PVC–U管材中的PVC樹脂含量是決定制品性能的重要因素，多個(gè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中均對(duì)PVC樹脂含量提出了具體要求。如TB/T 3432—2016《高速鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁》中規(guī)定泄水管及管蓋應(yīng)采用PVC材料（白色），聚氯乙烯含量不應(yīng)低于80%;GB/T 20221—2006《無壓埋地排污、排水用硬聚氯乙烯（PVC–U）管材》中明確提出生產(chǎn)管材所用材料以聚氯乙烯為主，其中的聚氯乙烯樹脂含量（質(zhì)量含量）應(yīng)不少于80%。然而上述標(biāo)準(zhǔn)中雖對(duì)管材管件中聚氯乙烯樹脂含量提出了具體要求，但并未規(guī)定具體的測試方法。EN 1905—1998 Plastics piping systems–Unplasticized poly(vinyl chloride)(PVC–U) pipes,fittings and material–Method for assessment of the PVC content based on total chlorine content中提出了一種在總的氯含量基礎(chǔ)上測定聚氯乙烯樹脂含量的方法；聚氯乙烯管材中聚氯乙烯樹脂含量的測定方法一文中提出利用PVC樹脂在甲醇、乙醇等有機(jī)溶劑中析出，從而將PVC樹脂與其他有機(jī)添加劑分離以測定PVC樹脂含量。這2種測試方法雖能測出PVC樹脂含量，但操作復(fù)雜，耗時(shí)長，效率低。

提出了一種利用紅外光譜法測定PVC–U管材中PVC樹脂含量的方法，并且選取了5種不同PVC樹脂含量的PVC–U管材進(jìn)行拉伸屈服應(yīng)力、密度、維卡軟化溫度性能測試和熱重分析試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同PVC樹脂含量對(duì)PVC–U管材的性能影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

PVC標(biāo)準(zhǔn)樣品，其制備可由純PVC粉末樣品與相應(yīng)填料粉末樣品按一定比例配制后擠出成型制得。

PVC樹脂含量分別為46.1%、49.1%、62.5%、76.4%、82.4%的同規(guī)格PVC–U管材，編號(hào)分別為A、B、C、D、E。

1.2 主要儀器

傅立葉變換紅外光譜儀，波數(shù)范圍4 000～400 cm–1，分辨率4 cm–1；試樣夾，用于夾持薄膜樣品；壓片機(jī)，壓力不低于10 MPa，壓板加熱溫度可達(dá)到180℃；微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，量程（0～5)k N；電子分析天平，精度0.000 1 g；微機(jī)控制熱變形維卡軟化點(diǎn)試驗(yàn)機(jī)，精度±0.5℃；數(shù)顯游標(biāo)卡尺，精度0.01 mm；熱重分析儀，量程為室溫～1 000℃，精度0.1℃。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 紅外光譜法測定PVC–U管材中PVC樹脂含量

首先用壓片機(jī)將樣品壓制成一定厚度的薄膜。紅外光譜儀樣品倉內(nèi)不放置樣品，進(jìn)行背景掃描；把制備好的PVC標(biāo)準(zhǔn)樣品薄膜置于樣品夾內(nèi)，放于光譜儀的樣品倉中；在與背景掃描相同的條件下，進(jìn)行掃描，得到標(biāo)準(zhǔn)樣品的紅外光譜圖。選定用于含量測定的PVC特征吸收峰，測定其吸光度比值。

用制備好的其他PVC標(biāo)準(zhǔn)樣品和未知含量的樣品薄膜重復(fù)上述測試步驟，在該操作過程中，不改變紅外光譜儀操作條件。

以標(biāo)準(zhǔn)樣品的PVC含量為縱坐標(biāo)，PVC特征峰吸光度的比值為橫坐標(biāo)，繪制校準(zhǔn)曲線并得到線性回歸公式，校準(zhǔn)曲線如圖1所示。

圖1 PVC含量與吸光度比值的校準(zhǔn)曲線   下載原圖

PVC含量以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，可由試樣所測得的吸光度比值在校準(zhǔn)曲線上讀取對(duì)應(yīng)的PVC含量值而得。

1.3.2 拉伸屈服應(yīng)力、密度、維卡軟化溫度試驗(yàn)

以GB/T 8804.2—2003《熱塑性塑料管材拉伸性能測定第2部分：硬聚氯乙烯（PVC-U）、氯化聚氯乙烯（PVC-C）和高抗沖聚氯乙烯（PVC-HI）管材》規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行拉伸屈服應(yīng)力試驗(yàn)。取編號(hào)為A、B、C、D、E的樣品，每個(gè)編號(hào)的樣品制備5個(gè)啞鈴，試驗(yàn)速度為5 mm/min，測試結(jié)果取平均值。

根據(jù)GB/T 1033.1—2008《塑料非泡沫塑料密度的測定第1部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》規(guī)定的試驗(yàn)方法，采用浸漬法對(duì)編號(hào)為A、B、C、D、E的樣品進(jìn)行密度試驗(yàn)，每個(gè)編號(hào)的樣品測試3組平行數(shù)據(jù)，測試結(jié)果取平均值。

根據(jù)GB/T 8802—2001《塑料管件軟化溫度測定》規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)編號(hào)為A、B、C、D、E的樣品進(jìn)行維卡軟化溫度試驗(yàn)，每個(gè)編號(hào)的樣品測試2組平行數(shù)據(jù)，測試結(jié)果取平均值。

1.3.3 PVC-U管材的熱重分析試驗(yàn)

PVC樹脂的熱分解主要分為2個(gè)階段：第1階段主要是脫HCl生成共軛雙鍵的過程，到400℃左右脫除HCl；第2階段是共軛結(jié)構(gòu)環(huán)化分解成苯環(huán)等結(jié)構(gòu)的過程。因此，熱重分析設(shè)定程序?yàn)閺?0℃升至400℃，升溫速率為10℃/min，自動(dòng)生成不同PVC樹脂含量的樣品重量和溫度的變化曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 PVC–U管材的紅外光譜圖

按1.3.1的試驗(yàn)方案測試樣品編號(hào)為A、B、C、D、E的PVC–U管材的PVC樹脂含量，選取樣品編號(hào)為E的PVC–U管材的紅外光譜圖進(jìn)行說明，如圖2所示。

圖2 樣品編號(hào)為E的PVC-U管材的紅外光譜  

從圖2中可讀出PVC樹脂特征峰吸光度的比值，將該值代入校準(zhǔn)曲線，即可得出樣品E的PVC含量。紅外光譜法可快速測定PVC–U管材中的PVC樹脂含量，可用于指導(dǎo)產(chǎn)品配方改進(jìn)，防止不法廠家為壓縮成本在產(chǎn)品配方中添加大量廉價(jià)的碳酸鈣粉末等無機(jī)填料。

2.2 不同PVC樹脂含量的PVC–U管材的性能測試結(jié)果

按1.3.2的試驗(yàn)方案對(duì)編號(hào)為A、B、C、D、E的樣品進(jìn)行拉伸屈服應(yīng)力、密度、維卡軟化溫度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同PVC樹脂含量的PVC–U管材的性能測試結(jié)果  

從表1可知，隨著PVC樹脂含量的增加，PVC–U管材的拉伸屈服應(yīng)力變大，密度逐漸降低，維卡軟化溫度也緩慢降低。顯然，PVC樹脂用量的增加對(duì)于PVC復(fù)合材料的耐熱性是不利的，這與PVC樹脂本身模量低、熔體粘度高、耐熱性差有關(guān)。

2.3 不同PVC樹脂含量的PVC–U管材的熱重分析結(jié)果

按照1.3.3規(guī)定的試驗(yàn)方案對(duì)樣品編號(hào)為A、B、C、D、E的樣品進(jìn)行熱重分析試驗(yàn)，圖3給出了樣品編號(hào)為E的PV–-U管材的熱重時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線，表2給出了5個(gè)不同PVC樹脂含量的PVC–U管材的熱重分析試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 樣品編號(hào)為E的PVC-U管材的熱重時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線   下載原圖

由圖3可知，樣品E的開始失重溫度為273.90℃，恒重溫度為303.15℃，重量損失為4.97 mg，質(zhì)量損失率為49.01%。

從表2可以看出：隨著PVC-U管材中PVC樹脂含量的增加，PVC–U管材的開始失重溫度和恒重溫度均降低，重量損失增加，這一試驗(yàn)結(jié)果與維卡軟化溫度表明的試驗(yàn)結(jié)果一致，均表明PVC樹脂含量的增加對(duì)PVC–U管材的熱穩(wěn)定性是不利的。由于PVC–U管材在擠出成型時(shí)的料溫與PVC樹脂的開始失重溫度較為接近，因此，PVC–U管材生產(chǎn)過程中料溫的控制是尤為重要的。

表2 不同PVC樹脂含量的PVC–U管材的熱重分析試驗(yàn)結(jié)果  

料溫過低或過高均會(huì)導(dǎo)致PVC–U管材塑化不良、外觀無光澤且發(fā)黃、表面粗糙，物理性能檢測不通過。由此可見，不同PVC樹脂含量的PVC–U管材的熱重分析可對(duì)PVC–U管材生產(chǎn)過程中的料溫提供指導(dǎo)。

4 結(jié)束語

(1）建立了紅外光譜法測試PVC–U管材中PVC樹脂的含量，此法方便快捷，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)產(chǎn)品品質(zhì)，指導(dǎo)生產(chǎn)配方的改進(jìn)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

(2）隨著PVC樹脂含量的增加，PVC-U管材的拉伸屈服應(yīng)力變大，密度逐漸降低，維卡軟化溫度也緩慢降低。顯然，PVC樹脂用量的增加對(duì)于PVC復(fù)合材料的耐熱性是不利的，這與PVC樹脂本身模量低、熔體粘度高、耐熱性差有關(guān)。

(3)PVC–U管材的熱重分析結(jié)果也表明PVC樹脂含量的增加對(duì)PVC–U管材的熱穩(wěn)定性是不利的。同時(shí)，PVC–U管材的熱重分析可對(duì)PVC–U管材生產(chǎn)過程中的料溫提供指導(dǎo)。

提出的紅外光譜法可快速準(zhǔn)確地測試出樣品中的PVC樹脂含量，不同PVC樹脂含量的PVC–U管材的性能分析和熱重分析對(duì)產(chǎn)品的配方改進(jìn)和生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供了指導(dǎo)意義。