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摘要：为了提高PVC的热稳定性，对PVC用热稳定剂PU进行了研究，使用不同原料制备了3种PU，并对产物进行测试；制备了18种性能实验试样，使用刚果红法与热老化法对试样进行了分析，证明了PU能够作为钙锌复合热稳定剂的辅助热稳定剂提高PVC的热稳定性，侧面验证了PU具有良好的性能，为后续实际应用提供了理论与实验支撑。
关键词：PVC；PU；热稳定性；刚果红法；热老化法
PVC俗称聚氯乙烯，是目前使用范围最广泛、使用量最大的五种普通塑料之一。由于传统的生产原料以及工艺存在着一定的问题，导致PVC的热稳定性较差，从而限制了PVC的使用范围[1-2]。为了改善PVC的热稳定性，需要在生产加工过程中增加热稳定剂，对于热稳定剂的研究是近些年较为关注的话题之一，如何制备高安全性、高性价比的热稳定剂是研究的主要方向。本文根据制备要求对聚脲（PU）进行了制备，并通过实验验证其性能，为后续研究与应用奠定了理论基础。
1概述
为了能够设计、制备出合适的PVC用热稳定剂，需要先了解PVC及PU的性能特点，为后续的制备与研究奠定基础。
1.1 PVC
聚氯乙烯（PVC）是常用的热塑性树脂，其价格低、性能好，因此被广泛应用于众多行业。但是工业生产的PVC具有一些不稳定结构，如仲氯、端基烯丙基氯等，这些不稳定结构在遇热时会导致PVC分子链断裂，造成制品整体颜色变深，力学性能下降；此外，PVC降解生成的HCl不仅继续催化降解，还会腐蚀仪器设备，造成设备损伤与经济损失，这也是其应用受限的主要原因[3-5]。
因此，为了改善PVC的热降解性能，国内外研究出了热稳定剂改性与化学改性两种方式，化学改性是通过改进某些工艺体系制备无缺点的PVC，主要包括取代、交联、接枝、共聚等化学反应；热稳定剂改性是通过在生产中添加适量稳定剂来减缓PVC的降解速度，主要通过置换不稳定Cl原子、破坏双键共轭体系等实现功能。
1.2热稳定剂PU
聚脲（PU）是一种环保材料，生产制备简单，时间短，能耗低，无毒副作用，被广泛应用在材料防水、金属防护上，一般使用多胺化合物与多异氰酸酯聚合而成，合成过程如图1所示，其分子链具有较强的氢键作用，此外PU含有与有机氮热稳定剂相似的构造，因此本文决定研究PU的制备与PU对PVC的热稳定机理，为PU在PVC的应用提供理论支持。
2热稳定剂PU的制备及测试
基于PU制备简单、性能良好、结构与常用热稳定剂相似的特点，对其进行制备，为后续探究其对PVC热稳定性能影响作准备。
2.1 PU实验制备研究
本文以分析纯级别的六亚甲基二异氰酸酯（HDI）、甲苯二异氰酸酯（TDI）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、乙腈以及超纯水为原料制备PU，主要仪器设备如表1所示。
制备PU的化学反应式如图2所示。
在氮气氛围下，使用超声分散机固定500 mL烧瓶，水浴温度控制在30℃,将乙腈和水按照体积比4∶1比例混合，倒入烧瓶中，使用超声分散机处理5 min形成均匀的混合溶液；取一定量的HDI/TDI/IPDI单体加入上述溶液中，异氰酸酯与溶液体积比为4∶1，使用超声分散机处理5 min后静置4 h；反应结束后使用高速分离机以2 000 r/s处理5 min，过滤洗涤3次，将产物置于100℃环境中干燥24 h，最终得到3种PU，分别为HPU、TPU、IPU。
2.2 PU产物测试分析
2.2.1产物形态测试
干燥后得到的3种不同链段结构的PU产物，其中HPU与IPU为白色，TPU为淡黄色，这是因为HPU与IPU的链段分别为直链与脂环，而TPU的链段中含有苯环。
2.2.2产物产率测试
根据重量法计算PU的产率为[式（1）]：
式中：m为干燥PU质量；m0为异氰酸酯质量。
根据公式计算得到3种链段结构的PU产率如表2所示，由表2可知，3种PU的产率都较高，其中IPU的产率最高。
2.2.3产物红外光谱分析
使用傅里叶变换红外光谱仪测试3种PU试样原料与产物的官能团，制作试样方法是溴化钾压片法，测试波数范围为4000~500 cm-1，测试结果如图3所示。
据图3-1可知，3种异氰酸酯在2 262 cm-1处均有吸收峰，这是由于NCO基团伸缩振动引起的；据图3-2可知，3种PU在3 380~3 360 cm-1处均有吸收峰，这是由于N-H伸缩振动引起的，1 562 cm-1处均有吸收峰，这是由于N-H弯曲振动引起的，2 276cm-1处的只有TPU有吸收峰，这是由于TPU中存在残留NCO基团，1630 cm-1处均有吸收峰，这是由于脲基中的C=O伸缩振动引起的。综上所述，本次实验成功制备了PU。
3热稳定剂PU性能研究
类比于有机含氮热稳定剂，PU只能作为辅助热稳定剂，主要的热稳定剂为钙锌复合热稳定剂，为了测试上述3种PU对PVC热稳定性的影响，开展样品制备实验，并探究3种PU与钙锌复合热稳定剂复配时的效果以及最佳配比。
3.1性能实验样品制备
本实验使用的主要原料有SG5型的聚氯乙烯树脂、分析纯级别的硬脂酸钙、硬脂酸锌以及邻苯二甲酸二辛酯及本文制备的IPU、TPU、HPU。
主要实验仪器设备如表3所示。
根据表4中的试样配方混合相应量的试样成分，经过搅拌机混合均匀，将得到的混合物在双辊开炼机上混合塑化成PVC材料，使用硫化机压片，最终裁剪成为25 mm×25 mm×0.3 mm的试样。
3.2热稳定性性能测试及结论分析
3.2.1刚果红法测试研究
刚果红测试法主要用来测试PVC静态热稳定性，参照GB/T 2917.1—2002，称取5 g PVC，按照表中配比加入各种成分，将混合液放置在180℃油浴锅中，将细管穿过试管塞，尾端固定刚果红试纸，试纸距离混合液表面25 mm，静置一段时间后观察试纸颜色，颜色越深，PVC热稳定性越差。实验后得到的测试结果如图4所示。
由图4-1可知，添加了3种PU的PVC比纯PVC试样的热稳定性好，并且随着PU用量的增加，PVC的热稳定性越好，就3种PU而言，IPU对PVC热稳定性的提升效果高于TPU与HPU；由图4-2可知，CaSt2与ZnSt2复配使用时，CaSt2的添加量越多，PVC的热稳定性越好，这是由于复合稳定剂能够吸收HCl、抑制催化作用，并且改善锌烧现象；由图4-3可知，3种PU加入到钙锌复合热稳定剂中均能够提升PVC的热稳定性，且等量条件下，添加IPU的效果最好。
综上所述，3种PU对PVC的热稳定性均有提升，其中IPU效果最好；单独添加热稳定剂时，PU的效果均比ZnSt2效果好，但是比CaSt2效果差；PU与ZnSt2复配时可以改善其稳定性，PU与CaSt2复配时可以提高其对HCl的吸收率。
3.2.2热老化法测试研究
热老化法一般也用了测试PVC静态热稳定性，本文主要用来确定钙锌复合热稳定剂的最佳复配比。将上述制得的试样置于托盘中，待老化实验机达到180℃时，将托盘放入实验机，每隔5~10 min取出拍照记录试样情况，颜色越深，老化越严重。实验结果如图5所示。
由图5-1可知，单独添加ZnSt2或CaSt2不能对PVC的热老化起到抑制作用，两者配比之后对PVC的热稳定性有明显提升作用，且当CaSt2与ZnSt2的质量比为4∶1时，改善PVC热老化的效果最好；由图5-2—图5-4可知，IPU与钙锌复合热稳定剂混合后提升PVC热稳定性的效果最好，且仍然是CaSt2与ZnSt2的配比为4∶1时，改善PVC热老化的效果最好。
综上所述，PU与钙锌复合热稳定剂能够提高PVC的热稳定性，在CaSt2与ZnSt2的质量比为4∶1、且以IPU为辅助热稳定剂时，PVC具有更好的热稳定性，证明了PU作为热稳定剂拥有良好的性能，为后续实践应用提供了理论支撑。
4结语
PVC的用途十分广泛，但是其热稳定性相对较差，需要添加热稳定剂提高其性能。PU与有机含氮热稳定剂的结构类似，为了探究其能否作为一种新的PVC热稳定剂加以应用，本文对其进行了制备，并开展实验研究了其性能，主要结论如下：
1）对PVC与PU进行了初步了解，为后续实验奠定理论基础；
2）使用3种原料制备了3种PU，通过形态测试观察了IPU、TPU、HPU的形态，通过产率测试确定了IPU的产率最高，通过红外光谱分析确认了合成产物均属于PU；
3）通过实验制备了用于性能研究的试样，通过刚果红法、热老化法验证了PU具有良好的性能，并验证了PU与钙锌复合热稳定剂能够提高PVC的热稳定性，且当CaSt2与ZnSt2的质量比为4:1、且以IPU为辅助热稳定剂时，PVC具有更好的热稳定性。
参考文献
[1]刘朋，蒋平平，郭朝彬，等.液体PVC热稳定剂异辛酸镁/锌制备及应用性能研究[J].塑料助剂，2012（4）：33-39.
[2]李梅，姜在勇，柳召刚，等.镧铈稀土PVC热稳定剂的制备及性能研究[J].塑料科技，2013，41（1）：4.
[3]徐晓鹏.新型多功能脲衍生物类PVC热稳定剂的设计、制备、应用及稳定机理研究[D].杭州：浙江工业大学，2015.
[4]陈焕章，李花，李宏.PVC热稳定剂氰尿酸锌的制备及性能研究[J].河北科技大学学报，2016，37（1）：33-38.
[5]王永强，陈芳，黄奇良.PVC热稳定剂富马海松酸钇的制备、复配及性能研究[J].中国塑料，2017（5）：84-91.
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