【综述】
NBR增韧改性PVC的加工进展
杨坤民，陈福林，张兴华
(广东工业大学材料与能源学院，广东广州510643)
[关键词]PVC;N BR；共混改性；加工；进展
[摘 要]概述了NBR增韧改性PVC的开发背景和增韧机理，并对N BR增韧改性PVC的影响因素做了系统的分析；综述了近年N BR改性PV C的研究和开发情况。
[中图分类号]T Q325.3 [文献标识码]B [文章编号]1009-7937(2004)03-0001-05
The processing progress of PVC toughened and modified by NBR
Y ANG Kun-m in,CHEN Fu-lin,ZHANG Xing-hua
(M aterial and Energy Institute of Guangdong University of Technology,Guangzhou510643,China)
Key words:PVC;NBR;blending modification;processing;prog ress
A bstract:The development backg round and toughening mechanism about the toug hening modifi-
cation of PVC with NBR are summarized and factors influencing the toug hening modification of PVC w ith NBR are analy zed systematically.The research and development situation about the modification of PVC w ith NBR in recent years are reviewed.
聚氯乙烯(PVC)是最早工业化、产量位居第二的通用塑料，具有耐油、耐酸碱、电气性能优良、透光性好、加工成型容易等优点。但其热稳定性欠佳，导致加工性能恶化，硬而脆，冲击强度低，耐老化性、耐寒性差。PVC共混改性的方法很多，可用的添加剂主要有聚酯树脂、PMMA、AS树脂、加工改进型ACR、NBR、CR、CPE、EVA、EVA-CO共聚物、抗冲改进型ACR、ABS、M BS、PE、PP等[1]。
NBR增韧改性PVC就是通过加入一定品种、一定用量的NBR与PVC共混，以提高PVC的冲击强度。NBR改性PVC所得共混物因具有优异的韧性、弹性、耐油性及加工成型性而倍受青睐，在PVC 改性中占据着极其重要的地位。最早人们采用NBR与PVC直接机械共混，随着NBR/PVC共混方法的深入研究，又开发出乳液共混法。本文所提到的方法都是采用机械共混法。
1 NBR增韧改性PVC的开发背景
PVC是极性塑料，人们很自然首先想到用极性的NBR做为它的增韧改性剂。NBR作为丁二烯与丙烯腈的共聚物，不仅具有耐油、耐老化及耐磨等优点，且与PVC相容性好，因而得到广泛的应用。市场上已有块状、粉状、液体NBR销售，它们各自又有普通、羧基、羟基NBR之类别，还可与各种添加剂(如改性膨润土等)制成性能各异的NBR，为PVC 的增韧改性提供了非常广泛的原料选择余地。两者的相容性还可由NBR中丙烯腈的含量来调节,NBR 的极性随丙烯腈含量的增加而增强。当丙烯腈含量为40%时，两者相容性最佳；当丙烯腈含量为20%左右时，它与PVC共混物的冲击强度最高[1]。
NBR与PVC能很好地共混。引入动态硫化技术，利用开炼机制成的NBR/PVC型热塑性硫化胶(TPV)，经透射电镜观察，它呈现出明显的两相结构：交联的橡胶分散相分散于PVC连续相中。由于共混物的力学性能受硫化体系(以树脂硫化体系为宜)和加工条件影响，该共混物压缩永久变形、拉断永久变形、耐油等主要性能均优于简单机械共混物，该共混物是假塑性流体[2]。
NBR增韧改性PVC具有加工成型简单、产品
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第3期2004年5月 聚氯乙烯
Poly vinyl Chloride
No.3
M ay,2004
[收稿日期]2003-12-18
性能稳定、增韧改性效果明显、原料选择范围广泛等优点，因而被大量使用。NBR 改性PVC 已日趋成熟，但NBR 属于不饱和橡胶，用它改性的PVC 耐候性仍不理想，但通过硫化会有所改善。
2 NBR 增韧改性PVC 的机理
采用NBR 增韧改性PVC 时，由于其相容性好,NBR 相易形成包覆有PVC 的细胞状结构，并分散于PVC 连续相中形成“海岛”结构。连续的PVC 相保持材料的力学特征，分散于PVC 相中的细胞状NBR 相形成材料的应力集中点。当材料受到冲击时，应力集中于NBR 橡胶相周围，从而诱发产生银纹和剪切带并吸收能量，银纹的发展遇到下一个橡胶粒子时而终止，从而防止银纹发展成破坏性的裂缝。细胞状橡胶相的形成，相当于扩大了NBR 的作用，因而用NBR 增韧改性PVC 效果明显。
3 增韧改性效果的表征与测量
增韧改性效果一般用冲击强度的提高幅度来表征，冲击强度的测量方法可以采用有缺口和无缺口试样两种方法，两种不同的测量方法得到的结果之间没有可比性。
4 影响NBR 增韧PVC 冲击强度的因素
能否共混、共混效果如何都取决于共混物的溶解度参数、绝对粘度和共混工艺。溶解度参数相近才能获得理想的共混效果，但相容性如果太好，完全形成了均一体系，也不能获得理想的共混物。一般
选择丙烯腈含量约为20%[1]
的NBR 作为PVC 的
改性剂。绝对粘度相近对共混加工尤其重要，中等丙烯腈含量的NBR 刚好满足要求。共混工艺条件由NBR 的形态和用量来确定，粉状和液体状NBR 可与PVC 直接混合造粒。树脂基体本身也明显地影响着增韧改性效果。4.1 PVC 树脂基体特性的影响
由于PVC 的牌号较多，性能各异，其可增韧的幅度也有很大差异。影响PVC 增韧效果最大的一个因素是其分子质量。一般来说,PVC 分子质量增加，其增韧后的冲击强度提高的幅度较大。但是，实际上并不采用增加PVC 分子质量的办法来提高增韧的效果，因为分子质量太大时加工性能下降，反而有损于产品的综合性能。PVC 树脂基体的分子质量分布也有较大影响，分子质量分布越宽，增韧效果越差。
4.2 NBR 的影响4.2.1 NBR 性能的影响NBR 的玻璃化温度(T g )和交联度是影响增韧效果的主要因素。T g 越低，则增韧的效果越好，一般T g 最好在-40℃以下。这是因为：要提高PVC
的冲击强度，必须产生大量的剪切带和银纹来吸收冲击能，因而就必须有数量较多、强度适当的应力集中场来引发剪切带和银纹。为了使PVC 中具有这样的应力集中点，所用的NBR 与PVC 必须是不完全相容的，并且模量要大大低于PVC 的模量。材料受到冲击时，作用速度比较快，根据时温等效原理，相当于降低了材料的使用温度；只有T g 较低的NBR 才能保持高弹态，才具有引发剪切带和银纹的能力。NBR 的T g 又取决于丙烯腈的含量,20%丙烯腈含量的NBR 的T g 已在-40℃以下，但由于丙烯腈含量更低的NBR 与PVC 相容性太差，也不利于PVC 的增韧改性。不过,NBR 增韧PVC 的研究已经从单用发展到并用两种或更多种的改性剂共同增韧PVC ，即从二元体系向多元体系发展，高、低丙烯腈含量的NBR 在PVC 增韧改性中也有了广阔的应用前景。NBR 的交联度也有一个最适宜的范围，交联密度过大，弹性体模量就高，这会失去弹性体的特性，难以发挥增韧的作用；交联密度过小，加工时受剪切作用下弹性体相容易发生变形破裂，这也不利于提高弹性体的增韧效果。最佳的交联度需通过实验来决定。
4.2.2 NBR 含量的影响
NBR 含量增加时，银纹的引发、支化及终止速率亦增加，冲击强度随之提高，但当NBR 的含量超过一定限度时，冲击强度的提高渐缓。实际上并不能用增加NBR 含量来提高冲击强度，因为随着增韧剂含量的增加,PVC 的耐热、拉伸、弯曲以及表面硬度等指标均有所下降，并且材料的加工性能变坏，所以NBR 的用量需根据综合因素平衡考虑。PVC 的品种及NBR 种类不同,NBR 的用量各不相同，但大
致在5%～20%。而且,NBR 含量较高时，所得共混物已不能被称为NBR 增韧改性PVC 了，而是热塑性弹性体或NBR /PVC 共混胶了。有关NBR /PVC 共混胶或热塑性弹性体已由中国石油吉林石化研究院的于景刚作了综述[3]。
4.2.3 NBR 相畴尺寸的影响
若NBR 相畴尺寸过大，则分散相与连续相的接触面积较小，诱导的银纹和剪切带数量有限，增韧的效果不佳；若相畴尺寸过小(小于银纹尺寸)，又起不到终止银纹的作用，冲击强度的提高幅度也极有限。因此，相畴尺寸存在一个最佳值。依据PVC 和
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综述 聚氯乙烯Polyvinyl Chlo ride
2004年第3期
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NBR品种的不同，最佳的相畴尺寸亦有所不同。此外，相畴尺寸的分布对增韧的效果也有较大的影响。在NBR增韧PVC中，相畴尺寸较大，对诱发银纹有利；相畴尺寸小，对诱发剪切带有利。因此，从银纹终止和支化的角度考虑，将一定范围内大小不同的NBR粒子以适当的比例混合起来效果最佳。
4.2.4 NBR颗粒内PVC包容物的影响
NBR与PVC共混后,NBR并非以纯增韧剂形态分散于PVC连续相中，而是其中包覆有PVC粒子。NBR颗粒内包容物使NBR相的有效体积增加，因而可在NBR用量较小的情况下，使材料达到较高的冲击强度。但若包容物过多，使NBR模量过高，接近PVC的模量，就会失去引发和终止银纹的能力，起不到增韧的作用，包容物的含量也有一最佳值。
4.3 PVC/NBR共混物相态结构的影响
4.3.1 NBR与PVC相容性的影响
NBR与PVC的相容性有一最佳值。相容性太差，两相的粘合力不足，在使用过程中易出现分层、开裂等现象，导致共混物的性能下降或不稳定；相容性过好，分散相相畴尺寸很小，甚至形成均相体系，也不会产生很好的增韧效果。一般NBR与PVC的相容性较接近时，效果最佳。通过机械共混法分别将NBR-29、NBR-40与PVC树脂共混，观察NBR中—CN基团含量对共混体系改性效果的影响。通过对两种共混体系缺口冲击试验对比，发现PVC/NBR-29体系的冲击性能明显优于PVC/ NBR-40共混体系。经动态力学分析,PVC/ NBR-29体系的力学谱图上有两个损耗峰，分别对应于两组分的玻璃化温度，为部分相容的两相体系，两相之间的界面层是NBR增韧PVC的内在原因。而后者两相间由于存在着较强的分子间作用力，两相间相容性很好，其动态力学谱图上只有一个较宽的损耗峰，为非均匀的
相容体系，因此共混改性效果不明显[4]。PVC与丙烯腈含量为20%左右的NBR 相容性较好，这一条件限制了NBR作为增韧剂的可选择性。事实上，其它丙烯腈含量的NBR也可使用，不过需进行增容或制成多元体系。提高相容性的方法有：加入增容剂、加入大分子共容剂、在聚合物分子间引入相互作用的基团、加入嵌段共聚物或接枝共聚物、采用互穿网络聚合物(IPN)技术等。
4.3.2 两相界面粘合力的影响
只有在连续相与分散相间有良好的粘合力时, NBR粒子才能有效地引发、终止银纹并分担施加的负荷；两相粘合力较弱时，则不能很好地发挥上述三种作用，因而体系的冲击强度就低。共混体系的相容性好有助于界面粘结力的提高，但此时不易形成宏观均相、微观分相的结构，增韧效果反而不佳。通常采用加入界面改性剂或采用接枝或嵌段共聚的方法来增加界面的粘合力。影响界面粘合力的因素还有低分子增塑剂、PVC和NBR中残留的低聚物等，它们很容易迁移到界面层，使两相界面粘合力下降，降低材料的冲击强度。
4.4 微观相互作用的影响
N.R.MANO等将PVC与NBR在150℃下进行机械共混时发现，即使体系中没有交联剂的存在, PVC/NBR体系亦能形成部分交联体系。对该体系进行动态力学分析可以发现：其动态力学谱图上在高温处只有一个损耗峰，且介于两组分之间，当PVC含量增高时，峰向高温方向移动。这说明了PVC与
NBR两相之间具有较好的相容性，体系中交联结构的存在使体系具有良好的综合力学性能。随着NBR含量的增大，体系的断裂伸长率迅速增大，但拉伸强度有所下降，在PVC/NBR(质量分数)=75/25时，体系的拉伸强度为32MPa，断裂伸长率达175%，表现出较好的韧性[5]。
5 NBR增韧改性PVC的加工进展
5.1 二元体系的加工进展
将NBR加入PVC/NR共混物中，既可增韧，又可改善共混物的热氧老化性能[6]。将NBR相呈准网络态分布于PVC中，其增韧效果要优于简单共混[7、8]。采用辐射接枝MMA粉末NBR10份与PVC共混可使PVC简支梁缺口冲击强度由4.66 kJ/m2提高到9.68kJ/m2，橡胶呈球形或椭球形等多种形态[9]。在研究了粉末橡胶(NBR-26)对PVC的增韧作用时，发现NBR大分子交联结构会损害增韧效应。采用线形PNBR增韧效果最好, PVC/NBR共混体在PNBR用量为7.5～10份时会发生脆韧转变，是典型的剪切屈服机理[10]。用一种具有包覆结构的粉末橡胶(P-65)来改性PVC，研究结果表明：在加热温度为160℃、DOP用量为60份、P-65用量为20份时，体系的拉伸强度和断裂伸长率达最大值[11]。而后，又在P-65/ PVC体系中添加无机刚性粒子CaCO3来增强，发现添加CaCO3后体系的拉伸强度比无CaCO3的高16%[12]。通过研究发现，用NBR改性的PVC异型材的冲击性能优于使用CPE、SBS弹性体改性的PVC异型材,NBR用量为6份时效果最佳[13]。在PVC泡沫塑料中加入4～6份液体NBR可以明显
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杨坤民等:NBR增韧改性PVC的加工进展 综述
改善PVC 泡沫塑料的低温手感和弹性，并使材料的拉伸强度和断裂伸长率增加[14]。使用粉末橡胶(P -83)改性PVC 的效果好于使用CPE 、EL -VALOY -741，相同用量时P -83改性得到的共混物的力学性能最好[15]。有研究表明,NBR 改性软质PVC 效果较好，可以明显改善共混物的弹性、断裂伸长率，且拉伸强度下降较小。但老化后拉伸强
度和断裂伸长率均有所下降[16]。用P -65改性高分子质量的软PVC 可得综合性能均佳的共混物，共混改性效果已接近国外同类产品[17]
。以PVC 为主体材料，加入NBR 进行共混改性，采用高温共混、化学交联模压一步法来制备改性PVC 泡沫塑料。电镜照片分析表明,NBR 改性PVC 泡沫塑料的泡孔均匀，孔径约在100～200μm [18]
。采用聚合度为2500的SPVC 树脂为基本原材料，以NBR -26为改性剂，制作的冰箱密封胶条具有较
好的物理机械性能，各项指标均能达到或超过企业标准[19]。用P -83改性软质PVC ，能使其拉伸强度、撕裂强度、脆性温度、压缩永久变形等物理性能得到明显改善，尤其是耐油性能可得到显著提高[20]。加入NBR 改性的PVC 气压管即使在-400℃下测定挠曲性仍为合格
(以P -83效果最佳)[21]
。用NBR 改性PVC ，再加入阻燃剂，采用化学交联模压一步法制取的阻燃泡沫塑料的综合力学性能较好，但泡孔分布均匀性不如非阻燃同类产品[22]
。利用NBR 熔融共混改性HPVC ，可使共混体系既具有HPVC 较高的机械强度，又能显示出橡胶类的弹性特征，选择聚合度为1700～2500的HPVC 和NBR -240较好，与PVC 相比，尤其是改善了材料的恒定压缩永久变形与冲击回弹性。并且共混物经4次返炼后，仍具有较高的物理机械性能[23]。半交联型PNBR 改性PVC 制汽车、冰箱、冷冻机和窗户用的密封条，克服了橡胶密封条光泽差、易龟裂和变、不易焊接等缺点，提高了PVC 的弹性、耐寒性和抗老化性，还可用超声波焊接，因而在上述诸领域得以广泛应用[24]
。从PVC /NBR 制品的弹性和强度变化关系来看，重复加工成的制品在弹性和强度上有所损失，但不影响其正常的使用，这一点正好符合绿环保这一大趋势，也使得此类弹性体的应用前景非常好[25]
。
5.2 三元体系的加工进展
近期有关PVC 的文献集中于对PVC /NBR 改性的第三组分的研究报道。在PVC /NBR 中引入第三组分可以赋予其一些新的性能。南京化工大学张军在对PVC /POM /NBR 三元共混进行研究后，得出当三者的比例为20/10/70、PVC 平均聚合度为1000时，其力学性能和耐油、耐溶剂性能均很好[26]
。而用SBS 对PVC /BR 进行改性并采用完全
动态硫化技术所得到的PVC /BR /SBS 三元热塑性弹性体，因其结构上的特殊性而特别适应于用做高档鞋材料，而且可回收利用性也很高[27]。三元共混技术在HPVC 中的使用也较广，例如采用高温机械共混、化学交联工艺可制备HPVC /POM /NBR (10/10/80)三元共混物，具有较好的相容性、力学性和耐油、耐溶剂性能[28]。NBR 分子中含有大量的极性键，对外表现出较强的极性，与PVC 共混时相容性非常好。NBR 能使ABS /PVC 合金保持较高软化点的同时还极大地改善了材料的韧性，电镜照片显示界面的粘合良好，克服了采用增塑剂提高韧性但损害合金性能的缺点[29]。加入25份NBR 改性NR /PVC (100/30)可使共混物的耐油性提高到NBR 制品的耐油标准，且共混物的综合性能好[30]。用NBR 改善SBR /PVC (100/30)共混物的耐油性同样取得了较好的效果,NBR 用量为25份时可使不耐油的SBR 在V (汽油)∶V (苯)=3∶1的溶液中于
230℃、24h 后的质量变化率低于25%[31]。5.3 填充体系的加工进展
有机膨润土改性NBR 所得的复合材料用于改性PVC 效果更佳，增韧效果好且能保持较高的拉伸强度和弯曲强度[32]。木质素与PVC 分子上的—H 极易形成氢键，羟甲基化木质素分子上的羟甲基与NBR 分子链上的双键和—CN 之间也可在加热条件下发生化学反应，使木质素接枝在NBR 分子链上，因此木质素不仅对PVC /NBR 有着较强的结合力，而且随着填充量的增加，也增加了PVC /NBR 之间的结合强度，从而提高其力学性能[33]。TiO 2有很好的紫外光屏蔽作用，是一种稳定无毒的紫外光吸收剂。羟甲基化木质素可与PVC 发生化学反应，再加入TiO 2可改善PVC 的使用性能，特别是可防止因光的降解作用而引起物性的下降(如拉伸强度下降)[34]。用羟甲基化改性后的木质素作为PVC 的补强剂，在100份PVC /NBR 中加入30份羟甲基化木质素时，混合物的综合性能最佳
[35]
。
6 结语
尽管NBR 增韧改性PVC 从机理到加工的研究已日趋成熟，但生产实际中的问题是千变万化的，结合生产实际的配方还有广阔的研究空间。PVC /NBR 共混物的动态硫化技术还是个较新的课题，用于改善PVC 的耐油、耐老化性等方面将会大有作
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综述 聚氯乙烯Polyvinyl Chlo ride
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为。NBR改性后所得的性能更好的各类NBR改性剂可使PVC的共混改性更容易、更方便，效果更佳。用NBR作为增容剂来制取PVC、NBR和其它树脂的三元共混新材料已开始走入应用领域。
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[编辑：杜桂敏]
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杨坤民等:NBR增韧改性PVC的加工进展 综述
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