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模具技術

擠出PVC-U門窗異型材配方設計

發布日期:2014-08-01 08:38:27

1 樹脂及助劑的選擇
1.1 PVC
    生産PVC-U門窗異型材的,一般都使用懸浮法生産的疏松型PVC(SG-5)。特别需要指出的是,生産PVC的原料--乙烯宜選用石油裂解法生産的,最好不用電石法生産的。
1.2 熱穩定劑
(1)熱穩定劑的常用品種
    鉛類熱穩定劑 在鉛類熱穩定劑中,三鹽基硫酸鉛的熱穩定性能最好,應用最廣;二鹽基亞磷酸鉛的熱穩定性和耐初期着色性顯著,同時賦予制品良好的耐候性,而二鹽基硬脂酸鉛和硬脂酸鉛熱穩定性稍差,但潤滑性強。鉛鹽的最大缺點是有毒性,且外觀易變色。鉛類熱穩定劑的發展重點在于消除粉塵污染,開發複合型鉛鹽。南京、溫州、重慶是國内三大無塵複合鉛鹽生産基地,制造時大多是配合酯類潤滑劑,産品有粒狀、片狀,可較好地解決粉塵污染問題。
    金屬皂類穩定劑 依其功能和機理分為主、輔兩類。主金屬皂穩定劑以Cd、Zn為主,輔助金屬皂穩定劑以Ba、Ca為主,主、輔金屬皂配合使用,具有協同效應,具有代表性的是Ba-Cd、Ba-Zn和Ca-Zn。國内常用的為Ca-Zn和Ba-Zn體系。山東招遠化工廠引進美國Ferro公司技術建成的3000t/a複合金屬皂的裝置,可生産260個牌号的包括Ca、Zn、Ba、Cd在内的複合金屬皂産品。
有機錫穩定劑 有機錫類穩定劑主要分為含硫有機錫和有機錫羧酸鹽兩類。
    有機輔助穩定劑 有機輔助穩定劑通常與金屬鹽穩定劑并用,産生協同效應。主要包括亞磷酸酯、環氧化合物、多元醇、含硫輔助穩定劑、β-二酮輔助穩定劑。
    稀土穩定劑 稀土穩定劑是我國新近開發出的新型熱穩定劑,具有價廉、無毒、性能高、透明性好、儲存穩定、耐候性優良等特點。實際使用的稀土穩定劑通常是稀土與金屬鈣或鋅的有機混配複合物。近年來稀土穩定劑在我國發展非常迅速。常熟合成化工廠與中國科技大學聯合開發的以镧系稀土元素為主要原料、與硬脂酸鹽複合而得的複合穩定劑,綜合性能優于三鹽基硫酸鉛等傳統鉛鹽類穩定劑。浙江大學和浙江仙居合成化工廠研制的雙氧油酸稀土穩定劑已形成40t/a的生産規模。江陰市華土工業日用品化工廠新近推出了三個牌号的稀土穩定劑,适用于不同的應用領域。肇慶鼎湖精細化工廠開發了的L518硬脂酸稀土-鋅系複合熱穩定劑,用途廣泛。福州二輕工業研究所研制的稀土複合穩定劑,透明性接近有機錫産品,可替代硬脂酸镉用于無毒制品。廣東工業大學開發的稀土複合熱穩定劑RHS-2無毒,可替代Ba-Cd。北京華通發技術開發公司開發的熱穩定體系的複合加工助劑已形成5000t/a的生産能力。
(2)熱穩定劑的選用 
    不同國家和地區使用熱穩定劑的種類差别較大。美國熱穩定劑的構成特點是有機錫類穩定劑産量較高,鉛鹽穩定劑比例低。熱穩定劑的開發方向是無鉛、無镉化。日本鉛鹽類熱穩定劑的用量偏高,占50%以上,主要用于生産電纜料、PVC管材、異型材等。Ba-Zn鹽類消耗量占第二位,其次是Ca-Zn類、Ba-Zn類和有機錫類。在歐洲,傳統的熱穩定體系是Ba、Cd、Pb系,迫于環保法規的壓力,型材生産廠開始試用新的熱穩定體系,如Ca-Zn體系等。
1.3 抗沖擊改性劑
    在PVC塑料門窗異型材配方中通常采用氯化聚乙烯(PE-C)和丙烯酸酯共聚物(ACR)來提高PVC的沖擊強度和耐候性。
    PE-C抗沖改性劑 PE-C的含氯量對改性PVC性能影響很大。PVC-U門窗異型材用抗沖改性劑PE-C氯含量為36%左右。PE-C與PVC不相容,但如果溫度太高或施加過大的剪切力,PE-C可能會熔融在PVC中,使性能大大降低,因此PE-C配方加工範圍很窄。PE-C在PVC中理論加入量為10%-13%。
ACR類抗沖擊改性劑 ACR改性劑是将甲基丙烯酸甲酯接枝在烷基丙烯酸酯彈性體上制成的。ACR抗沖擊改性劑适用于戶外使用的PVC-U塑料制品。與其它抗沖擊改性劑相比,ACR具有加工溫度範圍較寬、抗沖擊效果明顯、耐老化性能優良、兼有加工助劑的作用等特點。ACR尤其适用于異型材的高速擠出。
    德國門窗型材配方中一直采用PE-C作為抗沖擊改性劑,近幾年來,ACR抗沖擊改性劑使用量正逐漸擴大。美國的窗用PVC型材一般用ACR類作為抗沖擊改性劑。而我國絕大多數塑料門窗廠采用價格便宜的PE-C作為抗沖擊改性劑,近幾年,部分廠家開始使用Rohm-Haax的KM系列、Eif-Ato公司的D200,及國産的ACR-AL(Ⅱ)來改性PVC。将來國内的發展趨勢也應是由ACR逐步取代PE-C。
1.4 潤滑劑
    在PVC-U門窗異型材成型加工用潤滑劑中,複合潤滑劑是最近的發展方向,其優點在于:内潤滑性和外潤滑性比較平衡,且在擠出加工初期、中期和後期的潤滑效果比較平衡。常用的複合潤滑劑有石蠟烴類複合潤滑劑、金屬皂及石蠟烴複合潤滑劑、脂肪酰胺與其它潤滑劑複合物、以褐煤蠟型為主體的複合潤滑劑、穩定劑與潤滑劑複合體系等。
1.5 加工助劑
    PVC用高分子加工助劑分子量一般為1.2×105-2.5×106,現有的PVC用高分子加工助劑有ACR、MBS、ABS、E/VAC、PE-C、PVC-VC等,其中最有效的是ACR。
    PVC加工助劑的開發趨勢是高效、功能多樣化,當今應市的産品不僅有促進樹脂熔融和流變改性的功能,還兼具其它一些性能,比如耐沖擊性能、熱穩定性能等。國内PVC加工助劑的産量及品種數量都明顯低于國外發展水平,目前國内有上海珊瑚、蘇州安利、山西省化工研究所、北京市化工研究所、湖南寶慶化工廠等科研生産基地。
1.6 填料
    近年來,随着填料制備技術的不斷發展,超細的無機填料可同時提高塑料的剛性及韌性這一特點正越來越受到重視。提高填充PVC-U韌性的另一種很有效的方法是用偶聯劑處理填料。工業上常用的偶聯劑按化學結構可分為矽烷類、钛酸酯類、鋁酸酯類、锆類等幾大類。
1.7 着色劑
    PVC-U門窗異型材用着色劑,除了應具備的基本性能(顔色、着色力、遮蓋力、耐光性和耐候性)外,還應考慮擠出加工條件的穩定性。異型材高速擠出已成為目前的發展潮流,高速擠出物料的溫度大幅度上升,達到原來部分可溶性有機着色劑能完全溶解的溫度,從而引起顔料顔色的變化。例如,PVC的溫度上升,可使顔色從紅色變為橙色,或者從橙色變為黃色。
    PVC-U門窗異型材以白色的耐候性和耐老化性最好。在常見的白色顔料中,二氧化钛的折射率最大,着色力最強,應用最為廣泛。金紅石型二氧化钛密度較高,折射率較大,兼有屏蔽紫外線的功能,不僅着色力好,還能有效提高PVC-U門窗異型材的耐候性和耐熱性;銳钛型二氧化钛着色力較小,耐候性較差,應用受到限制。實踐表明,二氧化钛着色力最好的粒徑範圍為0.25-0.30μm。 

   1.8  其它特種助劑
(1)化學發泡劑
  化學發泡劑常用偶氮二甲酰胺(AC)。AC與PVC的相容性、分散性雖好,但分解溫度較高,在實際使用時必須添加一些發泡促進劑,如穩定劑等。常用穩定劑所起活化作用的順序是:三鹽基性硫酸鉛>二鹽基性亞磷酸鉛>硬脂酸鉛>硬脂酸鋇>硬脂酸鈣。
  最近化學發泡劑的發展趨勢是将吸熱和放熱型化學發泡劑複合以獲得最佳性能。放熱型化學發泡劑提供低密度所需的氣體體積和壓力,而吸熱型化學發泡劑則賦予制品穩定、細密、規整的泡孔結構。
(2)阻燃消煙劑
  阻燃劑雖能有效提高PVC-U的阻燃性,卻往往帶來煙霧和有毒氣體釋放量的增加。
  目前我國PVC建材用低煙難燃級産品開發的新動向是在阻燃體系中同時考慮阻燃和消煙的雙重要求。四川消防科學研究所采用多種金屬氧化物,輔以PVC改性劑制得SSH-93N阻燃消煙劑,它對PVC有較好的阻燃和消煙作用。汕頭大學采用Sb2O3、CaCO3和金屬氧化物制成了阻燃消煙體系。總後勤部軍需裝備研究所經過實驗發現,氧化鋅和氧化鎂的固相熔體是一種較好的阻燃消煙劑,其加入量為2%。北京理工大學研制了兩種高效抑煙劑--钼化合物和鎂-鋅複合物,加入2-5份時,可使PVC發煙量減少30%-50%。鄭州輕工學院以AL(OH)3為主體并配有多種無機阻燃劑,研制成無機複合阻燃劑,它具有添加量少、阻燃性好、低煙、無毒、價格低等特點。山西省化工研究所開發成功複合阻燃PVC抑煙劑FZY-14及FZY-21,當用量為7%-10%時,可使PVC-U達到阻燃消煙性能指标。惠州大學制備出了用于PVC-U的難燃抑煙的FR-X阻燃消煙劑。
2 配方設計及評價
  PVC-U門窗異型材的配方設計是一項複雜的工作,必須考慮制品的性能指标、成型設備、成型工藝、各類原材料的性能、用量以及價格等因素。PVC-U門窗異型材的主要性能要求是應具有良好的力學性能和加工性能,耐熱、耐寒、耐燃、耐老化。
2.1 配方設計方法
  PVC-U異型材材料由PVC、穩定劑、加工助劑、抗沖擊改性劑、潤滑劑、填料等多種添加劑混配而成,這些原料的種類、生産廠家、批次,以及用量都會影響制品的性能。為了最少的實驗次數獲得最優配方,可采用正交優化試驗方法。
2.2 PVC及添加助劑的選用依據
  選用PVC及添加助劑主要根據制品的性能要求與原材料的特性之間的關系确定。
加工性能 純PVC的成型溫度和分解溫度很接近,成型很困難。PVC的分子量、加工助劑、潤滑劑、抗沖擊改性劑及穩定劑等都會影響其流動性能。合理的配方應保證PVC-U具有适宜的流動溫度和良好的成型加工性。
  光、熱穩定性 改善PVC熱穩定性的主要方法是加入熱穩定劑,選用熱穩定劑時要從熱穩定性能(包括在加工初期、和加工中後期的穩定作用)、毒性、價格等方面綜合考慮。二鹽基亞磷酸鉛不僅具有熱穩定作用,而且對紫外線有較強的吸收作用,因此在使用鉛鹽作為PVC-U門窗異型材的熱穩定劑的場合,往往配合使用一定量的二鹽基亞磷酸鉛。無機填料金紅石型二氧化钛具有優異的抗紫外線功能。此外,紫外線吸收劑也可提高PVC制品的光穩定性,但應注意金紅石型二氧化钛與紫外線吸收劑具有相互抵消作用。
  耐沖擊性能 純PVC的耐沖擊性能差。沖擊強度一般随PVC分子量增加、抗沖擊改性劑用量的增加而提高。但無機填料的加入一般會降低制品的沖擊強度。但最近的研究表明,納米CaCO3填充PVC的沖擊強度反而會提高。應注意潤滑劑的種類和用量有時也會影響制品的沖擊強度。
2.3 配方中各組分之間的關系 
  PVC-U門窗異型材配方中各組分的作用是相互關聯的,在選擇助劑時應全面考慮各方面因素。比如在ACR改性PVC體系中,如潤滑劑選擇和配合不當,可使抗沖擊改性劑的作用全部失效;為了提高PVC的耐沖擊性,可添加或彈性高聚物,但這同時會引起彈性模量、剛性、耐熱性的下降;若選用金屬皂為熱穩定劑,則應适當減少潤滑劑的用量,否則會影響正常的擠出。
2.4 配方評價
  PVC-U門窗異型材配方的評價應以GB8814-1998"門、窗框用PVC-U型材"規定的指标為主。當然,可用模塑料制成标準試樣來試驗,但用模塑料得到的指标一般要優于用同樣配方擠出型材的指标。
  PVC-U的加工過程通常由配料、塑化、成型、定型等步驟組成。GB 8814-1998是對制品的最終性能進行檢測。運用毛細管流變儀、轉矩式流變儀等可對PVC配混料的加工性能進行測試,可在PVC加工成制品前對配方的優劣作出初步評價。加工性能測試的核心是物料的塑化特性和熔體的流變性。
  評價加工澇能的設備主要有雙輥開煉機、毛細管流變儀、轉矩流變儀、實驗單螺杆擠出機、小型雙螺杆擠出機等。

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