更优异的塑化效果。
表3力学性能的比较中看出:促进塑化的加工改性剂能够显著改善PVC制品的拉伸、抗冲击、刚性以及耐热性能,而本发明所制备产品在改善PVC刚性和耐热性能方面有更突出的效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。