PVC ni moja ya plastiki za matumizi ya jumla zinazotumika sana. Kwa maendeleo ya teknolojia za kuchanganya na kurekebisha, nyanja zake za matumizi zimekuwa zikiendelea kupanuka. Marekebisho ya jadi ya kuimarisha PVC kwa kawaida huhusisha kuongeza elastomeri za mpira kwenye resini, lakini hii husababisha kupungua kwa ugumu wake wa thamani, upinzani wa joto, na uthabiti wa vipimo.

Ubadilishaji wa plastiki kwa chembe zisizo za kikaboni za nanoscale ni teknolojia iliyotengenezwa katika miaka ya hivi karibuni. Chembe zisizo za kikaboni za nanoscale, kwa “athari ya uso,” “athari ya ujazo,” na “athari ya quantum” za kipekee, ni tofauti sana na chembe za kawaida na vifaa vikubwa. Utafiti uliofanywa na Hu Fei na wenzake umeonyesha kuwa kujaza PVC na PVC/ACR na chembe za nanoscale za CaCO₃ kunaleta athari mbili za kuimarisha ugumu na kuimarisha uimara.

CaCO₃ ya nanokali (ukubwa wa chembe wastani 30 nm) ilitibiwa kwanza na 1.5% (kwa uzito wa CaCO₃) ya wakala wa kuunganisha aluminate uliopunguzwa nguvu katika mortari ya agate kwa saa 1. Kisha ilichanganywa na resini (aina ya PVC-1000) na viambatanisho katika mchanganyaji wa kasi ya juu kwa joto la 120 °C kwa dakika 10. Baada ya kutolewa, mchanganyiko ulisagwa kwenye mashine ya kusaga yenye magurudumu mawili kwa joto la 175 °C kwa dakika 8, kisha ukakandwa kuwa mabamba chini ya shinikizo. Sampuli za majaribio zilitayarishwa na kupimwa kulingana na viwango vya kitaifa. Athari za chembe za nanoscale za CaCO₃ kwenye sifa za mitambo na tabia ya usindikaji wa kompoziti za PVC ni kama ifuatavyo.

(1) Athari za chembechembe za CaCO₃ kwenye sifa za mitambo za PVC

Mchoro 14-1 unaonyesha miondoko ya nguvu ya kuvuta na uongezaji wakati wa kuvunjika dhidi ya kiwango cha CaCO₃ kwa PVC iliyojazwa CaCO₃ yenye ukubwa wa chembe mbili tofauti. Inaonekana kwamba kadri maudhui ya CaCO₃ ya nanoscale yanavyoongezeka, nguvu ya kuvuta ya mfumo huongezeka, ikifikia thamani ya juu kabisa (58 MPa) kwa CaCO₃ ya nanoscale 10%, ambayo ni 123% ya ile ya PVC safi (47 MPa). Kuongeza zaidi kiwango cha CaCO₃ husababisha kupungua kwa nguvu ya kuvuta. Kinyume chake, CaCO₃ yenye ukubwa wa chembe wa 1 μm haionyeshi athari kubwa ya kuimarisha. Wakati huo huo, upanaji wakati wa kuvunjika hupungua kwa mifumo yote miwili ya ujazaji, lakini upungufu huo ni wa haraka zaidi kwa mfumo wa CaCO₃ ya nanokikubwa.

Mchoro 14-2 unaonyesha miondoko ya nguvu ya athari yenye mfereji dhidi ya yaliyomo ya CaCO₃ kwa PVC iliyojazwa na CaCO₃ yenye ukubwa wa chembe mbili tofauti. Inaonekana kwamba kadri yaliyomo ya CaCO₃ yanavyoongezeka, nguvu ya athari yenye mfereji ya mifumo yote miwili inaongezeka kwa viwango tofauti. Wakati kiwango cha CaCO₃ ya nanoscale ni 10%, nguvu ya athari yenye notch inafikia thamani ya juu kabisa (16.3 kJ/m²), ambayo ni 313% ya ile ya PVC safi (5.2 kJ/m²). Kwa CaCO₃ ya ukubwa wa mikroni, nguvu kubwa zaidi ya athari yenye mshiko (12.5 kJ/m²) hutokea kwa kiwango cha 20%, sawa na 238% ya ile ya PVC safi.

Maudhui ya CaCO₃ (uzito%) 

Mchoro 14-1 Mabadiliko ya nguvu ya kuvuta na upanaji wakati wa kuvunjika ya PVC iliyojaa CaCO₃

1 — Nguvu ya mvutano ya mfumo uliojazwa na chembechembe za CaCO₃ za 30 nm;
2 — Nguvu ya mvutano ya mfumo uliojazwa na chembechembe za CaCO₃ za 1 μm;
3 — Uvutaji wakati wa kuvunjika kwa mfumo uliojazwa chembechembe za CaCO₃ za 30 nm;
4 — Uongezaji urefu wakati wa kuvunjika kwa mfumo uliojazwa na chembe za CaCO₃ zenye kipenyo cha 1 μm.

Kutokana na ukubwa mdogo wa chembe, kiasi cha CaCO₃ ya kiwango cha nano kilichotengenezwa na kinu cha raymond hupungua wakati eneo lake maalum la uso linapoongezeka, na kusababisha eneo kubwa zaidi la mgusano na resini ya matrix. Wakati nyenzo inapokabiliwa na nguvu za nje, chembe ngumu za nanoscale za CaCO₃ husababisha mikwaruzo midogo katika resini ya matrix, ambayo hufyonza nishati. Kwa chembe za ukubwa wa mikroni, kwa sababu ujazo wao ni mkubwa kiasi, huwa husababisha mikwaruzo midogo ndani ya resini ya matriki, jambo ambalo si la manufaa kwa kuboresha kwa kiasi kikubwa nguvu za kimakanika za mfumo.

Kama inavyoonekana kwenye Michoro 14-1 na 14-2, wakati yaliyomo ya CaCO₃ yanapozidi 20%, nguvu ya kunyoosha na nguvu ya athari yenye mfereji ya nyenzo iliyojaa CaCO₃ kwa kiwango cha nano ni ndogo kuliko zile za mfumo uliojaa CaCO₃ wenye ukubwa wa mikroni. Tukio hili linaweza kueleweka kwa njia mbili:
① Kadri idadi ya chembechembe za nanoscale inavyoongezeka, chembechembe hizo zinakaribiana sana, na mikwaruzo midogo huungana na kuunda nyufa kubwa.
② Kwa kuwa na chembechembe nyingi za kiwango cha nano, usambazaji unakuwa mgumu zaidi, na kusababisha chembechembe kuungana. Kutokana na kasoro za uso wa chembe zilizokusanyika, kwa upande mmoja, zinapendelea kusababisha uharibifu kwa resini ya msingi na kuzalisha mkusanyiko wa mkazo; kwa upande mwingine, chini ya nguvu za nje, chembe zilizokusanyika zinaweza kuteleza dhidi ya kila mmoja, na hivyo kudhoofisha utendaji wa jumla wa mfumo.

Maudhui ya CaCO₃ (uzito%) 

Mchoro 14-2 Mabadiliko katika nguvu ya athari yenye mifereji ya PVC iliyojazwa CaCO₃

1 — Uimara wa athari wenye mashimo wa mfumo uliojazwa na chembechembe za CaCO₃ za 30 nm;
2 — Nguvu ya athari yenye mifereji ya mfumo uliojazwa na chembe za CaCO₃ za 1 μm.

Kama inavyoonekana kwenye picha za SEM za nyuso za kuvunjika kwa mvutano na mshtuko za sampuli (angalia Mchoro 14-3), katika mfumo mchanganyiko wenye CaCO₃ ya nanokipimo ya 30%, chembe za CaCO₃ hujikusanya katika makundi. Kwenye mwelekeo wa mvutano, chembechembe za CaCO₃ za kiwango cha nano huvutwa kuwa mipangilio mirefu inayofanana na mistari, na usambazaji wao katika matriki ni duni. Kinyume chake, katika picha za SEM za mfumo uliojazwa na CaCO₃ ya nanokale ya 10%, chembe za nanokale za CaCO₃ ni ndogo na zimeenea katika mpangilio wa nukta ndani ya matriki. Hakuna mapengo dhahiri kwenye miunganisho ya chembechembe na matrisi; chembechembe zinaonekana kana kwamba zimeambatishwa kwenye matrisi, na matrisi inaonyesha kiwango fulani cha kunyumbulika kama wavu wa nyuzi katika mwelekeo wa mshtuko. Hii inaonyesha kuwa kiasi cha kuongeza, hali ya usambazaji, na hali ya umakundu wa CaCO₃ ya nanokubwa vina ushawishi mkubwa kwenye sifa za kimakanika za vifaa mchanganyiko.

Mchoro 14-3 Picha za SEM za nyuso za nyufa za mchanganyiko wa PVC uliojazwa CaCO₃ ya kiwango cha nano.
(a) Morfolojia ya kuvunjika kwa mvutano ya kompoziti yenye CaCO₃ ya 30 nm kwa kiwango cha kujaza cha 30%, ×10,000;
(b) Morfolojia ya kuvunjika kwa athari ya kompoziti yenye CaCO₃ ya 30 nm kwa kiwango cha kujaza cha 10%, ×10,000.

(2) Athari za chembechembe za CaCO₃ kwenye sifa za mitambo za mfumo wa PVC/ACR
Ili kuchunguza utegemezi wa chembe ngumu zisizo hai kwa uimara wa resini ya matrix, 8% kwa uzito wa ACR iliongezwa kwenye resini ya PVC. Mchoro 14-4 unaonyesha miondoko ya nguvu ya kuvuta na upanuzi wakati wa kuvunjika dhidi ya kiwango cha CaCO₃ kwa mfumo wa PVC/ACR uliojazwa na CaCO₃ yenye ukubwa tofauti wa chembe. Inaonekana kwamba kadri kiwango cha aina zote mbili za CaCO₃ kinavyoongezeka, nguvu ya kuvuta ya mfumo hufikia thamani ya juu kabisa (48 MPa) kwa 10% ya CaCO₃ ya ukubwa wa nano, ambayo ni 184% ya ile ya mchanganyiko wa PVC/ACR (26 MPa); kwa CaCO₃ ya ukubwa wa mikroni, nguvu kubwa zaidi ya kuvuta (34 MPa) huonekana kwa kiwango cha 15%, sawa na 130% ya ile ya mchanganyiko wa PVC/ACR. Upanuzi wakati wa kuvunjika pia unaonyesha thamani ya kilele kwa CaCO₃ ya nanokipimo ya 10%, wakati athari kama hiyo haionekani kwa CaCO₃ ya ukubwa wa mikroni.

Mchoro 14-5 unaonyesha miondoko ya nguvu ya athari yenye mashimo ya PVC/ACR iliyojazwa na CaCO₃ yenye ukubwa tofauti wa chembe. Inaonekana kwamba nguvu ya athari ya mfumo inafikia thamani ya juu kabisa (24 kJ/m²) kwa 5% CaCO₃ ya ukubwa wa nano, ambayo ni 185% ya ile ya PVC/ACR (13 kJ/m²); kwa CaCO₃ ya ukubwa wa mikroni, nguvu kubwa zaidi ya athari (19 kJ/m²) inaonekana kwa kiwango cha 15%, sawa na 146% ya ile ya PVC/ACR.

Kwa matukio yaliyo hapo juu, mtazamo wa urekebishaji wa ugumu bila elastomeri unasema kwamba resini ya matrix ina sio tu ugumu fulani bali pia ustahimilivu fulani. Kuongeza ACR husaidia kurekebisha uimara wa PVC, na kuwezesha mfumo uliojazwa kufikia uwiano maalum kati ya unyumbufu na uimara. Kwa njia hii, chembe zisizo za kikaboni zenye ugumu huanzisha mikwaruzo midogo zaidi ndani ya matriki, huchukua nishati zaidi, na utendaji wa jumla wa mfumo unaboreshwa.

(3) Sifa za usindikaji za mfumo mchanganyiko wa nanoscale wa CaCO₃. Mchoro 14-6 unaonyesha miondoko ya rheolojia ya torque ya PVC iliyojazwa CaCO₃ ya 30 nm na PVC/ACR. Inaonekana kwenye mchoro kwamba kwa kuongeza ACR, torque ya usawa inapungua, muda wa plastisishaji unakuwa mfupi, na uwezo wa mtiririko wa mfumo unaboreshwa, jambo ambalo ni faida kwa uundaji na usindikaji.

Kwa muhtasari, matumizi ya kabonati ya kalsiamu ya nanokikubwa katika PVC yana sifa zifuatazo: ① Baada ya kusafishwa kwa chembechembe zisizo za kikaboni, sifa za mitambo za mfumo uliojazwa zinaweza kuboreshwa, wakati chembechembe kubwa zisizo za kikaboni hazionyeshi athari kubwa ya mabadiliko; ② Hali ya usambazaji wa chembe zisizo za kikaboni inaathiri moja kwa moja sifa za mitambo za nyenzo, na usambazaji wa mfuatano wa nukta ndio bora zaidi; ③ Resini ya msingi inapaswa kuwa na uimara fulani, yaani uwiano unaofaa wa ufinyu na uimara husaidia kuboresha ufanisi wa matumizi ya chembe zisizo za kikaboni. Kiasi kinachofaa cha CaCO₃ ya nanoscale kiko katika wigo wa 5%–10%, na kuongeza ACR huboresha sifa za usindikaji wa nyenzo.

Muda / dakika

Mchoro 14-6 Mawimbi ya rheolojia ya mifumo iliyojaa CaCO₃ ya 30 nm
1 — Mwendo wa rheolojia wa mfumo wa PVC uliojazwa CaCO₃ ya 30 nm;
2 — Mwendo wa rheolojia wa mfumo wa PVC/ACR uliojazwa CaCO₃ ya 30 nm.

Hunan Jinxin Chemical Co., Ltd. (zamani Kiwanda cha Mbolea cha Nitrojeni cha Zijiang) inazalisha “Aote Calcium” – wakala wa kuimarisha plastiki wenye chembe ndogo sana – kwa kutumia mchakato mpya wa “unyunyiziaji mara mbili”. Bidhaa hii inaweza kutumika kwa wingi katika bidhaa za plastiki zinazonyumbulika na ngumu ili kuongeza kiwango cha vifaa vya kujaza na kupunguza gharama. Katika bidhaa zinazotokana na unga wa resini ya PVC, inaweza kuongezwa moja kwa moja, kwa kawaida kwa sehemu 10–25. Huku vifaa vya sasa vya usindikaji na fomula vikiwa havijabadilishwa, kanuni ifuatayo inapaswa kufuatwa: ongeza zaidi kwa bidhaa za sindano, ongeza kidogo kwa bidhaa laini nyembamba za upulizaji, na usiongeze kwa filamu zinazopitisha mwanga. Kutegemea hali maalum za kila kiwanda, kiwango bora cha kujaza kinapaswa kubainishwa kwa kuongeza kiasi kidogo kidogo kutoka chini hadi juu kupitia majaribio. Uongezaji unaweza kufanywa bila kubadilisha mchakato wa awali, vifaa, fomula, au aina ya bidhaa. Mifano maalum ya fomula imetolewa hapa chini.

(1) Mfano wa bidhaa za PVC zinazonyumbulika: fomula ya rejeleo kwa ngozi bandia ya PVC

Kumbuka: Fomula hizo mbili hutoa bidhaa zenye ubora sawa, na baadhi ya viashiria vya utendaji vimeboreshwa. Gharama ya uzalishaji kwa tani inaweza kupunguzwa kwa takriban RMB 300–400. Wakati wa usindikaji, unene unapungua na bidhaa iliyokamilika inahisi laini zaidi.

(2) Mfano wa bidhaa ngumu za PVC: fomula ya rejeleo kwa bomba ngumu la ujenzi la PVC

(3) Njia ya kuongeza kwa nyenzo ya PVC iliyotengenezwa upya

Kwa nyenzo ya pellet za PVC zilizotengenezwa upya:

• PVC iliyosindikwa tena: 70–75
• Aote Kalsiamu: 15–20
• Dioctyl phthalate (DOP) 5
• dibutyl phthalate (DBP) 5