聚氯乙烯（PVC）的结构、分类与性能
3.1.3 结构特性
A、PVC的结构
图3.5 PVC结构图
图3.5（a）为氯乙烯单体聚合成PVC过程分子式，（b）为PVC空间结构模型。（c）图为PVC平面结构式。
在PVC结构中，碳原子为锯齿形排列，所有原子均以σ键相连。所有碳原子均为sp3杂化。
我们一般认为，PVC是无定型结构，但研究发现：PVC分子链中含有短程的间规立构结构，其它的部分我们可以视为无规结构。正是这短程间规立构结构，使聚合物含有5-10%的薄片微晶存在，大家不要小看这5-10%微晶的存在。正是这少量微晶的存在，才使PVC表现出不同于其它塑料的特性。PVC之所以具有能够吸收大量增塑剂的特性，并且在吸收大量增塑剂后还能保持一定程度的使用强度，与这少量微晶存在不无关系。这些微晶像起交联作用一样把聚合物网络在一起，这种特性使得PVC具有异常好的蠕变回复性和增塑物具有“橡胶状”特性的原因。
B、PVC分类
由于悬浮法生产的PVC占据市场的80%，并且随着聚合技术的发展，PVC的聚合度向下及向上进行了延伸，因此国标GB/T5761-2006《悬浮法通用型聚氯乙烯树脂》将原有的六大类分类方法扩大到10大类分类方法。由于市场使用的PVC树脂基本都是疏松型PVC树脂，因此，后面我们谈的都是疏松型PVC树脂。
根据不同分类树脂的黏数（或K值、平均聚合度）不同，其不同型号间用途也不同，其中SG0为超高分子量聚氯乙烯，一般场合用不到，大都作为改性添加剂使用或特种场合使用，SG9的相关信息未见报道，因此，仅就SG1-8主要用途进行描述，主要分类应用见表3.2。
表3.2 SG1-8主要用途
上述用途只是根据PVC的特征黏度做的一个大概分类，具体应用中用户要根据自己产品的具体要求选择合适等级牌号树脂使用为好。
C、PVC特性
PVC是通用塑料中产量最大的品种之一，其用途极其广泛，自然有其不可替代的特性存在。
（a）PVC化学特性
PVC的由于含Cl量高达58%，所以具有极高的阻燃性（其氧指数高达43.6），不溶于水、酒精、汽油，气体，水汽渗漏性低；在常温下可耐任何浓度的盐酸、90%以下的硫酸、50-60%的硝酸和20%以下的烧碱溶液，具有一定的抗化学腐蚀性；对盐类相当稳定，但能够溶解于醚、酮、氯化脂肪烃和芳香烃等有机溶剂。此外，由于侧基Cl的存在，导致PVC的光、热稳定性较差，在100℃以上或经长时间阳光暴晒，就会分解产生氯化氢，并进一步自动催化分解、变色，导致物理机械性能迅速下降。
工业上PVC树脂主要是非晶态结构即无定型结构，但也包含一些结晶区域（约5％-10%），所以PVC没有明显的熔点 。
（b）PVC物理特性
密度 1380kg/m3
杨氏模量 2900-3400MPa
拉伸强度 50-80MPa
断裂伸长率 20-40%
缺口冲击强度 2-5KJ/m2
玻璃化转变温度 87℃
维卡软化点 85℃
导热率 0.16W/mK
热膨胀系数 10-5/k
热容 0.9kj/（kg.K）
吸水率 0.04-0.4（%）
从PVC的化学性能和物理性能我们可以看出，虽然PVC具有高强度的优点，但其缺点同样明显，特别是PVC的热分解温度远低于加工温度阻碍了PVC的使用，因此说，没有改性的PVC基本没有什么使用价值。
（c）PVC的力学性能
（1）不同分子量对性能的影响
PVC 具有较好的力学性能、耐化学腐蚀性和难燃性等特点， 广泛地应用于塑料制品的各个领域。针对塑料制品提出种种要求，往往仅靠改性满足不了要求，促使PVC 生产企业开发不同分子量（聚合度）的 PVC 树脂以满足市场的需求。而不同聚合度的树脂往往具有不同的性能，是影响加工和使用特性的最基本因素。对于不同分子量PVC 对性能的影响，研究发现：随着 P VC 树脂聚合度的增加度、 冲击强度、断裂强度、 断裂伸长率等力性能提高, 屈服强度降低。具体影响见图3.6。
图3.6 不同分子量PVC性能关系
（2）填充料填充的PVC力学性能
图3.7 碳酸钙填充PVC力学性能
填充改性是PVC改性的最基本手段，诸如滑石粉、碳酸钙、煅烧高岭土、硫酸钡、白炭黑、煤粉灰、赤泥等都可以做PVC的填充改性剂。笔者使用PVC最常用的碳酸钙进行测试（1750目，硬脂酸处理）（见图3.7）。其它填料对PVC的填充影响大同小异。
（3）增韧剂增韧的PVC力学性能
PVC常用增韧剂包括ABS、CPE、MBS、EVA、ACR、NBR等，在这些常用增韧剂中，笔者对生产最常用的CPE增韧PVC相关性能进行应用研究（图3.8）。其它增韧剂共混PVC，其效果一致，都是在提高PVC基体韧性的同时，导致拉伸强度明显下降。
图3.8 CPE改性PVC力学性能
3.1.4 流变性
作为高分子材料，流变性是加工工艺选择最重要的参考。PVC作为高分子材料也不例外。那么下面我们谈一谈PVC的加工流变性。
对不同聚合度PVC流变性的研究发现，随着PVC树脂聚合度的增加度、冲击强度、断裂强度、 断裂伸长率等力性能提高, 屈服强度降低；随着PVC树脂聚合度的增加, 物料的塑化时间逐渐延
长，平衡扭矩逐渐增大。并且物料表观粘度表现为一种假塑性流体的特征,随剪切速率的增加而降低,剪切应力随剪切速率的增加而升高；在低剪切速率下, PVC树脂的聚合度对剪切黏度和剪切应力的影响较大；在高剪切速率下，PVC树脂的聚合度对剪切黏度和剪切应力的影响变小；在相同的剪切速率下，剪切黏度和剪切应力随着PVC聚合度的降低而减小。相关关系可以通过图3.9表示。
图3.9 不同聚合度PVC毛细管流变曲线
笔者曾对包括PVC及其不同共混体系硬质PVC进行的研究（见图3. 10、3. 11），从图我们能够看出，随着切变速率的增加和温度的升高，任何PVC共混体系的表观粘度都存在不同程度的下降。其中，剪切速率增加，表观粘度的下降幅度远高于温度增加带来的表观粘度下降。就是说，PVC共混体系是一个剪敏性材料；由于PVC的大量分解温度与加工温度接近 ，因此这点对PVC的加工非常重要，是设定PVC材料加工设备及工艺选择的一个非常重要的参考依据。
图3. 10、切变速率与表观粘度的关系
图3. 11、温度与表观粘度的关系
对软PVC的流变性研究表明：增塑PVC树脂熔体为非牛顿型假塑性流体, 树脂的颗粒结构越疏松, 切敏性越大; 该体系流动活化能较大，随剪切速率的增加, 活化能逐渐减小, 随增塑剂用量的增加, 体系表观粘度降低, 随填充剂用量的增加, 体系表观粘度增加, 高剪切速率时, 填充剂用量对表观粘度的影响越来越小。图3.12是添加填料碳酸钙后的表观粘度随切变速率的变化关系。
图3. 12、添加填料碳酸钙后的软PVC体系表观粘度随切变速率变化关系
对各种添加剂添加到PVC中的研究表明： 加工助剂和内润滑剂能促进PVC的塑化, 外润滑剂却延长塑化时间，以内润滑为主的金属皂类稳定剂用量的增加, 塑化时间缩短，以外润滑为主的金属皂类稳定剂用量的增加, 塑化时间延长。
由于在PVC加工过程中，根据不同要求，主稳定剂一般选择三盐、二盐体系或有机锡体系，因此，不同稳定体系的加工流变性也显得非常重要，笔者曾对两者稳定体系的流变性进行过研究，研究发现：有机锡类稳定剂相对于铅盐类稳定剂来所稳定的PVC共混体粘度要高（见图3.13），也就是说，在同等情况下加工有机锡类稳定剂稳定的PVC的加工难度要高于铅盐类稳定剂稳定的PVC，因此，非必要场合，尽量不选用有机锡类稳定剂。
图3.13、不同稳定体系剪切速率和表观粘度关系
上述对PVC加工流变学的分析，对实际加工生产中根据客户要求，选择不同聚合度PVC，采用最佳加工工艺，设计出最合适要求、最低材料成本的配方具有非常重要的指导意义。
来源：《橡塑技术实战指南》
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70张图对比PC、PP、PA、ABS等聚合物，车用材料性能
1杨氏模量-密度
刚性或/和轻质部件选材参考▼
1、需要较硬的材料时，如顶梁，自行车架等，选择图表顶部的材料。
2、需要低密度的材料，如包装泡沫等，选择图表左侧的材料。
3、刚性和轻质兼具的材料很难找到，复合材料往往是个不错的选择。
杨氏模量（Young‘smodulus），又称拉伸模量，是弹性模量中最常见的一种。杨氏模量衡量的是一个各向同性弹性体的刚度，与弹性模量是包含关系，除了杨氏模量以外，弹性模量还包括体积模量和剪切模量等。
▼材料大类
▼金属与合金
▼聚合物
▼陶瓷
▼木与木制品
▼复合材料
2杨氏模量-成本
刚性或/和低成本部件选材参考▼
1、需要较硬的材料时，如顶梁，自行车架等，选择图表顶部的材料
2、需要低成本的材料，如包装泡沫等，选择图表左侧的材料。
3、需要廉价且坚硬的材料，则选择图表左上方的材料，大多为金属和陶瓷。
▼材料大类
▼金属与合金
▼聚合物
▼陶瓷
▼木与木制品
▼复合材料
3、强度-密度
高强度或/和低密度部件选材参考▼
1、下图标识的强度为拉伸强度，除了陶瓷为抗压强度。
2、高强度且低密度的材料位于图形的左上部分。
强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。也就是说，强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。
▼材料大类
▼金属与合金
▼聚合物
▼陶瓷
▼木与木制品
▼复合材料
4、强度-成本
高强度或/和低成本部件选材参考▼
1、下图标识的强度为拉伸强度，除了陶瓷为抗压强度。
2、许多应用要求材料具有较高的强度，如螺丝刀、安全带等，但是他们通常都比较贵，只有极少数的材料能同时满足强度和成本的要求（左上部分）。
▼材料大类
▼金属与合金
▼聚合物
▼陶瓷
▼木与木制品
▼复合材料
5、强度-韧性
高强度或/和高韧性部件选材参考▼
1、下图标识的强度为拉伸强度，除了陶瓷为抗压强度。
2、通常韧性不好强度也不会很高，提高强度时很可能会使韧性下降。
强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。也就是说，强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。
韧性为材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。韧性可在材料科学及冶金学上，韧性是指当承受应力时对折断的抵抗，其定义为材料在破裂前所能吸收的能量与体积的比值。
强度和韧性的关系：强度是指抵抗外力的能力如抗拉强度，韧性是材料抵抗变形破坏的能力，如抗弯抗扭及冲击。
▼材料大类
▼金属与合金
▼聚合物
▼陶瓷
▼木与木制品
▼复合材料
6、强度-断裂伸长率
高强度或/和高弹性部件选材参考▼
1、陶瓷具有非常低的伸长率（<1％）；
2、金属具有中等的断裂伸长率（1-50％）；
3、热塑性塑料具有较大的伸长率（>100%）；
4、橡胶具有长期弹性伸长率；
5、热固性聚合物具有较低的伸长率（<5％）。
断裂伸长率 （elongation at break），试样在拉断时的位移值与原长的比值。以百分比表示（%）。
▼材料大类
▼金属与合金
▼聚合物
▼陶瓷
▼木与木制品
▼复合材料
7、强度-最高工作温度
高强度或/和高工作温度环境部件选材参考▼
1、下图适用于材料的使用环境中工作温度高于室温的组件，如炊具，汽车发动机和排气管等。
2、聚合物的最高工作温度较低，金属的最高工作温度居中，陶瓷能够承受非常高的温度。热塑性聚合物的最高工作温度低于热固性聚合物。
最高工作温度表示工程材料在此温度下工作时强度急剧下降的最高温度。
▼材料大类
▼金属与合金
▼聚合物
▼陶瓷
▼木与木制品
▼复合材料
8、比强度-比刚度
高刚度和/或高强度与低重量的部件选材参考▼
1、比强度为强度/材料密度，比刚度为刚度/材料密度。
2、通常高强度和高刚度是同时存在的，因为他们很大程度上取决于原子之间的结合力。
材料刚度简称刚度，即材料力学中的弹性模量。它是表征材料抵抗弹性变形能力的力学性能指标。指材料抵抗变形的能力，即引起单位变形时所需要的应力。一般是针对构件或结构而言的。它的大小不仅与材料本身的性质有关，而且与构件或结构的截面和形状有关。
强度：材料在规定的荷载作用下，材料发生破坏时的应力称为强度，要求不破坏的要求，称为强度要求。根据外力作用方式不同，材料的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。
刚度和强度的区别：刚度是抵抗变形的能力，强度是抵抗破坏的能力。刚度是强调不变形，或变形小；强度是强调可靠性，即不能失效。
▼材料大类
▼金属与合金
▼聚合物
▼陶瓷
▼木与木制品
▼复合材料
9、电阻率-成本
电性能或/和低成本部件选材参考▼
1、下图主要用于需要较低的价格以及良好的电绝缘性（如插头外壳）或良好的导电性（例如电力电缆）组件时选材参考。
2、良好的电导体通常是良好的热导体和良好的电绝缘体是良好的热绝缘体，所以下图也可用于需要良好的热绝缘（例如用于窑壁）或热传导性（例如，用于煎锅）产品的选材参考。
电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。某种物质所制成的原件（常温下20°C）的电阻与横截面积的乘积与长度的比值叫做这种物质的电阻率。单位：Ω·m。
▼材料大类
▼金属与合金
▼聚合物
▼陶瓷
▼木与木制品
▼复合材料
10、可回收性-成本
可回收或/和低成本部件选材参考▼
1、下图只要用于识别材料的可回收性特征，特别是那些既昂贵又可回收的材料应该投入更多。
2、尽管成本高，复合材料却难以回收，因为很难将纤维和基体分开。
3、热塑性塑料常常可以回收利用。热固性塑料可回收性低。
4、金属是特别适合于回收，因为它们可以容易地排序，重熔。
5、陶瓷几乎从未再循环。
▼材料大类
▼金属与合金
▼聚合物
▼陶瓷
▼木与木制品
▼复合材料
11、生产耗能-成本
环境影响小或/和低成本部件选材参考▼
1、生产某种材料所需消耗多大的能量是原料成本的一个因素。所以是大部分材料都位于左下角（低成本/低能耗）或右上（高成本/高能耗）。
2、测量生产材料消耗的能量是困难的，包括：收集原材料所需的能量/矿料，提取或合成它所需的能量。
3、聚合物是通过提炼和加工碳氢化合物中提炼出来的，所需的能量居中；
4、建筑材料，如混凝土，砖和木材需要较少的能量来产生它们，因此是价格较低；
5、金属通常是从它们的氧化物中提取，这占用了大量的能量，例如，在美国的能源消耗总量的二十分之一是用来生产铝。
▼材料大类
▼金属与合金
▼聚合物
▼陶瓷
▼木与木制品
▼复合材料