懸浮聚合是以聚乙烯醇、明膠或甲基纖維素等為分散劑,通過機械攪拌將氯乙烯單體分散在水中,以過氧化苯甲酸或偶氮二異丁腈為引發劑,在50~60℃,0.6~0.7MPa壓力下聚合,得到PVC聚合物後再分離、幹燥的方法。懸浮聚合由於有懸浮劑的存在使聚合熱易於導出,產物後處理也較容易,夾帶雜質一般較乳液聚合少,易幹燥。此外樹脂粒度適中,數均相對分子質量約為 3萬~8萬,綜合性能好。該法工藝成熟,後處理簡單,產品純度高,綜合性能好,是PVC的主要生產方法。懸浮聚合生產的PVC占世界PVC總產品的80%以上,占我國總產量的98%以上。
乳液聚合是指氯乙烯在乳化劑水溶液中借助攪拌進行聚合的方法。將氯乙烯加入含有乳化劑、引發劑和緩衝劑的水乳液中,在40~60℃,0.7MPa的壓力條件下,攪拌 12~18h,可得到乳狀PVC。乳液聚合所得樹脂相對分子質量分散性大,數均相對分子質量約為1萬~12萬,顆粒較細,其膠乳粒徑一般為0.05~2μm,較疏鬆,塑化性能較好,主要用於製糊狀樹脂,適於製人造革、泡沫塑料
、織物塗層、導線覆蓋物等。乳液法的優點是易去除聚合熱,反應速度快,聚合微粒粒徑較小,體係穩定,便於連續生產;缺點是聚合物後處理麻煩,產物純度不如本體法和懸浮法樹脂,影響到聚合物的電絕緣性、熱穩定性等,生產成本也高。
就聚合反應而言,氯乙烯單體采用本體聚合更為適宜,因為它是沉澱聚合,聚合後得到顆粒狀聚合物,但由於聚合反應熱難以導出,所以實際生產中常用的是懸浮聚合和乳液聚合。
就產物用途而言,懸浮法樹脂用於生產壓延、注塑和擠出製品;乳液法樹脂常用於生產人造革、壁紙、兒童玩具及乳膠手套等;本體法成本高但純淨、性能優良,適合高檔製品加工;溶液法適合做塗料、黏合劑用。
5.3.3.1PVC樹脂的顆粒結構
由於PVC不溶於單體氯乙烯中,在聚合過程形成較特殊的形態結構。一般認為,PVC樹脂顆粒是由微粒子、初級粒子、聚集體粒子堆砌構成的粗粒,粒徑為50~250μm。顆粒的形態、內部孔隙率、表麵皮膜、顆粒大小及其分布等對PVC樹脂的許多性能均有影響。顆粒較大、粒徑分布均勻、內部孔隙率高、外層皮膜較薄時,樹脂具有吸收增塑劑快、塑化溫度低、熔體均勻性好、熱穩定性高等優點,該類樹脂我國常稱為疏鬆型PVC樹脂,相反則稱為緊密型PVC樹脂。目前工業上以生產疏鬆型PVC樹脂為主。
5.3.3.2PVC樹脂的型號
相對分子質量對PVC樹脂的性能(特別是加工性能)影響較大。按相對分子質量的大小分可將PVC分成通用型和高聚合度型兩類。通用型PVC的平均聚合度為500~1500,高聚合度型PVC的平均聚合度大於1700。常用的PVC樹脂大都為通用型。
平均相對分子質量的表示方法很多,但都以測定PVC溶液的黏度作為基礎。歐美國家用K值表示,該值是濃度為0.5g PVC/100mL環己酮溶液在25℃測定的黏度值。日本用平均聚合度表示,是在濃度為0.4g PVC/100mL硝基苯溶液中30℃測定的黏度值。
由於緊密型樹脂在我國的生產量較少,因此,在新國標中隻對疏鬆型樹脂的規格進行了規定。目前,
懸浮法疏鬆型樹脂按國標GB/T 5761—2006執行,該標準規定PVC的平均相對分子質量的大小用黏數表示,即在0.5%PVC的環己酮溶液中於25℃測定的黏度值。根據黏數範圍把懸浮法疏鬆型樹脂分為SG-1~SG-8共八個型號,其中數字越小相對分子質量越大,強度越高,但熔體流動越困難,加工也越困難。
一般而言,絕對黏度、黏數越大的,其平均相對分子質量越高,適合加工軟質製品。因為軟質製品需要加入一定量的增塑劑,而增塑劑絕大部分是低相對分子質量油狀液體,它帶給製品一定柔軟(塑)性的同時,也會使加工變得容易,但製品的剛性變小,而樹脂相對分子質量高的剛性相對較高,兩者相抵。例如,PVC膜使用SG-2樹脂,加入50~80份的增塑劑。低黏度、低黏數樹脂適合加工硬質製品,因為硬質製品不加或加入較少量的增塑劑,而低相對分子質量樹脂相對高相對分子質量樹脂的加工性(流動性)較好。如PVC硬管材使用SG-4樹脂、塑料門窗型材使用SG-5樹脂,硬質透明片使用SG-6樹脂、硬質發泡型材使用SG-7、SG-8樹脂。
有時,一些PVC樹脂廠家出廠的PVC樹脂也按聚合度分類,如SK-700、SK-800、SK-1000、SK-1100、SK-1200等。
5.3.3.3PVC樹脂的衛生級別
PVC按毒性分又可分為普通級 (有毒PVC)和衛生級 (無毒PVC) 。衛生級要求符合GB 9681—1988的要求,即每千克PVC樹脂中氯乙烯含量低於1mg,衛生級PVC可用於食品包裝及醫療用品。
5.3.4聚氯乙烯的成型加工
5.3.4.1加工特性
PVC分子鏈的極性使分子鏈之間的相對滑動困難,樹脂的黏流溫度較高,熔融溫度(160℃)高於分解溫度(120℃),使材料的成型加工性降低。
①PVC的加工穩定性不好,熔融溫度(160℃)高於分解溫度(120℃),在加工中容易分解脫出HCl,不進行改性難以用熔融塑化的方法加工。改性方法一為在其中加入熱穩定劑,以提高其分解溫度,使其在熔融溫度之上;二為在其中加入增塑劑,以降低其熔融溫度,使其在分解溫度之下。增塑劑的加入對PVC的力學性能影響很大,未增塑的PVC的拉伸強度曲線類型屬於硬而較脆的材料,隨增塑劑量的加大,PVC變為軟而韌的材料。一般來講增塑劑含量0~5份為硬製品,5~25份為半硬製品,大於25份為軟製品。
②PVC熔體的流動特性差,熔體強度低,易產生熔體破碎和製品表麵粗糙等現象;尤其是PVC硬製品,此現象更突出,必須加入加工助劑,最常用的為丙烯酸酯共聚物(ACR)。
③PVC熔體黏附金屬傾向大,熔體之間以及熔體與加工設備之間摩擦力大,需加入潤滑劑以克服摩擦阻力。按潤滑劑與PVC樹脂的相容性大小不同,可分為內潤滑劑(相容性大)和外潤滑劑。
④PVC的熔體屬非牛頓流體,熔體黏度對剪切速率敏感,所以加工中要降低黏度,可通過提高螺杆轉速來達到目的,盡可能少調溫度。
⑤PVC配方中的組分十分多,主要有熱穩定劑、增塑劑、改性劑、填充劑、加工助劑和色料,在加工時要充分混合均勻,一要注意加料順序,吸油性大的填料要後加,以防吸油,潤滑劑最後加,以防影響其他組分的分散;二要控製好混合溫度,一般在120℃左右。