納米二氧化鈦粉末制備與改性PVC的力學性能測試

1、納米二氧化鈦粉末制備與改性PVC的力學性能測試李昆昂1 鄒建*（重慶市 北碚區(qū) 西南大學 化學化工學院 400715）摘要：以TiCl4為前驅(qū)體，通過強迫水解法制備具有一定晶型的納米TiO2,對其進行表面改性后與PVC粉末混合后用轉(zhuǎn)矩流變儀一次擠出成型，研究了PVC改性前后的力學性能。 關(guān)鍵詞：納米TiO2；PVC改性；力學性能中圖分類號：O631.2+1 文獻標志碼：A0引言PVC（聚氯乙?。┦怯陕纫蚁﹩误w經(jīng)過加成聚合反應而合成的熱塑性樹脂。PVC塑料在1966年以前曾是塑料產(chǎn)量中最大的一種。目前仍是五大通用樹脂之一。PVC樹脂的應用非常廣泛，用它可以制成薄膜，硬管，纖維，人造革，電線電纜的

2、絕緣層，設(shè)備襯里以及包裝涂層等。另外PVC是塑料建材的主要原料樹脂， PVC塑料建材已占塑料建材的半壁江山。如，PVC墻板、地板、天花板、硬質(zhì)泡沫、軟質(zhì)隔音泡沫以及塑鋼門窗等，在建筑行業(yè)中有著廣泛而重要的應用。PVC分子極性較強，分子間的作用力較大，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為8082。PVC可以看成是無定形聚合物，對熱敏感，極易在熱的作用下脫去HCl而引起降解和交聯(lián)。PVC的熱分解溫度高于粘流溫度，在加工成型時配料中必須加入熱穩(wěn)定劑。 PVC樹脂可以被制成硬質(zhì)或軟質(zhì)制品。制品的“軟”或“硬”，很大 程度上決定于成型配方中增塑劑的含量。通過調(diào)整增塑劑的用量，可以得到具有不同柔軟度的PVC材料和制品。PVC

3、樹脂價格低廉，不易燃，綜合性能優(yōu)異，其軟硬制品在人們的生活和生產(chǎn)中均有廣泛的應用，占有很重要的地位1。為增強PVC某一方面性能或彌補其不足賦予其特殊屬性需要對其進行改性。填充改性是較常用的方法。其中納米材料填充1 李昆昂：男 材料化學本科 E-mail：2607548771 *鄒建：男 講師改性效果較好，具有用量小，提高顯著等優(yōu)點2，付志敏等3以界面力學、電子力學和橡膠結(jié)構(gòu)理論為基礎(chǔ)，探討了納米復合PVC-U塑料增強、增韌機理，認為在納米復合PVC-U塑料中，兩個線型大分子之間存在著一定數(shù)量的“納米橋鍵”（Figure 1），類似于橡膠結(jié)構(gòu)，添加納米碳酸鈣可以提高PVCU塑料的韌性。Figur

4、e 1 納米橋鍵納米TiO2由于具有優(yōu)異的物理性能而引起了人們的關(guān)注。其與樹脂復合后顯著提高樹脂的物理化學性能，同時由于TiO2具有優(yōu)異的光學和抗菌性能，因此納米TiO2復合的納米塑料具有抗紫外和抗菌功能，這在食品級的PVC塑料薄膜中就顯得尤為引人注目。納米TiO2的制備方法有多種，本實驗以TiCl4為前驅(qū)體，通過強迫水解法制備具有一定晶型的納米TiO2,該法可以避免高溫煅燒帶來的納米粉體的團聚，通過調(diào)整水解工藝就可制備一定晶型的納米TiO2。TiCl4的強迫水解可以表示為以下過程：TiCl4H2OTiOH3+H+4Cl-TiOH3+TiO2+H+TiO2+H2OTiO22H+納米TiO2由于

5、自身的特點，具有極強的親水性，因此在其添加到有機基體中時必須對其進行表面改性，使其具有很好的親油性，這樣才能使其在基體中很好的分散從而發(fā)揮其納米效應。鑒于此，在納米TiO2添加到基體材料之前，通才采用偶聯(lián)劑對納米TiO2進行表面包覆改性，即在TiO2顆粒表面包覆一層具有親油基團的偶聯(lián)劑分子，以達到無機有機的相容4。本實驗以TiCl4為前驅(qū)體，通過強迫水解法制備具有一定晶型的納米TiO2,對其進行表面改性后與PVC粉末混合后用轉(zhuǎn)矩流變儀一次擠出成型，并研究了PVC改性前后的力學性能。1實驗1.1設(shè)備，儀器和原料設(shè)備：流變儀；電動攪拌器；電子萬能試驗機；電子天平；電磁攪拌器（包括加熱套）。儀器：單

6、口圓底燒瓶（250ml）；兩口圓底燒瓶一個（100ml）；燒杯三個（50ml，100ml，200ml）；溫度計，攪拌子，布氏漏斗，抽慮瓶。原料：TiCl4,聚氯乙烯（PVC）樹脂；鄰苯二甲酸二(2-乙基己)酯（DOP）；硬脂酸鈣（CaSt）；硬脂酸鋅（ZnSt），硅烷偶聯(lián)劑KH-550，氨水，濾紙，硝酸銀。1.2實驗步驟取2mol/l的TiCl4溶液20ml加去離子水稀釋到80ml，在磁力攪拌下加熱到9095，并保溫30min；隨后移入烘箱并在95保溫2h。待冷卻到室溫后，用氨水調(diào)節(jié)pH到7左右，把沉淀用去離子水洗至無Cl-，最后用少許無水乙醇洗一遍;把得到的濾餅與無水乙醇配成20（以含TiO

7、2量計）的漿料，且用超聲儀超聲分散25min；按TiO2量1的硅烷偶聯(lián)劑KH-550加入到分散好的納米TiO2漿料中，充分攪拌；105下烘干，研磨得到包覆的納米TiO2。（1）鈣/鋅復合穩(wěn)定劑的準備：準確稱取46g CaSt， 14gZnSt，先后加入至單口圓底燒瓶中，機械攪拌5分鐘。停止攪拌，靜置10分鐘后出料，裝入試劑瓶中備用。（2）TiO2-PVC樹脂的的復合按表1中所列配方稱取物料（每一配方中，PVC樹脂皆取20g，表中單位以份數(shù)計）。先將PVC樹脂加入至250mL的圓底燒瓶中，再將DOP滴入。燒瓶放在95水浴中，高速攪混25分鐘，使DOP被PVC充分吸收。停止攪拌，靜置3分鐘，加入鈣

8、/鋅復合穩(wěn)定劑，繼續(xù)攪混5分鐘。物料冷卻至室溫，然后按表1加入不同量的改性納米TiO2，充分攪拌；出料，裝編號入試劑瓶中備用。編號12 PVC 100 100 DOP 25 25 穩(wěn)定劑 5 5 納米TiO2 0 0.53 4 5100 100 10025 25 255 5 51 1.5 2Table 1 配方表 表中按份數(shù)計（3）PVC棒材的擠出成型：將擠出機的溫度設(shè)定在180，預熱一個小時。物料從加料口加入，連續(xù)擠出得到線狀制品。注意加料不能過多，否則易堵塞加料口。（4）擠出機料筒和螺桿的清洗：擠出加工完成后，用粉狀HDPE樹脂清洗螺桿，并及時抽出螺桿擦拭干凈，小心存放。2樣品的力學性能測

9、試將得到的線狀產(chǎn)品在萬能試驗機上進行拉伸實驗，按GB/T 1040-92執(zhí)行，得到的“負荷位移”曲線，或“應力應變”曲線，測得樣品的初始彈性模量，拉伸強度和斷裂伸長率。力學性能測試數(shù)據(jù)處理：拉伸強度和彈性模量通過以下公式計算：拉伸強度：tP/ (/2)2 MPa 式中：P最大負荷 （N） 直徑 （mm）彈性模量（對于負荷位移曲線）：Et/ MPa 式中：應力(MPa) 應變2.1樣品的力學性能測試結(jié)果樣品的力學性能測試結(jié)果見下：編號 1 2 3 4 5最大力 N 516.38 237.11 353.78 205.5 236.47斷裂伸長率% 143.79 40.46 48.43 13.46 1

10、0.52Table 2 力學性能測試結(jié)果拉伸強度 Mpa 12.2 7.85 10.73 6.64 6.75拉伸斷裂應力Mpa12.19 7.71 9.2 6.56 6.732.1樣品的力學性能測試結(jié)果分析我們可以看到，隨著納米TiO2的加入，材料的韌性（斷裂伸長率）和剛性（拉伸強度）均降低，估計是因為納米粒子在擠出前便已團聚，進入PVC后造成的微裂紋太大太多沒造成吸收外界應力的效果反而造成了PVC材料易斷，如何改善其在PVC中的分散性是下一步要著重研究的重點。3結(jié)論以TiCl4為前驅(qū)體，通過強迫水解法制備具有一定晶型的納米TiO2,對其進行表面改性后與PVC粉末混合后用轉(zhuǎn)矩流變儀一次擠出成型

11、，研究了PVC改性前后的力學性能。隨著納米TiO2的加入，材料的韌性（斷裂伸長率）和剛性（拉伸強度）均降低，估計是因為納米粒子在擠出前便已團聚，進入PVC后造成的微裂紋太大太多沒造成吸收外界應力的效果反而造成了PVC材料易斷，如何改善其在PVC中的分散性是下一步要著重研究的重點。參考文獻1劉昌華，鄒建，張鵬等材料化學專業(yè)實驗講義M.西南大學化學化工學院：材料化學專業(yè)實驗室，2013:58-64.2請參考作者李昆昂，POSS /PPS多元納米復合材料的結(jié)構(gòu)與性能研究一文，待發(fā)表.3劉小強，閆軍，杜仕國.無機納米粒子改性PVC研究進展J.塑料科技,2005，1(165):53-57.4劉昌華，鄒建

12、，張鵬等材料化學專業(yè)實驗講義M.西南大學化學化工學院：材料化學專業(yè)實驗室，2013:58-64.Mechanical Testing On Nano-titanium Dioxide PowderSynthesis And Modification Of PVCKunang Li1 Jian Zou*（Chemistry and Chemical Engineering and Technology Department，Southwest University，Beibei District，Chongqing，China，400715）Abstract：Using TiCl4 as precursor prepared ，We force it hydrolysis to be a certain type of nano-crystalline TiO2. Its surface modification with KH-550 then mixed with PVC powder in torque rheometer extruded to the shape. And we studied its mechanical properties.K