如何提高塑料异型材力学性能.doc

如何提高塑料异型材力学性能杨忠久（深圳顺嘉高新建材有限公司） 1绪论 塑料异型材力学性能大致包括抗冲击强度、断裂延伸率、抗拉伸强度、弯曲摸量、刚度等项指标。塑料异型材力学性能关系到塑料门窗的制作与使用范围。是塑料门窗长年在风吹雨淋和烈日暴晒条件下安全工作的重要保证，是行业内普遍关注、积极探索的重要课题。影响塑料异型材力学性能的因素很多，概栝起来主要由配方、生产工艺、壁厚、结构等因素。塑料异型材力学性能是以上诸因素协同作用，相互依托的结果。缺少任一因素都会影响其力学性能。现分别论述如下： 2 配方 塑料异型材配方中除PVC基料外，由不同职能组分和剂量的其他化工原料构成，这些化工原料中与塑料异型材力学性能直接相关的主要是抗冲击改性剂、填料、加工助剂、潤滑剂等助剂。目前我国塑料异型材生产用的抗冲击剂主要是CPE和ACR。其中CPE含氯量和剂量对制品的力学性能影响很大。含氯量过低，CPE与PVC相容性差，共混后形成两相结构，CPE为分散相与PVC结合力很小。含氯量过高，虽然与PVC基体相容性好，共混后形成均相结构。但其共混体系弹性降低，不利于增韧。适合PVC挤出生产的CPE含氯量为3638%。制品的抗冲击性能随CPE剂量增加而提高。但当CPE剂量增加至16份时，其抗冲击性能增加不明显，同时随制品抗冲击性能增加，制品的抗拉伸性能、弯屈摸量相应减少。因此塑料异型材生产一定要严格控制CPE剂量。一般为812份。并依据制品各项力学性能进行调整。另外由于CPE对温度比较敏感，当熔体温度超过180，其抗冲击性能有下降趋势。这一点要密切注意。 ACR是一种性能优良，对其他性能没有不良影响的抗冲击改性剂。配方中添加ACR不仅能提高制品抗冲击性能，还可以提高其焊接性能和抗老化性能。但由于ACR主要来源于国外，价格较高，使其应用受到限制。 在塑料异型材配方中添加轻质碳酸钙可以提高制品刚度、弹性摸量和维卡软化点。减少热膨涨系数，有利于冷却固化、提高制品成形尺寸稳定性，同时其与PVC相容性、分散性好。适当添加量可提高制品强度和硬度。但添加量超过10份时，会增加制品脆性，降低断裂延伸率和抗冲击、拉伸、焊接性能。因此在塑料异型材配方中，要严格控制其添加量，最好为4份，最大不超过6份。如果采用活性和纳米级轻质碳酸钙，依据制品力学性能可适当提高其添加量。 塑料异型材生产采用的加工助剂一般有丙烯酸类ACR201和ACR401两种。加工助剂用量较少，可显著改善PVC物料加工性能，增加物料的摩擦特性，促进熔体塑化，提高熔体强度，防止熔体破裂，可有效提高制品力学性能。加工助剂在配方中的添加量一般是13份。润滑剂在塑料异形材挤出生产中有减少物料剪切、摩擦热，提高熔体流动性，防止物料过热降解的重要作用。、但添加量过多，会使熔体塑化不好，制品力学性能下降。因此塑料异型材生产一定要依据熔体物料的成形特征，严格控制润滑剂的种类和剂量。 3 生产工艺 一个好配方是生产优质塑料异型材的先决条件，但不是唯一条件。好配方还必须依托好工艺的支持，其物料组份中力学性能才能得到充分发挥。塑料异型材挤出工艺主要有热混、冷混、挤出成形、真空冷却定形等四个有机部份组成。 其一是热混；热混不是配方中物料简单混和过程，物料热混过程是配方中不同组分与剂量的物料，在混料罐内叶片高速旋转与物料相互撞击以及与混料罐内壁产生的剪切热与磨擦热作用，由固体、单相、不均态向多相、均态、部份凝胶态转化的过程。其部份凝胶化的程度在一定条件下是由混料出料温度所决定的。热混出料温度的高低，决定了挤出物料均匀塑化的进程。热混温度过低，物料在混料罐内组分捏和不均匀，物料水分析出不彻底，影响挤出制品质量。混料温度过高，物料在混料罐内易发生降解。同时热混时加料程序也对混料质量和混料罐磨损有一定影响。热混料加料程序是PVC主料热稳定剂、抗冲击改性剂、填料、防老化剂钛白粉、加工助剂、润滑剂。其中钛白粉加料时间过早不仅影响制品表面光洁度和色泽，而且对混料罐磨损较大。加工助剂加料时间早会优先吸收铅盐稳定剂，使PVC接受量减少，导致混料稳定性下降。外润滑剂加料过早会使混料摩擦与剪切热降低，影响混料效果与稳定剂分散性能。 其二是冷混：物料热混后应立即冷混，以防止混和料长时间在高温下存放发生降解。同时混和料不经过冷混，在自然状态下冷却易重新吸收水分，增加混和料含水量，对挤出造成不良影响。其实物料热混是一个吸热过程，物料冷混是一个放热过程。冷混不仅可以阻止物料在高温下冷却的吸水返潮现象，也是物料在放热反应时排出其分子间水分的过程。物料热混后的冷混出料温度对保证混和料的质量有很重要的作用，这一点往往被人所忽视。一些企业的混和料根本不经过冷混，直接加入挤出机生产，其制品质量是难以保证的。 其三是挤出：挤出是塑料异型材成型并具有相应力学性能的关键，也是技术难度较大的一个重要环节。挤出是物料在挤出机内经过外加热和螺杆剪切热，由玻璃态、经过高弹态向熔融态转化的过程。要使制品有一定强度，首先应使物料均匀塑化。物料塑化充分、 均匀,所得制品力学性能也好，由于UPVC物料属于热敏性材料，其熔融与降解温度之间的温度带比较狭窄，其发生降解不仅与温度有关，也与时间有关。塑料异型材挤出应采用：高温加热与保温，低温挤出的“马鞍形”成型工艺。所谓高温加热与保温，即在挤出机加料段与压缩段以及机头、过渡段、口模温度设定温度应高一些，以方便固体物料迅速升温，防止从排气孔冒料，并补偿已不存在内加热区域的熔体物料在挤出过程中的改变运动方向热损失、界面摩擦热损失，减少熔体阻力，提高制品光洁度。所谓低温挤出，即在挤出机的熔融段和计量段温度设定应低一些，以便适时停止外加热，阻止熔体物料过热分解。应该指出：由于挤出机螺杆结构不同，塑化能力不一样，挤出机设定温度的“峰高”与“谷底”是有区别的，不能一概而论。由于设定温度的目的是为物料温度服务的，显示温度与物料温度在不同工况条件有一定的对应关系。在给料段与压缩段如果设定温度与显示温度值差很小或者没有值差，说明挤出机螺杆在这两段塑化能力较强，剪切热较高，故设定温度不宜过高，如果两者值差较大，说明挤出机螺杆在这两段塑化能力较差，剪切热较低，故设定温度应适当高一些；在熔融段与计量段，如果设定温度与显示温度值差很小或没有值差，说明挤出机螺杆在这两段产生的剪切热与塑料塑化是平衡的，故设定温度不宜过低；如果两者温度值差较大，说明挤出机在这两段塑化能力较强，剪切热较多，故设定温度应适当低一些。总之，设定温度值的高低应保持显示温度始终在物料的塑化温度与降解温度之间运行，物料塑化温度应以挤出机排气孔不冒料或发生“粘壁”现象，型坯从口模挤出不发生分解，质地光滑，颜色纯正为基准。同时应使物料具有一定的压力，以提高制品密实度。熔体压力一方面受机头、口模阻力的制约和影响，一方面是由挤出机给料与挤出速度比所决定的。在确保物料均匀塑化，排气孔不冒料，挤出型坯无老化迹象的前提下，尽量提高熔体压力，是提高制品力学性能的重要条件。 其四是真空冷却定型：熔体物料经口模挤出成型，再经定型模真空冷却方可得到符合设计要求的固体产品。定型模的职责是：（1）依靠真空，使型坯完全保持加工所需要的制品形状和尺寸；（2）利用冷却使熔体型坯均匀固化。型坯真空冷却定型的控制要点是尽量消除其内应力集中现象。否则制品内部集中过大内应力，不仅易发生弯曲变形，而且也使制品抵御外力的能力大幅度下降。 由于塑料异型材属于不对称异形结构，在冷却过程中完全消除内应力是不可能的，但可以通过适当的方法减少其内应力：（1）采用逆向冷却方法，即冷却水进口接在定型模尾部，与型坯冷却方向相反，使型坯冷却缓缓进行；（2）定型模真空度与冷却水应保证制品在紧贴定型模内壁的前提下，依椐型坯截面不同部位持物量多少进行调节。持物料量大一则，冷却量应大一些，真空度应小一些；持物料量小一则，冷却量应小一些，真空度应大一些。使型坯在通过定型模时截面各部位的冷却速度和摩擦阻力尽量均匀一致。（3）利用红外线调温器对型材进行调温，以消除其冷却不均产生的内应力。同时牵引速度应略大于挤出速度，使型材承受一定的拉伸应力，以方便顺利进入定型模为宜。牵引压力在保持牵引不打滑前提下尽量小一些。以适时减少型材通过牵引机时的压应力。 4 型材壁厚 塑料异型材壁厚与其力学性能紧密相关。虽然门窗的抗风压性能主要是依靠装配在型材内腔的衬钢承担的。但门窗框、扇边角相连部位的力学性能还是依托于材料本身和焊缝的强度。如型材壁厚过薄，仍然会影响其抗冲击性能。由于经济条件的限制，我国目前的塑料异型材壁厚与西欧有一定的差距，但最小壁厚不得小于2.2mm。否则塑料异型材各项力学性能亦难以到国家标准要求。 5 型材结构我国目前塑料异型材框可分为三腔、四腔结构，扇可分单腔、双腔、三腔结构。框、扇型材内腔的设置不仅使型材具有增强功能、排水功能、隔热功能，同时也使型材的结构强度大大提高。框、扇型材内腔设置因门窗工作环镜、楼层高度、气候条件不同而有所不同。依据不同环镜、楼层高度、气候条件和门窗受力方向对型材内腔进行科学、合理分割，并在型材边角部位采用圆弧或斜角过渡形式，使门窗荷载能均匀扩散，避免应力集中现象，同时在型材承受落锤试验正投影面内腔侧翼，设置相应的支撑筋，