PVC顆粒的結構是在合成過程中形成的,而在加工過程中顆粒結構在熱和剪切作用下會變成更微小的結構。PVC樹脂大部分是無定形的,也存在少量結晶區域(結晶度為5%~10%),微晶結構通過連接分子物理交聯成一體。PVC在較低熔融溫度下加工(140~190℃),物料中的粉末粒子受到熱和剪切作用而破碎,其流動單元是初級粒子,熔體粘度比較小。當溫度更高的時候,初級粒子進一步解體,粒子自外層向內部逐步熔融,熔體流動以分子流動為主,粒子間熔融的PVC大分子在剪切力作用下,逐步纏結,形成網絡結構,粘度上升[5]。PVC微觀粒子相互熔融所形成的三維網絡結構在低溫下,網絡很弱,且不連續,相反在高溫下加工(200℃),三維網絡更強更光滑。
PVC加工過程中經過熔融作用和冷卻過程中再結晶,物理交聯網絡進一步生成。通常PVC樹脂的粒徑越小,分布越集中,越容易完成粒子破碎和纏結這兩個過程。對于PVC加工,一般把粉末狀顆粒破壞而產生連續網絡的變化稱為凝膠化或熔化。由于PVC顆粒具有多層次形態,較難準確定義。為了說明PVC料的凝膠化(熔化),已提出了三種假說:結晶度理論、纏結理論和粒子破壞理論,分別來解釋凝膠化整個現象的不同部分。
結晶度理論 :這些微晶是借連接分子和0.01μm面間距連接在一起的,從而建立了PVC融化模型,并用以說明PVC加工和分子量的關系。PVC的初級粒子流動單元可以部分熔化形成PVC的自由分子并在流動單元的邊界纏結。這些纏結的分子在冷卻的時候可以再結晶,形成二次微晶,并把流動單元結合成三維結構。熔化后所建立的大的三維結構,對Izod缺口沖擊強度、蠕變、斷裂強度以及注塑流動性能,都有很重要的影響。
纏結理論假定:分子纏結可提供網絡形成的連接點,在熱、剪切力和剪切速率的作用下,增塑劑等添加劑與PVC大分子在加工過程中隨著粘度比的變化而發生層流混合。制品加工初期,溫度不高時,增塑劑等添加劑的粘度較低,屬連續相,PVC樹脂顆粒是分散相。隨著溫度升高到PVC的軟化溫度以上,樹脂顆粒發生形變,生成片狀或帶狀物。接著在片狀或帶狀物上生成有小孔的易破裂的不穩定的網絡。在剪切力和剪切速率的作用下,該網絡破裂形成不規則的小碎塊。小碎塊繼續分裂形成近乎球狀的粒子。然后借助分子纏結提供的連接點或借助熔化晶粒冷卻時的再結晶將這些粒子連接在一起而形成三維網絡結構。
PVC粒子破壞理論認為,其凝膠化的過程可以定義為初級粒子之間邊界消除的過程。在較低溫度下,由于熱和剪切作用,顆粒崩解成初級粒子,隨著溫度的升高,初級粒子可部分粉碎,當加工溫度更高的時候,初級粒子可全部粉碎,晶體熔化,邊界消失,從而形成三維網絡。顆粒在破壞過程中,在160~190℃低溫區,顆粒崩解為初級粒子,熔體流動是以粒子流動為主的,其活化能為50 kJ/mol;在190~218℃高溫區,熔體流動是以分子流動為主,其活化能為113kJ/mol。