梳型接枝PVC的性能研究

陳文君，程培培，劉亞群

（1.華中師范大學第一附屬中學，湖北 武漢 430223；2.安慶師范學院物理與電氣工程學院，安徽 安慶 246133；3.武漢理工大學化學化工與生命科學學院，湖北 武漢 430070）

梳型接枝PVC的性能研究

陳文君1，程培培2，劉亞群3

（1.華中師范大學第一附屬中學，湖北 武漢 430223；2.安慶師范學院物理與電氣工程學院，安徽 安慶 246133；3.武漢理工大學化學化工與生命科學學院，湖北 武漢 430070）

編者的話：

繼15年10月我刊發表了一篇高中生論文后，很欣喜看到越來越多的青少年更早參與到粘接科學實踐中并把其研究成果分享給大家。歡迎有更多青少年喜愛粘接技術，期待更多佳作。

以高級羧酸鹽與聚氯乙烯（PVC）反應合成了一系列具有不同長度側鏈的梳形接枝PVC。通過差示掃描量熱（DSC）儀和萬能試驗機對接枝PVC的側鏈結晶性能和拉伸性能進行了測試。研究了側鏈接枝率和接枝側鏈長度對側鏈結晶性能和拉伸性能的影響。結果表明，接枝PVC的梳形側鏈形成側鏈結晶，并且接枝PVC的斷裂伸長率和拉伸強度均高于PVC，實現了PVC的增強增韌同步改性；側鏈的接枝率和接枝側鏈長度對側鏈結晶行為產生影響，從而影響接枝PVC的力學性能。

聚氯乙烯；接枝；側鏈結晶；力學性能

聚氯乙烯（PVC）是一種價格低廉、性能優異的通用塑料，但抗沖擊性較差限制了其使用范圍，通過改性可以改善其性能，拓寬應用領域。結晶改性通過控制結晶形態和尺寸可以實現聚合物的增強、增韌改性。本研究利用羧酸鹽與PVC進行親核取代反應、在PVC主鏈引入可結晶的長鏈烷基[1～12]，通過側鏈結晶促進PVC形成微觀三維網絡結構[1 3～1 9]；同時通過改變側鏈結晶比例和大小來改變微觀網絡結構，從而改善宏觀機械性能，探討了梳型接枝PVC的側鏈結晶性能和力學性能。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

聚氯乙烯（PVC）、SG-5，太原化工廠；碘化鈉、丙酮、四氫呋喃（THF）、N,N-二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇、氫氧化鈉、月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸、花生酸，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；月桂酸鈉、肉豆蔻酸鈉、棕櫚酸鈉、硬脂酸鈉、花生酸鈉，自制。

1.2 實驗儀器

SDT Q600型差示掃描量熱（DSC）儀，美國ThermoElectron公司；CMT4204 型電子萬能試驗機，上海優鴻測控技術有限公司。

1.3 梳型接枝PVC合成

將PVC與碘化鈉反應得到碘化PVC，再將碘化PVC與羧酸鹽反應得到接枝PVC。具體合成方法參見文獻[18～20]。分別將月桂酸鈉、肉豆蔻酸鈉、棕櫚酸鈉、硬脂酸鈉、花生酸鈉與PVC的接枝產物標記為PVC-C12、PVC-C14、PVC-C16、PVC-C18、PVC-C20。

1.4 測試或表征

（1）接枝率[2 1]：采用化學滴定法測定接枝PVC的接枝率[精確稱取0.5 g純接枝PVC置于250 mL錐形瓶中，加入30.0 mL四氫呋喃（THF），待試樣完全溶解后靜置12 h；加入0.05 mol/L的NaOH/（乙醇-水）溶液，加熱回流1～2 h，再加入1%的酚酞/乙醇溶液，用0.05 mol/L的HCl溶液反滴，當溶液的粉紅色剛褪去時即達滴定終點。在相同條件下做一空白樣。梳型接枝PVC的接枝率計算式見式（1）、（2）所示：

式中，VN a O H—NaOH溶液體積（mL）；CN a O H—NaOH溶液濃度（mol/L）；V2—滴定樣品的HCl溶液體積（mL）；V1—空白樣消耗的HCl體積（mL）；CH C l—HCl溶液濃度（mol/L）；M—羧酸根的相對質量。

（2）側鏈結晶性能：采用差示掃描量熱（DSC）儀進行測定（N2氣氛，升溫速率為10 K/min，室溫～300℃）。

（3）拉伸強度和斷裂伸長率：按照GB/T 1040.1—2006《塑料拉伸性能的測定第1部分：總則》標準，采用電子萬能試驗機進行測定（測試溫度為室溫，拉伸速率為5.0 mm/min）。

2 結果與討論

2.1 接枝PVC的側鏈結晶性能

圖1是PVC和接枝PVC的DSC曲線。由圖1可見：接枝PVC在120～160 ℃區域存在一個明顯的結晶熔融峰，這是側鏈結晶的熔融峰。表明長鏈烷基已接枝到PVC主鏈上并形成了側鏈結晶。

圖1 PVC和接枝PVC的差熱曲線Fig.1 Differential thermal curves of PVC and grafted-PVC

圖2、圖3為接枝PVC的側鏈結晶熔融焓和熔融峰溫隨接枝率的變化曲線。

圖2 接枝PVC側鏈結晶熔融焓—接枝率曲線Fig. 2 Crystallization melting enthalpy of side chains of grafted PVC vs grafting degree

圖3 接枝PVC側鏈結晶熔融峰溫—接枝率曲線Fig. 3 Melting peak temperature of side chains of grafted PVC vs grafting degree curves

由圖2、圖3可知：隨著接枝率增大，接枝PVC側鏈結晶熔融焓和熔融峰溫逐漸增大，并且側鏈結晶熔融焓和熔融峰溫受到接枝側鏈長度的影響。當接枝率相近時，隨著接枝側鏈的增長，側鏈結晶熔融焓和熔融峰溫幾乎呈下降趨勢。這是因為隨著側鏈的增長，長鏈側基纏結干擾加劇，影響了規整排列和堆積，因而導致側鏈結晶比例和完善程度下降

2.2 側鏈結晶PVC的拉伸強度

圖4為接枝PVC的拉伸強度隨接枝率的變化曲線。由圖4可知：隨著接枝率升高，拉伸強度呈現先增后降態勢。雖然，對于不同側鏈的接枝產品，隨著接枝率增大，側鏈結晶比例和完善性增大，但是側鏈結晶屬于受限結晶[6，8]，主鏈限制側鏈的堆積排列；反過來，對于側鏈結晶的聚合物，側鏈結晶對于主鏈鏈段運動也有束縛作用，而且側鏈結晶程度越大，對主鏈的束縛作用也越強，主鏈的堆積排列受到影響，基體聚集態缺陷增多，造成性能下降。

圖4 接枝PVC的拉伸強度—接枝率曲線Fig.4 Tensile strength of grafted PVC vs grafting rate curves

對于不同側鏈的接枝產品，隨著接枝側鏈的增長，拉伸強度出現相對最大值所對應的接枝率逐漸降低，PVC-C12、PVC-C14、PVC-C16、PVC-C18和PVC-C20所對應的拉伸強度轉折點的接枝率分別為14.8%、10.9%、8.63%、4.82%和4.48%。這說明隨著側鏈長度的增長，接枝PVC的拉伸強度容易衰減。這是因為長的側鏈容易增大主鏈之間的距離，使得聚集態缺陷增多，造成拉伸強度迅速下降。

2.3 側鏈結晶PVC斷裂伸長率

圖5為接枝PVC斷裂伸長率隨接枝率變化的曲線。由圖5可知：隨著接枝率升高，斷裂伸長率呈現先增后降態勢。對于不同的接枝PVC，隨著接枝側鏈的增長，斷裂伸長率出現相對最大值所對應的接枝率呈降低趨勢。這與拉伸強度的變化規律相似。

圖5 接枝PVC的斷裂伸長率—接枝率曲線Fig.5 Elongation at break of grafted PVC vs grafting rate cyrves

當接枝率較低時，側鏈結晶比例較低，微觀網絡交聯結點密度較小，此時的側鏈具有“內增塑”作用，斷裂伸長率隨接枝率增長迅速增大。但隨著接枝率的增長，結晶比例和完善程度明顯增大，微觀網絡交聯點密度增大，網絡變得致密，主鏈鏈段運動能力降低，因此斷裂伸長率漸漸減小。

接枝率相近的PVC，在低的接枝率范圍內（約小于4%），接枝側鏈越長，斷裂伸長率越大；而在接枝率較高的范圍內（約高于4%），則隨著接枝側鏈增長，斷裂伸長率衰減越快。

當接枝率小于4%時，不同側鏈接枝PVC的側鏈結晶程度較低，且彼此相差不大，長側鏈對主鏈的“內增塑”作用明顯。因此，較低接枝率時，斷裂伸長率是隨著側鏈越長而越大。當接枝率增大，接枝PVC的側鏈結晶程度和結晶完善性增大，并且側鏈越短，增大幅度越大。這說明，在高接枝率時，短側鏈接枝PVC的微觀網絡結構中結晶型交聯節點密度增大；而且，更多的長側鏈明顯增大了主鏈間距，影響了主鏈的排列堆砌。所以，接枝率相近時，在接枝率較高的范圍內（約高于4%），接枝側鏈增長會導致斷裂伸長率迅速減小。

此外，由圖4和圖5可見，接枝PVC的拉伸強度和斷裂伸長率均高于PVC，所以通過接枝引入可結晶的長側鏈，可以實現PVC增強增韌的同步改性。

3 結論

（1）梳形接枝PVC的側鏈結晶性能和拉伸性能受接枝率和接枝側鏈長度的影響。隨著接枝率增大，側鏈結晶比例增大，并且趨于完善。長側鏈容易纏結干擾結晶，因此隨著側鏈增長，側鏈結晶能力降低。

（2）拉伸強度和斷裂伸長率隨接枝率增大呈先增后降趨勢，并且側鏈越長、接枝產品的力學性能越早出現快速下降。

（3）當接枝率小于4% 時，不同接枝PVC的拉伸強度相近，而斷裂伸長率則隨側鏈增長而增大；當接枝率較高（約高于4%）時，接枝產品的拉伸強度和斷裂伸長率隨接枝側鏈增長而降低越快。

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Study on properties of comb-like grafted PVC

CHEN Wen-jun1, CHENG Pei-pei2, LIU Ya-qun3
(1.The First Affiliated High School of Huazhong Normal University, Wuhan, Hubei 430223, China; 2.School of Physics and Electrical Engineering, Anqing Normal University, Anqing, Anhui 246133, China; 3. School of Chemistry, Chemical Engineering and Life Science, Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei 430070, China)

A series of comb-like poly (vinyl chloride) (PVC) grafted with different length side chains was synthesized with advanced carboxylate and PVC. The side chains crystallization and tensile properties of the grafted PVC were tested by DSC and electronic universal testing machine. The effects of grafting degree and side chain length on the side chains crystallization and tensile properties were studied as well. The experimental results indicated that the long linear alkyl groups crystallized, the elongation at break and tensile strength of grafted PVC were superior to PVC, as implied that PVC was strengthened and toughened simultaneously; the grafting degree and side chain length could make influence on the crystallization of side chains, so affect the mechanical properties of PVC.

poly (vinyl chloride); grafting; side chain crystallization; mechanical property

TQ325.3

A

1001-5922（2017）04-0039-04

2016-09-08

陳文君（2000-），女，高中生，根據暑期社會實踐科技創新活動工作整理。E-mail：756144691@qq.com。

指導老師：劉亞群（1972-），女，副教授，博士。主要從事高分子材料改性和水處理助劑研究。E-mail：179437374@qq.com。