型材發(fā)脆的原因及分析

來源:深圳順嘉高新建材有限公司 　作者:王　耀 　日期:2006-4-28 　頁面功能 【字體：大 中 小】【打印】【投稿】【評(píng)論】

　　摘　要：本文分別從配方、混料工藝、擠出工藝、模具和其他外界因素對(duì)造成PVC-U塑料異型材發(fā)脆的原因進(jìn)行了論述、分析。

　　一直以來塑料異型材發(fā)脆是困擾一些型材企業(yè)正常運(yùn)營(yíng)的因素，型材發(fā)脆無論從截面外觀上還是門窗組裝廠的認(rèn)同程度上都或多或少的影響著這些型材企業(yè)的市場(chǎng)份額和用戶信譽(yù)。
　　型材發(fā)脆基本上在制品的物理、力學(xué)性能上得到充分體現(xiàn)。其主要特征為：下料時(shí)崩口、冷沖破裂。造成型材制品物理、力學(xué)性能差的原因有很多，主要表現(xiàn)為以下幾種：
　　一、配方及混料工藝不合理
　　1、填料過多
　　針對(duì)目前市場(chǎng)上型材價(jià)格低，而原材料價(jià)格上漲的格局，型材廠家都是在降低成本上作文章，正規(guī)的型材廠家通過配方的優(yōu)化組合，是在不降低質(zhì)量的前提下，降低了成本；有些廠家卻在降低成本的同時(shí)也降低了制品質(zhì)量。由于配方組份的原因，最直接有效的辦法是增加填料，在PVC-U塑料異型材中常用的填料為碳酸鈣。在以前的配方體系中多數(shù)是填加重鈣，其目的是增加剛性和降低成本，但重鈣由于本身粒子形狀不規(guī)則而且粒徑比較粗與PVC樹脂本體的相溶性差，所以其添加份數(shù)很低，而且份數(shù)增大時(shí)會(huì)對(duì)型材的色澤和表觀造成影響�，F(xiàn)在隨著技術(shù)的發(fā)展，大多采用超細(xì)輕質(zhì)活化碳酸鈣、甚至是納米級(jí)碳酸鈣、其不僅起到增加剛性和填充的作用，而且還具有改性的作用，但是其填加量并不是無限度的，其比例應(yīng)該加以控制�，F(xiàn)在有些廠家為了降低成本將碳酸鈣加到20-50質(zhì)量份，這大大降低了型材的物理力學(xué)性能，造成本章所說的型材發(fā)脆現(xiàn)象。
　　2、抗沖擊改性劑添加種類、數(shù)量
　　抗沖擊改性劑是在應(yīng)力作用下，能夠提高聚氯乙烯破裂總能量的一種高分子聚合物。目前硬質(zhì)聚氯乙烯的抗沖擊改性劑的主要品種有CPE、ACR、MBS、ABS、EVA等，其中CPE、EVA、ACR改性劑的分子結(jié)構(gòu)中不含雙鍵，耐候性能好，適宜做戶外建筑材料，它們與PVC共混，能有效的提高硬聚氯乙烯的抗沖擊性能、加工性、耐候性及在一定范圍內(nèi)提高焊角強(qiáng)度。
　　在PVC/CPE共混體系中，其沖擊強(qiáng)度隨CPE的用量增加而增加，呈S形曲線。添加量在8質(zhì)量份以下時(shí)，體系的沖擊強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度非常��；添加量在8-15質(zhì)量份時(shí)增加幅度最大；之后增長(zhǎng)幅度又趨于平緩。當(dāng)CPE用量在8質(zhì)量份以下時(shí)不足以形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)CPE用量在8-15質(zhì)量份時(shí)，其在共混體系中連續(xù)均勻分散，形成分相不分離的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使共混體系的沖擊強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大；當(dāng)CPE用量超過15質(zhì)量份時(shí)，就不能形成連續(xù)均勻的分散，而是有部分CPE形成凝膠狀，這樣在兩相界面上就不會(huì)有適宜分散的CPE顆粒來吸收沖擊能量，因而沖擊強(qiáng)度增長(zhǎng)趨于緩慢。
　　而在PVC/ACR共混體系中，ACR可顯著提高共混體系的抗沖擊性能。同時(shí)“核一殼”粒子可均勻分散在PVC基體中，PVC是連續(xù)相，ACR是分散相，分散在PVC連續(xù)相中與PVC相互作用，起到加工助劑的作用，促進(jìn)PVC的塑化和凝膠化，塑化時(shí)間短，具有很好的加工性能。成形溫度和塑化時(shí)間對(duì)缺口沖擊強(qiáng)度影響較小，彎曲彈性模量下降也小。一般用量在5-7質(zhì)量份，經(jīng)ACR改性的硬PVC制品有優(yōu)良的室溫沖擊強(qiáng)度或低溫沖擊強(qiáng)度。
　　而經(jīng)實(shí)驗(yàn)論證，ACR與CPE相比抗沖擊強(qiáng)度要高30%左右。因此在配方中盡可能采用PVC/ACR共混體系，而用CPE改性且用量低于8質(zhì)量份時(shí)往往會(huì)引起型材發(fā)脆。
　　3、穩(wěn)定劑過多或過少
　　穩(wěn)定劑的作用是抑制降解，或與釋放出的氯化氫反應(yīng)以及防止聚氯乙烯加工時(shí)變色。穩(wěn)定劑根據(jù)種類不同用量也不同，但總的一點(diǎn)來說，用量過多會(huì)推遲物料的塑化時(shí)間從而使物料出口模時(shí)還欠塑化，其配方體系中各分子之間沒有完全溶合，其分子間結(jié)構(gòu)不牢固造成。而用量過少時(shí)會(huì)造成配方體系中相對(duì)低分子物降解或分解(也可以說成過塑化)，對(duì)各組份分子間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性造成破壞。因此穩(wěn)定劑用量多少也會(huì)對(duì)型材的抗沖擊強(qiáng)度造成影響，過多或過少都會(huì)造成型材強(qiáng)度降低引起型材發(fā)脆現(xiàn)象。
　　4、外潤(rùn)滑劑用量過多
　　外潤(rùn)滑劑與樹脂相溶性較低，能夠促進(jìn)樹脂粒子間的滑動(dòng)，從而減少摩擦熱量并推遲熔化過程，潤(rùn)滑劑的這種作用在加工過程早期(也就是在外部加熱作用和內(nèi)部產(chǎn)生的摩擦熱使樹脂完全熔化和熔體中樹脂失去識(shí)別特征之前)是最大的。外潤(rùn)滑劑又分前期潤(rùn)滑和后期潤(rùn)滑、潤(rùn)滑過度的物料在各種條件下都表現(xiàn)為較差的外形，如果潤(rùn)滑劑用量不妥，可能造成流痕，產(chǎn)量低，渾濁，沖擊性差，表面粗糙、粘連，塑化差等。特別是用量過多時(shí)，就會(huì)造成型材的密實(shí)度差、塑化差，而導(dǎo)致沖擊性能差，引起型材發(fā)脆。
　　5、熱混加料順序、溫度設(shè)值以及熟化時(shí)間對(duì)型材的性能也有決定性的因素
　　PVC-U配方的組分很多，所選擇加料順序應(yīng)有利于發(fā)揮每種助劑的作用，并有利于提高分散速度，而避免其不良的協(xié)同效應(yīng)，助劑的加料順序應(yīng)有助于提高助劑的相輔相成效果，克服相克相消的作用，使應(yīng)在PVC樹脂中分散的助劑，充分進(jìn)入PVC樹脂內(nèi)部。
　　典型的鉛鹽穩(wěn)定體系配方加料順序如下：
　　a．低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將PVC樹脂加到熱混鍋中；
　　b．在60℃時(shí)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)下加入穩(wěn)定劑及皂類；
　　c．在80℃左右，高速運(yùn)轉(zhuǎn)下加入內(nèi)潤(rùn)滑劑、顏料、抗沖擊改性劑、加工助劑；
　　d．在100℃左右，高轉(zhuǎn)速下加入蠟類等外潤(rùn)滑劑；
　　e．在110℃，高速運(yùn)轉(zhuǎn)下加入填料；
　　f．在110℃-120℃低轉(zhuǎn)速下排出物料至冷混桶中進(jìn)行降溫；
　　g．冷混至料溫降至40℃左右時(shí)，卸料過篩。
　　上面加料順序較為合理，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，根據(jù)自身的設(shè)備及各種條件也有所不同，多數(shù)廠家除樹脂外，其他助劑一同加入。還有的是輕質(zhì)活化碳酸鈣同主料一起加入等等。這就要求企業(yè)技術(shù)人員根據(jù)本企業(yè)的特點(diǎn)制定出適合自己的加工工藝及投料順序。
　　一般熱混溫度在120℃左右，溫度太低時(shí)物料達(dá)不到凝膠化和混料均勻，高于此溫度部分物料可能會(huì)分解揮發(fā)，而且干混粉料發(fā)黃。
　　混料時(shí)間一般在7-10min物料才能達(dá)到密實(shí)、均化、部分凝膠化。而冷混一般在40℃以下，而且要求冷卻時(shí)間要短，如溫度大于40℃且冷卻速度又慢，則制備的干混料會(huì)相對(duì)常規(guī)密實(shí)度差。干混料的熟化時(shí)間一般在24小時(shí)，大于這個(gè)時(shí)間物料易吸收水份或結(jié)塊，小于這個(gè)時(shí)間物料各分子間的結(jié)構(gòu)還不太穩(wěn)定，造成擠出時(shí)型材外形尺寸和壁厚波動(dòng)較大。以上環(huán)節(jié)如不加強(qiáng)控制都會(huì)對(duì)型材制品的質(zhì)量造成影響，個(gè)別情況便會(huì)表現(xiàn)為型材發(fā)脆。
　　二、擠出工藝不合理
　　1、物料塑化過度或不足
　　這與工藝溫度設(shè)定和喂料比例有關(guān)，溫度設(shè)定過高會(huì)造成物料過塑化，其組分中部分分子量較低的成份會(huì)分解、揮發(fā)；溫度過低其組份中各分子間沒有完全熔合，分子結(jié)構(gòu)不牢固。而喂料比例太大造成物料受熱面積和剪切增大，壓力增大，易引起過塑化；喂料比例太小造成物料受熱面積和剪切減小，會(huì)造成欠塑化。無論是過塑化還是欠塑化都會(huì)造成型材切割崩口現(xiàn)象。
　　2、機(jī)頭壓力不足
　　一方面與模具設(shè)計(jì)有關(guān)(這在下面單獨(dú)描述)另一方面是與加料比例和溫度設(shè)定有關(guān)，壓力不足時(shí)，物料的密實(shí)度就差，就會(huì)成組織疏松出現(xiàn)型材料脆現(xiàn)象，這時(shí)應(yīng)調(diào)整計(jì)量加料轉(zhuǎn)速和擠出螺桿轉(zhuǎn)速使機(jī)頭壓力控制在25Mpa-35Mpa之間。
　　3、制品中的低分子成份未排出
　　制品中的低分子成分產(chǎn)生一般有兩個(gè)途徑，一是在熱混時(shí)產(chǎn)生，這在熱混時(shí)通過抽濕和排氣系統(tǒng)可以排出。二是部分殘存的和擠出受熱受壓時(shí)產(chǎn)生的水份和氯化氫氣體。這一般通過主機(jī)排氣段的強(qiáng)制排氣系統(tǒng)來強(qiáng)制排出，真空度一般在-0.05Mpa-0.08Mpa之間，不開或過低，都會(huì)在制品中殘存低分子成份，造成型材力學(xué)性能下降。
　　4、螺桿轉(zhuǎn)矩太低
　　螺桿的轉(zhuǎn)矩是反應(yīng)機(jī)械在受力狀態(tài)下的數(shù)值，工藝溫度設(shè)值的高低，喂料比例的多少都直接在螺桿轉(zhuǎn)矩值上得到體現(xiàn)，螺桿轉(zhuǎn)矩太低從某種程度上反應(yīng)出溫度偏低或喂料比例小，這樣物料在擠出程度中同樣得不到充分塑化，也就會(huì)降低型材的力學(xué)性能。根據(jù)不同的擠出設(shè)備和模具，螺桿轉(zhuǎn)矩一般掌握在60%-85%之間就能滿足要求。
　　5、牽引速度與擠出速度不匹配
　　牽引速度太快會(huì)造成型材壁薄力學(xué)性能下降，而牽引速度太慢，型材受到的阻力大，制品處于高拉伸狀態(tài)，也會(huì)對(duì)型材的力學(xué)性能造成影響。
　　三、模具設(shè)計(jì)不合理
　　1、口模截面設(shè)計(jì)不合理，尤其是內(nèi)筋的分布和交界面角度的處理。這樣會(huì)造成應(yīng)力集中現(xiàn)象存在，需要改進(jìn)設(shè)計(jì)和消除交界面處的直角和銳角。
　　2、模頭壓力不足。模頭處壓力大小是直接受模具的壓縮比，特別是模具平直段的長(zhǎng)度來決定的。模頭的壓縮比太小或平直段太短都會(huì)造成制品不致密，影響物理性能。模頭壓力的改變一方面可以通過改變模頭平直段長(zhǎng)度來調(diào)整流料阻力；另一方面在模具設(shè)計(jì)階段可選擇不同的壓縮比來改變擠出壓力，但必須注意機(jī)頭壓縮比要與擠出機(jī)螺桿的壓縮比相適應(yīng)；還可以通過改變配方，調(diào)整擠出工藝參數(shù)，增加多孔板來改變?nèi)垠w壓力的大小。
　　3、對(duì)于因分流筋匯合不良造成的性能下降應(yīng)適當(dāng)增加筋與外表面、筋與筋匯流處的長(zhǎng)度，或者增大壓縮比來解決。
　　4、口模出料不均勻，造成型材壁厚薄不一致，或者密實(shí)度不一致。這也就造成了型材兩個(gè)面之間的力學(xué)性能上的差別，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)時(shí)有時(shí)冷沖一面合格一面不合格，也恰恰證明了這一點(diǎn)。至于壁薄等非標(biāo)型材這里就不再多說。
　　5、定型模的冷卻速率。冷卻水溫往往沒有引起足夠的重視，冷卻水的作用是將型材拉伸的大分子鏈及時(shí)冷卻定型，達(dá)到使用目的。緩慢的冷卻可以使分子鏈有足夠的時(shí)間舒展，有利于定型。而急速冷卻，水溫與擠出型坯的溫差太大，制品受驟冷不利于制品低溫性能的提高。從高分子物理學(xué)解釋，PVC大分子鏈在溫度、外力的作用下，發(fā)生卷曲、拉伸過程，當(dāng)溫度、外力撤出后，大分子鏈沒有及時(shí)恢復(fù)自由狀態(tài)而外于玻璃態(tài)，大分子鏈雜亂無序排列，造成宏觀上制品低溫沖擊性能低。從塑料加工工藝學(xué)解釋PVC異型材在擠出后，制品撤去溫度、外力后有應(yīng)力松弛過程。適宜的冷卻水溫有利于這個(gè)過程。冷卻水溫過低，制品中的應(yīng)力沒有來得及消除，造成制品性能下降。所以異型材冷卻采用緩冷方式，并可防止成型后的制品翹曲，彎曲和收縮現(xiàn)象，可以防止由于內(nèi)應(yīng)力作用而使制品沖擊強(qiáng)度降低。一般水溫度控制在20℃。為了使型坯柔和地冷卻而不致驟冷，將連接冷卻定型套的水管接在定型的后部，讓水在定型套中流動(dòng)方向與型坯運(yùn)動(dòng)方向相反而從定型套前排出。這樣也不致于造成因水溫過低造成型坯驟冷、產(chǎn)生過大內(nèi)應(yīng)力，使型材脆化，型材的抗沖擊性能下降。
　　四、混料設(shè)備和擠出設(shè)備在本章中作為一個(gè)固化因素不再論述
　　五、值得我們商討的是有一種情況，在型材取樣試驗(yàn)時(shí)，無論是冷沖、角強(qiáng)度還是加熱后尺寸變化率等都達(dá)標(biāo)，(GB/T8814-2004)，但是在下料時(shí)切口還是有輕微不明顯的崩口現(xiàn)象，特別是內(nèi)筋
　　一種說法此種現(xiàn)象屬正常現(xiàn)象是受外界因素影響即：
　　①門窗制作時(shí)，加工環(huán)境溫度低于12℃。這不僅對(duì)下料造成崩口，而且對(duì)焊角強(qiáng)度等都會(huì)造成一系列影響；
　　②下料時(shí)進(jìn)鋸速度過快，通常這時(shí)切割鋸切割時(shí)聲音比較急促且尖銳；
　�、矍懈钿徠�老化或有脫齒現(xiàn)象。
　　另一種則認(rèn)為還是型材本身的原因，即配方和擠出工藝等，筆者認(rèn)為這幾個(gè)方面兼而有之，除以上說法外。這里面還有一個(gè)剛性指標(biāo)和柔性指標(biāo)的協(xié)調(diào)問題。即只要找到其最佳平衡點(diǎn)，那么問題就會(huì)迎刃而解。
　　(1)配方體系對(duì)剛性指標(biāo)和柔性指標(biāo)的影響，配方中要增加或減小剛性指標(biāo)必然要增加或減少填料，而增加填料又直接影響其柔性指標(biāo)。填料過多，型材便會(huì)出現(xiàn)冷沖不達(dá)標(biāo)，焊接強(qiáng)度降低。填料過少，型材便會(huì)出現(xiàn)尺寸變化率大。相同的是增加或減小柔性指標(biāo)，必然要增加或減小抗沖改性劑或加工助劑，而增加或減小加工助劑又直接影響其剛性指標(biāo)。加工助劑過多，則型材剛性指標(biāo)下降；加工助劑過少，則型材剛性指標(biāo)上升，在配方中這兩者是一個(gè)既矛盾又統(tǒng)一的相互制約的因素，但不能說要提高剛性指標(biāo)卻又要保持柔性指標(biāo)便可以在增加填料的同時(shí)又無原則增加加工助劑，這是不合理的。所以在配方體系中要確定一個(gè)最佳結(jié)合點(diǎn)，以達(dá)到其剛性和柔性的平衡。
　　(2)擠出工藝對(duì)型材剛性和柔性指標(biāo)的影響。擠出溫度設(shè)定的高低是影響物料塑化程度的因素之一，物料過塑化物料中的低分子聚合物分解，揮發(fā)，造成分子間結(jié)構(gòu)變化會(huì)增大剛性指標(biāo)和降低柔性指標(biāo)。物料塑化不足，物料中各組分的分子之間還沒有充分溶合會(huì)降低剛性指標(biāo)，同時(shí)柔性指標(biāo)得到充分展現(xiàn)。螺桿轉(zhuǎn)矩和擠出壓力與型材的剛性指標(biāo)成正比，隨轉(zhuǎn)矩和壓力升高而增加。柔性指標(biāo)則與其成反比，隨轉(zhuǎn)矩和壓力的升高而降低。
　　需要補(bǔ)充的是，在剛開機(jī)擠出時(shí)會(huì)偶然發(fā)現(xiàn)個(gè)別型材沒有崩口現(xiàn)象，但卻發(fā)現(xiàn)其內(nèi)筋已有輕微氣泡，這又是一個(gè)新問題。有三種假設(shè)：
　�、俅硕涡筒臄D出時(shí)的加工溫度要高于常規(guī)工藝溫度，如果是則說明前面我們所設(shè)定的加工工藝溫度偏低，型材欠塑化，而要提高工藝溫度卻不要讓其內(nèi)筋發(fā)泡，則要適當(dāng)增加穩(wěn)定劑的用量，這當(dāng)然也與物料的擠出速度即物料在機(jī)筒內(nèi)的停留時(shí)間有關(guān)。
　�、诼輻U芯溫過高，如是這種情況則更好解決，適當(dāng)降低螺桿芯部溫度便可。
　�、壑鳈C(jī)沒有開真空或真空度過低。如是這樣則型材的加熱后狀態(tài)不過關(guān)，如果加熱后狀態(tài)沒有問題則還是要回到前面兩個(gè)問題中去。
　　這也就說明，雖然型材試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)都合格，也不能說明你的配方體系和擠出工藝絕對(duì)沒有問題，說不準(zhǔn)在哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)小小的紕漏。因此我們?cè)谘芯咳魏螁栴}時(shí)都要統(tǒng)籌考慮，不能枉下結(jié)論就是哪一點(diǎn)，哪一方面的問題，造成無端的爭(zhēng)辨，我們應(yīng)該本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度逐一排查，逐一斟酌。我們?cè)诮鉀Q這方面的問題時(shí)要找到一個(gè)基準(zhǔn)，并且將其固化才能去研究另一個(gè)因素有沒有問題。(這方面楊忠久老師在《關(guān)于設(shè)備、模具、配方與工藝調(diào)整基準(zhǔn)問題》文章中已詳盡論述，本文不再重復(fù))。這樣才不致于無所適從，才能找到問題的所在，才能將問題徹底解決。

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