| 造成PVC塑料型材發(fā)脆的原因以及解決方法 |
上海而羽小編介紹：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 針對目前市場上型材價格低，而原材料價格上漲的格局，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)增大時會對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。現(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)提高焊角強度。 在PVC/CPE共混體系中，其沖擊強度隨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，體系的沖擊強度增長幅度非常�。惶砑恿吭�8-15質(zhì)量份時增加幅度最大；之后增長幅度又趨于平緩。當(dāng)CPE用量在8質(zhì)量份以下時不足以形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)CPE用量在8-15質(zhì)量份時，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度增長幅度最大；當(dāng)CPE用量超過15質(zhì)量份時，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有適宜分散的CPE顆粒來吸收沖擊能量，因而沖擊強度增長趨于緩慢。 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“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PVC的塑化和凝膠化，塑化時間短，具有很好的加工性能。成形溫度和塑化時間對缺口沖擊強度影響較小，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)良的室溫沖擊強度或低溫沖擊強度。 而經(jīng)實驗論證，ACR與CPE相比抗沖擊強度要高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)量份時往往會引起型材發(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變色。穩(wěn)定劑根據(jù)種類不同用量也不同，但總的一點來說，用量過多會推遲物料的塑化時間從而使物料出口模時還欠塑化，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。而用量過少時會造成配方體系中相對低分子物降解或分解(也可以說成過塑化)，對各組份分子間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性造成破壞。因此穩(wěn)定劑用量多少也會對型材的抗沖擊強度造成影響，過多或過少都會造成型材強度降低引起型材發(fā)脆現(xiàn)象。 4、外潤滑劑用量過多 外潤滑劑與樹脂相溶性較低，能夠促進樹脂粒子間的滑動，從而減少摩擦熱量并推遲熔化過程，潤滑劑的這種作用在加工過程早期。外潤滑劑又分前期潤滑和后期潤滑、潤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，就會造成型材的密實度差、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)值以及熟化時間對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．低速運轉(zhuǎn)時，將PVC樹脂加到熱混鍋中； b．在60℃時，高速運轉(zhuǎn)下加入穩(wěn)定劑及皂類； c．在80℃左右，高速運轉(zhuǎn)下加入內(nèi)潤滑劑、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滑劑； e．在110℃，高速運轉(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行降溫； g．冷混至料溫降至40℃左右時，卸料過篩。 上面加料順序較為合理，但在實際生產(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，溫度太低時物料達不到凝膠化和混料均勻，高于此溫度部分物料可能會分解揮發(fā)，而且干混粉料發(fā)黃。 混料時間一般在7-10min物料才能達到密實、均化、部分凝膠化。而冷混一般在40℃以下，而且要求冷卻時間要短，如溫度大于40℃且冷卻速度又慢，則制備的干混料會相對常規(guī)密實度差。干混料的熟化時間一般在24小時，大于這個時間物料易吸收水份或結(jié)塊，小于這個時間物料各分子間的結(jié)構(gòu)還不太穩(wěn)定，造成擠出時型材外形尺寸和壁厚波動較大。以上環(huán)節(jié)如不加強控制都會對型材制品的質(zhì)量造成影響，個別情況便會表現(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)定過高會造成物料過塑化，其組分中部分分子量較低的成份會分解、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，會造成欠塑化。無論是過塑化還是欠塑化都會造成型材切割崩口現(xiàn)象。 2、機頭壓力不足 一方面與模具設(shè)計有關(guān)(這在下面單獨描述)另一方面是與加料比例和溫度設(shè)定有關(guān)，壓力不足時，物料的密實度就差，就會成組織疏松出現(xiàn)型材料脆現(xiàn)象，這時應(yīng)調(diào)整計量加料轉(zhuǎn)速和擠出螺桿轉(zhuǎn)速使機頭壓力控制在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)生一般有兩個途徑，一是在熱混時產(chǎn)生，這在熱混時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產(chǎn)生的水份和氯化氫氣體。這一般通過主機排氣段的強制排氣系統(tǒng)來強制排出，真空度一般在-0.05Mpa-0.08Mpa之間，不開或過低，都會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)，也會對型材的力學(xué)性能造成影響。 三、模具設(shè)計不合理 1、口模截面設(shè)計不合理，尤其是內(nèi)筋的分布和交界面角度的處理。這樣會造成應(yīng)力集中現(xiàn)象存在，需要改進設(shè)計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度來決定的。模頭的壓縮比太小或平直段太短都會造成制品不致密，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度來調(diào)整流料阻力；另一方面在模具設(shè)計階段可選擇不同的壓縮比來改變擠出壓力，但必須注意機頭壓縮比要與擠出機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，或者密實度不一致。這也就造成了型材兩個面之間的力學(xué)性能上的差別，我們在實驗時有時冷沖一面合格一面不合格，也恰恰證明了這一點。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冷卻定型，達到使用目的。緩慢的冷卻可以使分子鏈有足夠的時間舒展，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方向與型坯運動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，在型材取樣試驗時，無論是冷沖、角強度還是加熱后尺寸變化率等都達標(biāo)，(GB/T8814-2004)，但是在下料時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： �、匍T窗制作時，加工環(huán)境溫度低于12℃。這不僅對下料造成崩口，而且對焊角強度等都會造成一系列影響； �、谙铝蠒r進鋸速度過快，通常這時切割鋸切割時聲音比較急促且尖銳； �、矍懈钿徠匣蛴忻擙X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)為這幾個方面兼而有之，除以上說法外。這里面還有一個剛性指標(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，那么問題就會迎刃而解。 (1)配方體系對剛性指標(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，型材便會出現(xiàn)冷沖不達標(biāo)，焊接強度降低。填料過少，型材便會出現(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最佳結(jié)合點，以達到其剛性和柔性的平衡。 (2)擠出工藝對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降低剛性指標(biāo)，同時柔性指標(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。 需要補充的是，在剛開機擠出時會偶然發(fā)現(xiàn)個別型材沒有崩口現(xiàn)象，但卻發(fā)現(xiàn)其內(nèi)筋已有輕微氣泡，這又是一個新問題。有三種假設(shè)： �、俅硕涡筒臄D出時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筒內(nèi)的停留時間有關(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問題中去。 這也就說明，雖然型材試驗各項指標(biāo)都合格，也不能說明你的配方體系和擠出工藝絕對沒有問題，說不準(zhǔn)在哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)小小的紕漏。因此我們在研究任何問題時都要統(tǒng)籌考慮，不能枉下結(jié)論就是哪一點，哪一方面的問題，造成無端的爭辨，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。 |
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