红外光谱法测定硬聚氯乙烯（PVC-U）管（PVC）树脂含量及性能研究

PVC–U管材中的PVC树脂含量是决定制品性能的重要因素，多个产品标准中均对PVC树脂含量提出了具体要求。如TB/T 3432—2016《高速铁路预制后张法预应力混凝土简支梁》中规定泄水管及管盖应采用PVC材料（白色），聚氯乙烯含量不应低于80%;GB/T 20221—2006《无压埋地排污、排水用硬聚氯乙烯（PVC–U）管材》中明确提出生产管材所用材料以聚氯乙烯为主，其中的聚氯乙烯树脂含量（质量含量）应不少于80%。然而上述标准中虽对管材管件中聚氯乙烯树脂含量提出了具体要求，但并未规定具体的测试方法。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中提出了一种在总的氯含量基础上测定聚氯乙烯树脂含量的方法；聚氯乙烯管材中聚氯乙烯树脂含量的测定方法一文中提出利用PVC树脂在甲醇、乙醇等有机溶剂中析出，从而将PVC树脂与其他有机添加剂分离以测定PVC树脂含量。这2种测试方法虽能测出PVC树脂含量，但操作复杂，耗时长，效率低。

提出了一种利用红外光谱法测定PVC–U管材中PVC树脂含量的方法，并且选取了5种不同PVC树脂含量的PVC–U管材进行拉伸屈服应力、密度、维卡软化温度性能测试和热重分析试验，对比分析了不同PVC树脂含量对PVC–U管材的性能影响。

1 实验部分

1.1 实验样品

PVC标准样品，其制备可由纯PVC粉末样品与相应填料粉末样品按一定比例配制后挤出成型制得。

PVC树脂含量分别为46.1%、49.1%、62.5%、76.4%、82.4%的同规格PVC–U管材，编号分别为A、B、C、D、E。

1.2 主要仪器

傅立叶变换红外光谱仪，波数范围4 000～400 cm–1，分辨率4 cm–1；试样夹，用于夹持薄膜样品；压片机，压力不低于10 MPa，压板加热温度可达到180℃；微机控制电子万能试验机，量程（0～5)k N；电子分析天平，精度0.000 1 g；微机控制热变形维卡软化点试验机，精度±0.5℃；数显游标卡尺，精度0.01 mm；热重分析仪，量程为室温～1 000℃，精度0.1℃。

1.3 试验方案

1.3.1 红外光谱法测定PVC–U管材中PVC树脂含量

首先用压片机将样品压制成一定厚度的薄膜。红外光谱仪样品仓内不放置样品，进行背景扫描；把制备好的PVC标准样品薄膜置于样品夹内，放于光谱仪的样品仓中；在与背景扫描相同的条件下，进行扫描，得到标准样品的红外光谱图。选定用于含量测定的PVC特征吸收峰，测定其吸光度比值。

用制备好的其他PVC标准样品和未知含量的样品薄膜重复上述测试步骤，在该操作过程中，不改变红外光谱仪操作条件。

以标准样品的PVC含量为纵坐标，PVC特征峰吸光度的比值为横坐标，绘制校准曲线并得到线性回归公式，校准曲线如图1所示。

图1 PVC含量与吸光度比值的校准曲线   下载原图

PVC含量以质量分数表示，可由试样所测得的吸光度比值在校准曲线上读取对应的PVC含量值而得。

1.3.2 拉伸屈服应力、密度、维卡软化温度试验

以GB/T 8804.2—2003《热塑性塑料管材拉伸性能测定第2部分：硬聚氯乙烯（PVC-U）、氯化聚氯乙烯（PVC-C）和高抗冲聚氯乙烯（PVC-HI）管材》规定的试验方法进行拉伸屈服应力试验。取编号为A、B、C、D、E的样品，每个编号的样品制备5个哑铃，试验速度为5 mm/min，测试结果取平均值。

根据GB/T 1033.1—2008《塑料非泡沫塑料密度的测定第1部分：浸渍法、液体比重瓶法和滴定法》规定的试验方法，采用浸渍法对编号为A、B、C、D、E的样品进行密度试验，每个编号的样品测试3组平行数据，测试结果取平均值。

根据GB/T 8802—2001《塑料管件软化温度测定》规定的试验方法对编号为A、B、C、D、E的样品进行维卡软化温度试验，每个编号的样品测试2组平行数据，测试结果取平均值。

1.3.3 PVC-U管材的热重分析试验

PVC树脂的热分解主要分为2个阶段：第1阶段主要是脱HCl生成共轭双键的过程，到400℃左右脱除HCl；第2阶段是共轭结构环化分解成苯环等结构的过程。因此，热重分析设定程序为从30℃升至400℃，升温速率为10℃/min，自动生成不同PVC树脂含量的样品重量和温度的变化曲线。

2 试验结果与讨论

2.1 PVC–U管材的红外光谱图

按1.3.1的试验方案测试样品编号为A、B、C、D、E的PVC–U管材的PVC树脂含量，选取样品编号为E的PVC–U管材的红外光谱图进行说明，如图2所示。

图2 样品编号为E的PVC-U管材的红外光谱  

从图2中可读出PVC树脂特征峰吸光度的比值，将该值代入校准曲线，即可得出样品E的PVC含量。红外光谱法可快速测定PVC–U管材中的PVC树脂含量，可用于指导产品配方改进，防止不法厂家为压缩成本在产品配方中添加大量廉价的碳酸钙粉末等无机填料。

2.2 不同PVC树脂含量的PVC–U管材的性能测试结果

按1.3.2的试验方案对编号为A、B、C、D、E的样品进行拉伸屈服应力、密度、维卡软化温度试验，试验结果见表1。

表1 不同PVC树脂含量的PVC–U管材的性能测试结果  

从表1可知，随着PVC树脂含量的增加，PVC–U管材的拉伸屈服应力变大，密度逐渐降低，维卡软化温度也缓慢降低。显然，PVC树脂用量的增加对于PVC复合材料的耐热性是不利的，这与PVC树脂本身模量低、熔体粘度高、耐热性差有关。

2.3 不同PVC树脂含量的PVC–U管材的热重分析结果

按照1.3.3规定的试验方案对样品编号为A、B、C、D、E的样品进行热重分析试验，图3给出了样品编号为E的PV–-U管材的热重时间曲线和温度时间曲线，表2给出了5个不同PVC树脂含量的PVC–U管材的热重分析试验结果。

图3 样品编号为E的PVC-U管材的热重时间曲线和温度时间曲线   下载原图

由图3可知，样品E的开始失重温度为273.90℃，恒重温度为303.15℃，重量损失为4.97 mg，质量损失率为49.01%。

从表2可以看出：随着PVC-U管材中PVC树脂含量的增加，PVC–U管材的开始失重温度和恒重温度均降低，重量损失增加，这一试验结果与维卡软化温度表明的试验结果一致，均表明PVC树脂含量的增加对PVC–U管材的热稳定性是不利的。由于PVC–U管材在挤出成型时的料温与PVC树脂的开始失重温度较为接近，因此，PVC–U管材生产过程中料温的控制是尤为重要的。

表2 不同PVC树脂含量的PVC–U管材的热重分析试验结果  

料温过低或过高均会导致PVC–U管材塑化不良、外观无光泽且发黄、表面粗糙，物理性能检测不通过。由此可见，不同PVC树脂含量的PVC–U管材的热重分析可对PVC–U管材生产过程中的料温提供指导。

4 结束语

(1）建立了红外光谱法测试PVC–U管材中PVC树脂的含量，此法方便快捷，对于准确评价产品品质，指导生产配方的改进有重要的现实意义。

(2）随着PVC树脂含量的增加，PVC-U管材的拉伸屈服应力变大，密度逐渐降低，维卡软化温度也缓慢降低。显然，PVC树脂用量的增加对于PVC复合材料的耐热性是不利的，这与PVC树脂本身模量低、熔体粘度高、耐热性差有关。

(3)PVC–U管材的热重分析结果也表明PVC树脂含量的增加对PVC–U管材的热稳定性是不利的。同时，PVC–U管材的热重分析可对PVC–U管材生产过程中的料温提供指导。

提出的红外光谱法可快速准确地测试出样品中的PVC树脂含量，不同PVC树脂含量的PVC–U管材的性能分析和热重分析对产品的配方改进和生产工艺优化提供了指导意义。