型材发脆的原因及分析

a494165848 · 发表于 2011-12-18 11:30:00

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　　一直以来塑料异型材发脆是困扰一些型材企业正常运营的因素，型材发脆无论从截面外观上还是门窗组装厂的认同程度上都或多或少的影响着这些型材企业的市场份额和用户信誉。
　　型材发脆基本上在制品的物理、力学性能上得到充分体现。其主要特征为：下料时崩口、冷冲破裂。造成型材制品物理、力学性能差的原因有很多，主要表现为以下几种：
　　一、配方及混料工艺不合理
　　1、填料过多
　　针对目前市场上型材价格低，而原材料价格上涨的格局，型材厂家都是在降低成本上作文章，正规的型材厂家通过配方的优化组合，是在不降低质量的前提下，降低了成本；有些厂家却在降低成本的同时也降低了制品质量。由于配方组份的原因，最直接有效的办法是增加填料，在PVC-U塑料异型材中常用的填料为碳酸钙。在以前的配方体系中多数是填加重钙，其目的是增加刚性和降低成本，但重钙由于本身粒子形状不规则而且粒径比较粗与PVC树脂本体的相溶性差，所以其添加份数很低，而且份数增大时会对型材的色泽和表观造成影响。现在随着技术的发展，大多采用超细轻质活化碳酸钙、甚至是纳米级碳酸钙、其不仅起到增加刚性和填充的作用，而且还具有改性的作用，但是其填加量并不是无限度的，其比例应该加以控制。现在有些厂家为了降低成本将碳酸钙加到20-50质量份，这大大降低了型材的物理力学性能，造成本章所说的型材发脆现象。
　　2、抗冲击改性剂添加种类、数量
　　抗冲击改性剂是在应力作用下，能够提高聚氯乙烯破裂总能量的一种高分子聚合物。目前硬质聚氯乙烯的抗冲击改性剂的主要品种有CPE、ACR、MBS、ABS、EVA等，其中CPE、EVA、ACR改性剂的分子结构中不含双键，耐候性能好，适宜做户外建筑材料，它们与PVC共混，能有效的提高硬聚氯乙烯的抗冲击性能、加工性、耐候性及在一定范围内提高焊角强度。
　　在PVC/CPE共混体系中，其冲击强度随CPE的用量增加而增加，呈S形曲线。添加量在8质量份以下时，体系的冲击强度增长幅度非常小；添加量在8-15质量份时增加幅度最大；之后增长幅度又趋于平缓。当CPE用量在8质量份以下时不足以形成网状结构；当CPE用量在8-15质量份时，其在共混体系中连续均匀分散，形成分相不分离的网状结构，使共混体系的冲击强度增长幅度最大；当CPE用量超过15质量份时，就不能形成连续均匀的分散，而是有部分CPE形成凝胶状，这样在两相界面上就不会有适宜分散的CPE颗粒来吸收冲击能量，因而冲击强度增长趋于缓慢。
　　而在PVC/ACR共混体系中，ACR可显著提高共混体系的抗冲击性能。同时“核一壳”粒子可均匀分散在PVC基体中，PVC是连续相，ACR是分散相，分散在PVC连续相中与PVC相互作用，起到加工助剂的作用，促进PVC的塑化和凝胶化，塑化时间短，具有很好的加工性能。成形温度和塑化时间对缺口冲击强度影响较小，弯曲弹性模量下降也小。一般用量在5-7质量份，经ACR改性的硬PVC制品有优良的室温冲击强度或低温冲击强度。
　　而经实验论证，ACR与CPE相比抗冲击强度要高30%左右。因此在配方中尽可能采用PVC/ACR共混体系，而用CPE改性且用量低于8质量份时往往会引起型材发脆。
　　3、稳定剂过多或过少
　　稳定剂的作用是抑制降解，或与释放出的氯化氢反应以及防止聚氯乙烯加工时变色。稳定剂根据种类不同用量也不同，但总的一点来说，用量过多会推迟物料的塑化时间从而使物料出口模时还欠塑化，其配方体系中各分子之间没有完全溶合，其分子间结构不牢固造成。而用量过少时会造成配方体系中相对低分子物降解或分解(也可以说成过塑化)，对各组份分子间结构的稳固性造成破坏。因此稳定剂用量多少也会对型材的抗冲击强度造成影响，过多或过少都会造成型材强度降低引起型材发脆现象。
　　4、外润滑剂用量过多
　　外润滑剂与树脂相溶性较低，能够促进树脂粒子间的滑动，从而减少摩擦热量并推迟熔化过程，润滑剂的这种作用在加工过程早期(也就是在外部加热作用和内部产生的摩擦热使树脂完全熔化和熔体中树脂失去识别特征之前)是最大的。外润滑剂又分前期润滑和后期润滑、润滑过度的物料在各种条件下都表现为较差的外形，如果润滑剂用量不妥，可能造成流痕，产量低，浑浊，冲击性差，表面粗糙、粘连，塑化差等。特别是用量过多时，就会造成型材的密实度差、塑化差，而导致冲击性能差，引起型材发脆。
　　5、热混加料顺序、温度设值以及熟化时间对型材的性能也有决定性的因素
　　PVC-U配方的组分很多，所选择加料顺序应有利于发挥每种助剂的作用，并有利于提高分散速度，而避免其不良的协同效应，助剂的加料顺序应有助于提高助剂的相辅相成效果，克服相克相消的作用，使应在PVC树脂中分散的助剂，充分进入PVC树脂内部。
　　典型的铅盐稳定体系配方加料顺序如下：
　　a.低速运转时，将PVC树脂加到热混锅中；
　　b.在60℃时，高速运转下加入稳定剂及皂类；
　　c.在80℃左右，高速运转下加入内润滑剂、颜料、抗冲击改性剂、加工助剂；
　　d.在100℃左右，高转速下加入蜡类等外润滑剂；
　　e.在110℃，高速运转下加入填料；
　　f.在110℃-120℃低转速下排出物料至冷混桶中进行降温；
　　g.冷混至料温降至40℃左右时，卸料过筛。
　　上面加料顺序较为合理，但在实际生产过程中，根据自身的设备及各种条件也有所不同，多数厂家除树脂外，其他助剂一同加入。还有的是轻质活化碳酸钙同主料一起加入等等。这就要求企业技术人员根据本企业的特点制定出适合自己的加工工艺及投料顺序。
　　一般热混温度在120℃左右，温度太低时物料达不到凝胶化和混料均匀，高于此温度部分物料可能会分解挥发，而且干混粉料发黄。
　　混料时间一般在7-10min物料才能达到密实、均化、部分凝胶化。而冷混一般在40℃以下，而且要求冷却时间要短，如温度大于40℃且冷却速度又慢，则制备的干混料会相对常规密实度差。干混料的熟化时间一般在24小时，大于这个时间物料易吸收水份或结块，小于这个时间物料各分子间的结构还不太稳定，造成挤出时型材外形尺寸和壁厚波动较大。以上环节如不加强控制都会对型材制品的质量造成影响，个别情况便会表现为型材发脆。
　　二、挤出工艺不合理
　　1、物料塑化过度或不足
　　这与工艺温度设定和喂料比例有关，温度设定过高会造成物料过塑化，其组分中部分分子量较低的成份会分解、挥发；温度过低其组份中各分子间没有完全熔合，分子结构不牢固。而喂料比例太大造成物料受热面积和剪切增大，压力增大，易引起过塑化；喂料比例太小造成物料受热面积和剪切减小，会造成欠塑化。无论是过塑化还是欠塑化都会造成型材切割崩口现象。
　　2、机头压力不足
　　一方面与模具设计有关(这在下面单独描述)另一方面是与加料比例和温度设定有关，压力不足时，物料的密实度就差，就会成组织疏松出现型材料脆现象，这时应调整计量加料转速和挤出螺杆转速使机头压力控制在25Mpa-35Mpa之间。
　　3、制品中的低分子成份未排出
　　制品中的低分子成分产生一般有两个途径，一是在热混时产生，这在热混时通过抽湿和排气系统可以排出。二是部分残存的和挤出受热受压时产生的水份和氯化氢气体。这一般通过主机排气段的强制排气系统来强制排出，真空度一般在-0.05Mpa-0.08Mpa之间，不开或过低，都会在制品中残存低分子成份，造成型材力学性能下降。
　　4、螺杆转矩太低
　　螺杆的转矩是反应机械在受力状态下的数值，工艺温度设值的高低，喂料比例的多少都直接在螺杆转矩值上得到体现，螺杆转矩太低从某种程度上反应出温度偏低或喂料比例小，这样物料在挤出程度中同样得不到充分塑化，也就会降低型材的力学性能。根据不同的挤出设备和模具，螺杆转矩一般掌握在60%-85%之间就能满足要求。
　　5、牵引速度与挤出速度不匹配
　　牵引速度太快会造成型材壁薄力学性能下降，而牵引速度太慢，型材受到的阻力大，制品处于高拉伸状态，也会对型材的力学性能造成影响。
　　三、模具设计不合理
　　1、口模截面设计不合理，尤其是内筋的分布和交界面角度的处理。这样会造成应力集中现象存在，需要改进设计和消除交界面处的直角和锐角。
　　2、模头压力不足。模头处压力大小是直接受模具的压缩比，特别是模具平直段的长度来决定的。模头的压缩比太小或平直段太短都会造成制品不致密，影响物理性能。模头压力的改变一方面可以通过改变模头平直段长度来调整流料阻力；另一方面在模具设计阶段可选择不同的压缩比来改变挤出压力，但必须注意机头压缩比要与挤出机螺杆的压缩比相适应；还可以通过改变配方，调整挤出工艺参数，增加多孔板来改变熔体压力的大小。
　　3、对于因分流筋汇合不良造成的性能下降应适当增加筋与外表面、筋与筋汇流处的长度，或者增大压缩比来解决。
　　4、口模出料不均匀，造成型材壁厚薄不一致，或者密实度不一致。这也就造成了型材两个面之间的力学性能上的差别，我们在实验时有时冷冲一面合格一面不合格，也恰恰证明了这一点。至于壁薄等非标型材这里就不再多说。
　　5、定型模的冷却速率。冷却水温往往没有引起足够的重视，冷却水的作用是将型材拉伸的大分子链及时冷却定型，达到使用目的。缓慢的冷却可以使分子链有足够的时间舒展，有利于定型。而急速冷却，水温与挤出型坯的温差太大，制品受骤冷不利于制品低温性能的提高。从高分子物理学解释，PVC大分子链在温度、外力的作用下，发生卷曲、拉伸过程，当温度、外力撤出后，大分子链没有及时恢复自由状态而外于玻璃态，大分子链杂乱无序排列，造成宏观上制品低温冲击性能低。从塑料加工工艺学解释PVC异型材在挤出后，制品撤去温度、外力后有应力松弛过程。适宜的冷却水温有利于这个过程。冷却水温过低，制品中的应力没有来得及消除，造成制品性能下降。所以异型材冷却采用缓冷方式，并可防止成型后的制品翘曲，弯曲和收缩现象，可以防止由于内应力作用而使制品冲击强度降低。一般水温度控制在20℃。为了使型坯柔和地冷却而不致骤冷，将连接冷却定型套的水管接在定型的后部，让水在定型套中流动方向与型坯运动方向相反而从定型套前排出。这样也不致于造成因水温过低造成型坯骤冷、产生过大内应力，使型材脆化，型材的抗冲击性能下降。
　　四、混料设备和挤出设备在本章中作为一个固化因素不再论述
　　五、值得我们商讨的是有一种情况，在型材取样试验时，无论是冷冲、角强度还是加热后尺寸变化率等都达标，(GB/T8814-2004)，但是在下料时切口还是有轻微不明显的崩口现象，特别是内筋
　　一种说法此种现象属正常现象是受外界因素影响即：
　　①门窗制作时，加工环境温度低于12℃。这不仅对下料造成崩口，而且对焊角强度等都会造成一系列影响；
　　②下料时进锯速度过快，通常这时切割锯切割时声音比较急促且尖锐；
　　③切割锯片老化或有脱齿现象。
　　另一种则认为还是型材本身的原因，即配方和挤出工艺等，笔者认为这几个方面兼而有之，除以上说法外。这里面还有一个刚性指标和柔性指标的协调问题。即只要找到其最佳平衡点，那么问题就会迎刃而解。
　　(1)配方体系对刚性指标和柔性指标的影响，配方中要增加或减小刚性指标必然要增加或减少填料，而增加填料又直接影响其柔性指标。填料过多，型材便会出现冷冲不达标，焊接强度降低。填料过少，型材便会出现尺寸变化率大。相同的是增加或减小柔性指标，必然要增加或减小抗冲改性剂或加工助剂，而增加或减小加工助剂又直接影响其刚性指标。加工助剂过多，则型材刚性指标下降；加工助剂过少，则型材刚性指标上升，在配方中这两者是一个既矛盾又统一的相互制约的因素，但不能说要提高刚性指标却又要保持柔性指标便可以在增加填料的同时又无原则增加加工助剂，这是不合理的。所以在配方体系中要确定一个最佳结合点，以达到其刚性和柔性的平衡。
　　(2)挤出工艺对型材刚性和柔性指标的影响。挤出温度设定的高低是影响物料塑化程度的因素之一，物料过塑化物料中的低分子聚合物分解，挥发，造成分子间结构变化会增大刚性指标和降低柔性指标。物料塑化不足，物料中各组分的分子之间还没有充分溶合会降低刚性指标，同时柔性指标得到充分展现。螺杆转矩和挤出压力与型材的刚性指标成正比，随转矩和压力升高而增加。柔性指标则与其成反比，随转矩和压力的升高而降低。
　　需要补充的是，在刚开机挤出时会偶然发现个别型材没有崩口现象，但却发现其内筋已有轻微气泡，这又是一个新问题。有三种假设：
　　①此段型材挤出时的加工温度要高于常规工艺温度，如果是则说明前面我们所设定的加工工艺温度偏低，型材欠塑化，而要提高工艺温度却不要让其内筋发泡，则要适当增加稳定剂的用量，这当然也与物料的挤出速度即物料在机筒内的停留时间有关。
　　②螺杆芯温过高，如是这种情况则更好解决，适当降低螺杆芯部温度便可。
　　③主机没有开真空或真空度过低。如是这样则型材的加热后状态不过关，如果加热后状态没有问题则还是要回到前面两个问题中去。
　　这也就说明，虽然型材试验各项指标都合格，也不能说明你的配方体系和挤出工艺绝对没有问题，说不准在哪个环节出现小小的纰漏。因此我们在研究任何问题时都要统筹考虑，不能枉下结论就是哪一点，哪一方面的问题，造成无端的争辨，我们应该本着严谨的科学态度逐一排查，逐一斟酌。我们在解决这方面的问题时要找到一个基准，并且将其固化才能去研究另一个因素有没有问题。(这方面杨忠久老师在《关于设备、模具、配方与工艺调整基准问题》文章中已详尽论述，本文不再重复)。这样才不致于无所适从，才能找到问题的所在，才能将问题彻底解决。
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