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優質塑料異型材生產是一個系統工程,不是某一個或某幾個因素變化所能決定的,需要配方、原料、混料機、擠出機、工藝、模具等因素整體優化,有機協調。本文概括出生產門窗用優質塑料異型材的十大要素,為業界企業提高型材質量提供理論與操作參考。本期刊載此文上篇,下篇請關注本刊下期雜誌。
Quality profiles production is an integrated process that combines a host of features such as formula, material, blender, extruder, processing technology, molds, etc. This two-part article introduces the 10 most important aspects of manufacturing quality profiles.

生產優質塑料異型材需要配方、原料、混料機、擠出機、工藝、模具等因素整體優化,有機協調。配方的職能是和工藝共同促進塑化,給型材提供門窗所需要的各類工作性能;設備和工藝的職能是確保物料在一定溫度和剪切作用下均衡塑化,抑制物料過熱分解;模具的職能是決定物料在均衡塑化條件下良好成型和定型,加工成為達到設計所要求的塑料異型材製品。概括起來決定和制約塑料異型材質量水平的要素共計有十項。

1. 型材標準規格和壁厚

要點:設計型材模具時,應嚴格執行JB/T176-2005《塑料門窗及型材功能結構尺寸》標準指標。實測值指標應大於或等於設計值指標。

優質塑料異型材首先必須按塑料門窗及型材功能結構尺寸指標進行設計,各項設計參數應達到JG/T180-2005《未增塑聚氯乙烯(PVC-U)塑料門》與JG/T140-2005《未增塑聚氯乙烯(PVC-U)塑料窗》及《門窗用未增塑聚氯乙烯(PVC-U)彩色型材》等標準的要求。以上標準對平開和推拉門窗型材壁厚和焊接角最小破壞力指標都有明確規定。

據計算型材可視面壁厚小於2.8或2.5毫米,腔體高度低於50毫米窗框,低於64毫米門框,低於57毫米內外開門扇,低於23毫米內開扇,低於31毫米外開扇計算的焊接角最小破壞力均會低於標準值。為從源頭上保證平開門窗質量,設計型材模具時,應嚴格執行JB/T176-2005《塑料門窗及型材功能結構尺寸》標準指標。

在生產檢驗中,實測值指標應大於或等於設計值指標。如果設計值小於標準值,說明型材規格或壁厚有問題,如果實測值小於設計值,說明型材配方、型材截面結構存在擠出及焊接工藝問題。尤其是推拉扇型材焊接角最小破壞力設計值僅有1400N,為所有主型材最小值,除承擔本身和玻璃載重外,還承受動態開啟載荷和室內外溫度、風荷載及外力作用,受力狀態相對比較複雜。隨著建築節能政策實施,現在門窗大都採用真空或中空玻璃,重量較重,又大多在冬季最寒冷氣候安裝,如果購置扇型材壁厚偏離標準規定的2.2毫米,僅有1.6-1.8毫米,且規格偏小,高度低於58毫米,不僅焊接角最小破壞力值更小,且聚集很大拉伸內應力,抵禦承重和外力的性能更低,在門窗工程中發生焊縫開裂和型材破裂幾率會很高。

2. 原料組分良好分散性

要點:關注混料程序和每鍋加料量;料體積不超過混料罐的55-75%;留意熱混罐出料閥門是否洩漏。

塑料異型材混料工段有兩個基本職能:一是通過混料機槳葉高速旋轉,對物料進行擴散、對流、剪切,降低各物料組分之間的濃度差,使各類物料能均勻分散;二是促進物料膠凝化。

熱冷混料溫度、出料時間,加料程序及每鍋原料最大容量等技術指標是否符合要求關係到物料分散性和膠凝化是否良好。若上述指標達不到所規定技術指標,會使混合料組分不均勻,影響物料凝膠化。這樣的混合料即使擠出機擠出塑化程度再高,都無法生產出質量優質的塑料異型材。

目前除自動化程度較高的大型企業外,一般採取人工加料的中小型型材企業普遍對混料程序和每鍋料加料量有所忽視。大部分依然採取“一鍋燴”加料方式。由於熱穩定劑未提前加入,不能充分發揮對PVC樹脂的熱穩定作用;內潤滑劑未提前加入,則會影響物料的初步凝膠化和分散效果;加工助劑過早加入會優先吸收鉛鹽穩定劑,使PVC接受量減少,導致混料穩定性下降;鈦白粉過早加料會影響製品表面光潔度和色澤,且對混料罐磨損較大;碳酸鈣過早加料,不僅對混料罐磨損較大,而且會優先吸收內潤滑劑;外潤滑劑加料過早會使混料摩擦與剪切熱降低,影響混料效果與穩定劑分散性能;色母料加料過早會影響彩色型材色澤等。因此,為保證混合料質量,至少應分三步加料,第一步混料機啟動後首先加入樹脂、穩定劑、內滑劑;混料到達60℃時再行加入加工助劑和衝擊改性劑;混料至85-90℃時再加入鈦白粉、碳酸鈣及色母料。使混合料能達到充分分散和一定程度的凝膠化,又能有效延長混料機工作壽命。

混料機設計時一般都設計有最大加料量,每鍋料體積不得超過混料罐的55-75%。若超過這個量,則會造成混料時物料攪拌不均,局部物料升溫過快,物料尚未凝膠化,便從熱混罐排出,影響混合料質量和分散性。少於這個量,混合料得不到充分攪拌,摩擦與剪切,同樣影響混合料質量。因此混料時一定要嚴格控制每鍋料的加料量,嚴防加料過多或過少。

此外熱混罐出料閥門是否洩漏,往往被人所忽視,致使熱混時,部分物料提前排出熱混罐,未能達到充分分散效果。因此混料時,應嚴格關注熱混料閥門的洩漏情況,及時處理。

3. 韌性和剛性指標的平衡

要點:不同檔次的型材抗衝擊改性劑和碳酸鈣有不同的平衡條件,標準型材、低標型材兩者平衡條件差別很大。隨碳酸鈣劑量增加,衝擊改性劑也需相應加大。

型材“新國標”性能指標共計15項,除型材外觀性能指標外,涉及型材物化性能的指標共10項。按功能分,除老化性能、150℃加熱後狀態外,大致可分為剛性指標與韌性指標兩大類。其中彎曲彈性模量、維卡軟化點、可視面加熱後尺寸變化率、兩可視面加熱後尺寸變化率之差大致屬於剛性指標範疇;低溫落錘衝擊、簡支樑衝擊強度、拉伸衝擊強度大致屬於韌性指標範疇,其中可焊性同時屬於剛性和韌性兩大指標範疇。

在擠出生產時,型材剛性和韌性兩項指標互為作用和影響,剛性過高,必然會影響韌性;韌性過高,必然又會影響剛性。並不是哪項指標越高越好,而是在滿足門窗桿件承受外力時,既不發生塑性變形又不破裂,兩項指標相互平衡為基準。

事關型材韌性和剛性指標平衡的功能類助劑主要是抗衝擊改性劑和碳酸鈣。不同檔次的型材抗衝擊改性劑和碳酸鈣有不同的平衡條件。經筆者多年研究驗證:標準型材、低標型材兩者平衡條件差別很大。隨碳酸鈣劑量增加,衝擊改性劑也需相應加大。當衝擊改性劑增加至一定程度進入平台期時,即決定了碳酸鈣的最大加量。譬如要保證1.5米低溫落錘衝擊、拉伸衝擊、簡支樑衝擊等項指標達標,碳酸鈣最佳加量為16-25份,超過這個量,以上三項韌性指標很難達標,尤其是採用自動化混料和輸送的大型企業,由於碳酸鈣加量過大,混合料在輸送過程中易發生組分重新分離,更是如此;即使韌性和剛性對應平衡從理論上弄清楚了,但在生產實踐中要真正實現對應平衡,還是一個未知數,絕非一朝一夕之功。就像老中醫開藥方一樣,哪道藥應抓多少,應該辨證施治。譬如為確保型材質量,隨碳酸鈣劑量增加,抗衝改性劑也須對應增加。但增加到什麼幅度,最有效?增加到什麼幅度,作用不明顯或不起作用?還需要經過長期生產檢驗摸索確診,每個環節都不能忽視,不斷總結經驗才得以實現。

隨原材料漲價,一些中小型生產企業雖然型材規格、壁厚達標、工藝上也採取一些優化措施,型材碳酸鈣加量到40-45份,也能保證型材1米低溫落錘衝擊和焊接性能合格,但1.5米低溫落錘衝擊和拉伸衝擊、簡支樑衝擊等韌性指標則會相差很遠。鑒於這些企業均不具備以上質量性能檢驗條件,因此未能引起應有的重視。該類型材充其量僅能算是低標型材;目前市場上碳酸鈣填充量達到80-90份的型材,可以說沒有任何質量性能而言,無疑純屬於非標型材範疇。

其餘功能類助劑鈦白粉、紫外線吸收劑、抗氧劑等均是和型材抗老化性能有關的助劑。對於PVC-U型材擠出而言,這些無機物或有機物均會影響塑化。因為其價值昂貴,企業一般都不會過多添加。但若加量偏少,則會影響型材老化性能。

企業要想型材達到國家標準指標,務必要通過功能類助劑組分的優化調整,使型材韌性和剛性指標相對平衡,其性能與成本之間也能達到最優化匹配。

4. 加工潤滑和摩擦的平衡

要點:若穩定劑加量不足,即使配方中功能類助劑再好且加量再足,也無濟於事。潤滑劑是配方的核心技術,不容忽視。

配方中加工類助劑中熱穩定劑、加工助劑、內外潤滑劑等也對型材塑化質量有很大影響。加工類助劑和擠出工藝相協調,重點解決的是物料塑化問題。型材所具備的各項性能都是以在一定熔壓條件下,良好塑化為前提的。要保證物料良好塑化,在塑料異型材加工中必須添加穩定劑,並經熱穩定試驗,確定其添加份數。生產實踐證明:若穩定劑加量不足,即使配方中功能類助劑再好,加量再足,也無濟於事。大量事實證明:目前塑料門窗工程安裝或竣工期間發生的框扇泛黃、變色問題,除增白劑與群青的褪色因素外,也和配方中添加的穩定劑質量和劑量有關。

潤滑劑和加工助劑是型材擠出中添加的微量加工類助劑,但在型材中發揮著不可取代的重要作用。其中硬脂酸是以內滑為主兼有外滑作用的滑劑,熔點為70-71℃,其加量和碳酸鈣品種和劑量密切相關,型材配方中若採用輕鈣,須採用硬脂酸活化處理,可適當多加,劑量大致為0.5-0.8份;若採用活化鈣,可隨鈣加量對應填加。例如鈣含量大致為20份以下,其劑量大致為0.1-0.2左右;鈣含量在30份以上,其劑量大致為0.3-0.4份;石蠟為外潤滑劑,熔點為50-60℃,屬於前期外滑劑,額定用量為0.05-0.2份,當擠出機供料段與壓縮段“過塑化”,表現為真空孔熔體過分光滑,內壁出現粘壁或掛料現象,可適當多加;硬脂酸鉛為外滑兼內滑潤滑劑,熔點105-112℃,額定用量一般是0.1-0.4份,當擠出機熔融段與計量段熔體“過塑化”,表現為擠出時型坯內筋發泡彎曲,可適當多加;PE蠟為中後期潤滑劑,熔點為105-115℃,當擠出機熔融段與計量段熔體“過塑化”,表現為型坯擠出時內筋發泡彎曲,可適當多加。型材光亮度是熔體良好塑化結果。

除功能性助劑使用外,潤滑劑在配方中,技術含量較高,調整難度較大,是配方核心技術,對型材質量影響不可低估。務必要根據潤滑劑不同潤滑作用,優化匹配,對應平衡,適量添加。

5. 擠出機所供熱量與型材所需熱量的平衡

要點:要實現擠出機所供熱量與型材塑化所需熱量平衡,必須兼顧設定溫度和擠出/給料速度比的平衡。

鑒於PVC-U加工既需要一定溫度熔融成型,對溫度又特別敏感。單位體積的物料由玻璃態轉化為熔融態所需的熱量應基本一致。過多或過少都不利於其成型和內在性能。因此擠出機擠出時所提供的熱量應和其加工成型所需要的熱量相平衡。擠出所提供的熱量有兩種,一種是外熱,一種是擠出機剪切作用所產生的內熱。擠出機設定溫度僅能控制加熱圈所提供的外熱,內熱由擠出速度和給料速度比所決定。要實現擠出機所供熱量與型材塑化所需熱量平衡,必須兼顧設定溫度和擠出/給料速度比的平衡。

擠出機各段設定溫度區域有不同的工作職能,其中給料段和壓縮段為加熱區;熔融段和計量段為恆溫區,機頭合流芯、過渡段、口模等為保溫區。給料段和壓縮段是為加速物料塑化服務的,溫度設定應高一些。熔融段和計量段是為防止熔體加熱分解服務的,溫度設定應低一點,主要是適時停止外加熱,並實施冷卻作用;機頭合流芯、過渡段、口模是為保護熔體本身熱量不受損失,保證熔體最佳溫度狀態下擠出成型,溫度設定應高一些。型材擠出操作應對應、合理、優化設定工藝參數,即使擠出機運行出現異常,也便於及時發現並處理,保證物料良好塑化,有效延長擠出機工作壽命。
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