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擠出U－PVC門窗異型材配方設計

來源:中國門窗&配套材料網(wǎng) 　作者:* 　日期:2009-7-9
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硬聚氯乙烯（PVC－U）門窗異型材是由PVC、穩(wěn)定劑、抗沖擊改性劑、加工助劑、填料等按一定的配方配混、擠出成型的，PVC及助劑的選用對制品的性能有很大影響。隨著擠出硬PVC-U門窗異型材及塑料門窗行業(yè)的高速發(fā)展，相關的PVC及助劑行業(yè)也有了新的進展。
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1　樹脂及助

   硬聚氯乙烯（PVC－U）門窗異型材是由PVC、穩(wěn)定劑、抗沖擊改性劑、加工助劑、填料等按一定的配方配混、擠出成型的，PVC及助劑的選用對制品的性能有很大影響。隨著擠出硬PVC-U門窗異型材及塑料門窗行業(yè)的高速發(fā)展，相關的PVC及助劑行業(yè)也有了新的進展。

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    1　樹脂及助劑的選擇
    1.1　PVC
    生產(chǎn)PVC-U門窗異型材的，一般都使用懸浮法生產(chǎn)的疏松型PVC(SG-5)。特別需要指出的是，生產(chǎn)PVC原料的乙烯宜選用石油裂解法生產(chǎn)的，最好不用電石法生產(chǎn)的。

    1.2　熱穩(wěn)定劑
    (1)熱穩(wěn)定劑的常用品種
    鉛類熱穩(wěn)定劑　在鉛類熱穩(wěn)定劑中，三鹽基硫酸鉛的熱穩(wěn)定性最好，應用最廣;二鹽基亞磷酸鉛的熱穩(wěn)定性和耐初期著色性顯著，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(wěn)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(wěn)定劑的發(fā)展重點在于消除粉塵污染，開發(fā)復合型鉛鹽。南京、溫州、重慶是國內三大無塵復合鹽生產(chǎn)基地，制造時大多是配合脂類潤滑劑，產(chǎn)品有粒狀、片狀，可較好地解決粉塵污染問題。

    金屬皂類穩(wěn)定劑　依其功能和機理分為主輔兩類。主金屬皂以CdZn為主，輔助金屬皂類穩(wěn)定劑以Ba.Ca為主，主輔助金屬皂配合使用，具有協(xié)同效應，具有代表性的是Ba-Cd，Ba-Zn和Ca-Zn。國內常用的為Ba-Zn和Zn-Ca體系。
    有機錫穩(wěn)定劑　有機錫類穩(wěn)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(wěn)定劑　有機輔助穩(wěn)定劑通常與金屬鹽穩(wěn)定劑并用，具有協(xié)同效應，主要包括亞磷酸脂、環(huán)氧化合物、多元醇、含硫輔助穩(wěn)定劑、β－二酮輔助穩(wěn)定劑。
    稀土穩(wěn)定劑　稀土穩(wěn)定劑是我國新近開發(fā)出的新型熱穩(wěn)定劑，具有價廉、無毒、性能高、透明性好、儲存穩(wěn)定、耐候性優(yōu)良等優(yōu)點。實際使用的稀土穩(wěn)定劑通常是稀土與金屬鈣或鋅的有機配混復合物。
    (2)熱穩(wěn)定劑的選用
    不同國家和地區(qū)使用熱穩(wěn)定劑的種類差別較大。美國熱穩(wěn)定劑的構成特點是有機錫類穩(wěn)定劑產(chǎn)量較高，鉛鹽穩(wěn)定劑比例低，熱穩(wěn)定劑的開發(fā)方向是無鉛、無鉻化。日本鉛鹽穩(wěn)定劑的用量偏高，占50%以上，主要用于生產(chǎn)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類和有機錫類。在歐洲，傳統(tǒng)的熱穩(wěn)定體系是Ba.Cd.Pb系，迫于環(huán)保的壓力，型材生產(chǎn)廠開始試用新的熱穩(wěn)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用氯化聚乙烯(CPE)和丙烯酸脂共聚物（ACR）來提高PVC的抗沖擊強度和耐候性。
    CPE抗沖擊改性劑　CPE的含氯量對改性PVC性能影響很大。UPVC門窗異型材用抗沖擊改性劑CPE含氯量為36%左右。CPE與PVC不相容，但如果溫度過高或施加過大剪切力，CPE可能會熔融在PVC中，使性能大大降低，因此CPE配方加工范圍很窄。CPE在PVC中理論加入量為10%-13%。
    ACR類抗沖擊改性劑　ACR改性劑是將甲基丙烯酸甲脂接枝在烷基丙烯酸脂彈性體制成的。ACR類抗沖擊改性劑適用于戶外使用的UPVC塑料制品。與其他抗沖擊改性劑相比，ACR具有加工溫度范圍較寬、抗沖擊效果明顯、耐老化性能優(yōu)良、兼有加工助劑的作用等特點。ACR尤其適用于型材的高速擠出。

    1.4　潤滑劑
    在UPVC門窗異型材成型加工用潤滑劑中，復合潤滑劑是最近的發(fā)展方向，其優(yōu)點在于:內潤滑性和外潤滑性比較均衡。常用的復合潤滑劑有石蠟烴類復合潤滑劑、金屬皂和石蠟烴復合潤滑劑、脂肪酰胺與其他潤滑劑復合物、以褐煤蠟為主體的復合潤滑劑、穩(wěn)定劑與潤滑劑復合體系等。

    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(xiàn)有的PVC用高分子加工助劑有ACR、MBS、ABS、E/VAC、CPE、PVC-VC等，其中最有效的是ACR。
    PVC加工助劑的開發(fā)趨勢是高效功能多樣化，當今應市的產(chǎn)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(wěn)定性能等。國內PVC加工助劑的產(chǎn)量及品種數(shù)量都明顯低于國外發(fā)展水平，目前國內有上海珊瑚、蘇州安利、山西省化工研究所、湖南寶應化工廠等科研生產(chǎn)基地。

    1.6　填　料
    近年來，隨著填料制備技術的不斷發(fā)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(lián)劑處理填料。工業(yè)上常用的偶聯(lián)劑按化學結構可分為硅烷類、鈦酸酯類、鋁酸酯類、鋯類等幾大類。
    1.7　著色劑
    PVC-U門窗異型材用著色劑，除了應具備的基本性能(顏色、著色力、遮蓋力、耐光性和耐候性)外，還應考慮擠出加工條件的穩(wěn)定性。異型材高速擠出已成為目前的發(fā)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著色劑能完全溶解的溫度，從而引起顏料顏色的變化。例如，PVC的溫度上升，可使顏色從紅色變?yōu)槌壬蛘邚某壬優(yōu)辄S色。PVC-U門窗異型材以白色的耐候性和耐老化性最好。

    1.8　其它特種助劑
    (1)化學發(fā)泡劑
    化學發(fā)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(fā)泡促進劑，如穩(wěn)定劑等。常用穩(wěn)定劑所起活化順序是: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(fā)泡劑的發(fā)展趨勢是將吸熱和放熱型化學發(fā)泡劑復合以獲得最佳性能。放熱型化學發(fā)泡劑提供低密度所需的氣體體積和壓力，而吸熱型化學發(fā)泡劑則賦予制品穩(wěn)定、細密、規(guī)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建材用低煙難燃級產(chǎn)品開發(fā)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。總后勤部軍需裝備研究所經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，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%。


    2　配方設計及評價
    PVC-U異型材的配方設計是一項復雜的工作，必須考慮制品的性能指標、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(wěn)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、生產(chǎn)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(shù)獲得最優(yōu)配方，可采用正交優(yōu)化試驗方法。

    2.2　PVC及添加助劑的選用依據(jù)
    選用PVC及添加助劑主要根據(jù)制品的性能要求與原材料的特性之間的關系確定。  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(wěn)定劑等都會影響其流動性能。合理的配方應保證PVC-U具有適宜的流動溫度和良好的成型加工性。
    光、熱穩(wěn)定性　改善PVC熱穩(wěn)定性的主要方法是加入熱穩(wěn)定劑，選用熱穩(wěn)定劑時要從熱穩(wěn)定性能(包括在加工初期和加工中后期的穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定劑的場合，往往配合作用一定量的二鹽基亞磷酸鉛。無機填料金紅石型二氧化鈦具有優(yōu)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(wěn)定性，但應注意金紅石型二氧化鈦與紫外線吸收劑具有相互抵消作用。

    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(lián)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，可添加橡膠或彈性高聚物，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(wěn)定劑，則應適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(guī)定的指標為主。當然，可用模塑料制成標準試樣來試驗，但用模塑料得到的指標一般要優(yōu)于用同樣配方擠出型材的指標。
    PVC－U的加工過程通常由配料、塑化、成型、定型等步驟組成。GB8814－1998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(yōu)劣作用初步評價。加工性能測試的核心是物料的塑化特性和熔體的流變性。
    評價加工性能的設備主要有雙輥開煉饑、毛細管流變儀、轉矩流變儀、實驗單螺桿擠出機、小型雙螺桿擠出機等。

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