影响PVC异型材加热后尺寸变化率的三个因素
影响PVC异型材加热后尺寸变化率的三个因素 哈尔滨中大化学建材有限公司 冯伟刚 摘 要：通过一系列对比试验，分析PVC异型材加热后尺寸变化率影响因素，提出改善异型材尺寸变化率的看法。 关键词：PVC异型材、加热后尺寸变化率 关于PVC异型材加热后尺寸变化率在国家新标准GB8814-2004中有明确规定，即规定加热后尺寸变化率为≤2%。比标准GB8814-98中尺寸变化率为≤2.5%指标有了更高的要求。目前，塑料门窗的制做向采光面积大的方向发展，塑料门窗在做大，所以PVC异型材加热后尺寸变化率应该引起足够的重视。如果不注意这个问题，在制成塑料门窗使用后，经过一段时间的日晒使塑料门窗框、扇变形，大大降低了塑料门窗的密封和保温功能。为了保证塑料门窗框、扇不变形，应该对塑料门窗制造的主要原材料 --- PVC异型材的加热后尺寸变化率影响因素进行研究。本文从原材料、工艺条件、设备条件三方面进行对比试验并浅析。 一、 原材料对尺寸变化率的影响 生产PVC异型材的重要原材料有9—10种，影响到加热后尺寸变化率的有聚氯乙烯、抗冲剂、稳定剂、填料、润滑剂等。 首先，选取二个厂家的PVC树脂进行对比试验，结果加热后尺寸变化率是不一样的。从表1、2可以看出，无论调整机组还是调整产品，不同厂家生产的PVC树脂对异型材的加热后尺寸变化率有影响。这种影响我认为主要是PVC聚合物的分子量分布不同所引起的。厂家2 PVC的分子量分布比厂家1 PVC的分子量分布窄。 不同厂家生产的PVC树脂对尺寸变化率的影响 表1 不同厂家生产的PVC树脂对尺寸变化率的影响 表2 用分子量分布窄的PVC树脂生产异型材，加热后尺寸变化率要比分子量宽的PVC树脂小。这是因为 PVC分子量分布窄，加工温度范围窄，在挤出过程中，部分PVC分子链发生断裂产生分子链交联，使熔体粘度增高，宏观上，异型材的角强度降低，脆性增加导致低温落锤个数增多，在热的作用下分子链恢复自由状态受到交联网络的束缚，使异型材的尺寸变化率减小。 稳定剂的生产厂家和质量不同，对PVC物料在混料和挤出的热状态下稳定效果不同。选取三个稳定剂生产厂家做对比试验，结果见表3、表4。我们知道，PVC树脂在热、光、机械的作用下易产生分解现象，加入稳定剂可以抑制、终结这些分解现象。因为PVC降解要生成多烯序列（>C = C<）组，线型大分子先转化为支链结构，最终转化为交联的体型结构。这种交联结构多，宏观上异型材低温落锤个数增多，但对尺寸变化率影响不大。所以，就异型材加热后尺寸变化率来说，稳定剂对其影响不大。 不同厂家生产的稳定剂对尺寸变化率的影响 表3 不同厂家生产的稳定剂对尺寸变化率的影响 表4 抗冲剂在PVC异型材中主要是提高产品的抗冲性能，虽然可以提高异型材表面的光洁度，但是对异型材加热后尺寸变化率的影响不能忽视。PVC抗冲改性剂一般分为二类：一类是 网络聚合物，另一类是“核—壳”结构共聚物。将二种类型的抗冲剂进行对比试验，发现不同类型的抗冲剂对加热后尺寸变化率有不同的影响，第二类抗冲剂加入到异型材中加热后尺寸变化率小。见表5。 不同抗冲剂的对比试验 表5 这是因为CPE属于网络聚合物（橡胶弹性体），其改性机理是在PVC材料中形成网络。它是依靠加工机械的混炼作用局部地相溶分散于PVC树脂中，可以使PVC的加工熔融粘度降低。由于CPE高分子弹性体均匀分布在PVC树脂中，在挤出成型过程中受到弹性拉伸，以后在热的作用下，弹性体恢复自由状态，异型材表现为加热后尺寸变化率增加，而且随着CPE用量的增加，成型过程中的弹性拉伸增大，异型材加热后尺寸变化率增加。 KM355P、ACR类抗冲剂属于“核—壳”结构共聚物，它由二部分组成，其核是一类低度交联的丙烯酸酯类橡胶聚合物，壳是甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等接枝聚合物，这类特殊的高分子聚合物包围的园形橡胶体形成“核—壳”结构。“核--壳”类改性剂增韧机理通常以银纹—剪切带理论解释较为普遍。 “核--壳”结构改性剂，常通过加入典型的交联单体的共价键进行交联，其核芯具有很好的弹性。壳是具有较高玻璃化温度（Tg）的 高聚物，粒子间容易分离，可均匀地分散至PVC基材中，并能和PVC基材相互作用。由于这种壳PMMA与PVC有一定的作用，相对CPE弹性体在热的作用下，其弹性变形小，表现为异型材加热后尺寸变化率低。 目前，国内异型材生产厂家主要采用的抗冲剂是CPE CPE 用量的影响 表6 CPE 厂家的影响 表7 因为CPE树脂在生产过程中，在最后处理阶段常常加入碳酸钙以防止CPE颗粒粘接结块。CPE厂家不同造成异型材热尺寸变化率不同，我认为是由于碳酸钙颗粒在CPE中分散的不均匀、部分CPE颗粒聚集造成的。一定量的碳酸钙颗粒在CPE中得到充分的分散均匀，这种CPE加入到PVC物料中，使CPE颗粒均匀分散到PVC树脂中，改善了加工性能，生产的异型材加热后尺寸变化率小。相反，由于部分CPE颗粒聚集，使CPE颗粒不能均匀分散到PVC树脂中，局部弹性体多，造成生产的异型材加热后尺寸变化率大。 又由于CPE弹性体聚合物在挤出过程中，出现CPE颗粒弹性拉伸定型，在以后的热作用下，CPE颗粒弹性要恢复稳定状态容易造成异型材尺寸变化率变化。所以，一定量的CPE加入不会引起大的变化。如果CPE用量增大，弹性体增多，弹性拉伸强烈，分子链纵向取向加大，使异型材加热后尺寸变化率就要增大。 碳酸钙的加入不但可以降低原材料的成本，而且可以改善异型材的加入后尺寸变化率。一般来说，碳酸钙增加，异型材加热后尺寸变化率降低，从表9可以看出。表8显示不同厂家生产的碳酸钙对异型材加热后尺寸变化率的影响是不同的。 不同厂家生产的碳酸钙的影响 表8 碳酸钙用量的影响 表9 58框，同一个配方 碳酸钙属于无机材料，在PVC异型材中，碳酸钙粒子填充在PVC分子链间，阻碍PVC分子链的运动，随着碳酸钙量的增加，这种阻碍作用增大，使异型材加热后尺寸变化率降低。碳酸钙厂家不同使异型材加热后尺寸变化率不同的原因是碳酸钙粒度不同，活化方法不同。 综合起来，从原材料考虑，PVC、CPE、碳酸钙是影响异型材加热后尺寸变化率的重要因素。 设备条件对尺寸变化率的影响 生产异型材的主要设备有挤出机、模具。挤出机的重要技术指标之一是挤出机的塑化效果，其效果直接影响到异型材的性能。表10、表11是二组不同生产厂家的挤出机组生产异型材的对比试验。机组2是由于挤出机塑化不均，使PVC粒子与其他组份的粒子分布不均匀，造成挤出过程中部分PVC分子链被强拉伸，分子链纵向取向不均匀，使异型材在热的作用下，尺寸变化率大。 机组不同的影响 表10 58框，同一个配方 机组不同的影响 表11 58框，同一个配方 为了分析模具对异型材加热后尺寸变化率是否有影响，我们将58 框二个模具进行了对比试验，结果发现有一定的影响，见表12。这是因为模头分流锥差异，内腔有差异，造成出料不一样，PVC的分子取向及其结构各异性，异型材就会表现为加热后尺寸变化率不同。 模具不同的影响 表12 58框，同一机组，同一个配方 在此基础上，又做了三组不同异型材断面结构的对比试验，见表13。从表中可以看出异型材的截面积不同，尺寸变化率不同。这可能由于异型材截面积与挤出量有关系，截面积小于挤出量，牵引拉伸变形大所致。 型材断面结构不同对尺寸变化率的影响 表13 相同配方 工艺条件对尺寸变化率的影响 工艺条件这里指的是生产环境温度和异型材生产后的停放时间。 生产的环境温度对异型材的热尺寸变化率有影响，将二种环境温度下生产的异型材进行对比检测后发现（表14），环境温度低的条件下生产的异型材尺寸变化率大。这是由于生产出来的异型材表面及内腔温度与环境温度差距大，异型材急速冷却，内部的大分子来不及舒展就被“冻住”停止运动了，在以后的热作用下，大分子重新舒展，异型材表现为加热后尺寸变化率大。 环境温度对尺寸变化率的影响 表14 异型材在生产出来后，要求停放24小时以后使用。这是因为PVC异型材是含有高分子材料，高分子材料的特点是在成型后需要有应力松弛过程，如果不给足够的松弛时间就进行使用，在热的作用下就发生尺寸变化，而且随着停放时间延长，热尺寸变化率降低。分别做了三种停放时间的对比试验，证实了停放时间对异型材尺寸变化率的影响。 停放时间对尺寸变化率的影响 表15 通过上面的试验与分析可以看出，影响异型材加热后尺寸变化率因素第一是原材料、第二是工艺条件。所以，要降低异型材加热后尺寸变化率，提出如下改善看法： 1、配方设计时应该主要考虑PVC、CPE、碳酸钙生产厂家的选择，选择时要在做对比试验的基础上加以确定；增加CPE的用量提高异型材抗冲性能时，不能忽视CPE用量的增加带来异型材尺寸变化率增大，可以通过增大碳酸钙用量加以控制。这里就有一个既可以提高异型材抗冲性能，又能使异型材的加热后尺寸变化率小，CPE与碳酸钙用量的最佳配比的试验。 2、异型材厂家在采购挤出机组时，应该尽可能采购塑化效果好的。不同厂家的挤出机，应该采用不同的配方体系。 3、要充分认识设备、异型材断面结构对异型材加热后尺寸变化率的影响。从配方、工艺、调整以保证挤出机、模具满足异型材加热后尺寸变化率的要求，确定异型材断面与机组挤出量匹配最佳工艺参数。 4、异型材生产必须保证生产环境温度，生产后的异型材必须停放24小时后才能销售。这一点应该引起异型材厂家的足够的认识。 欲了解详文，见《塑料门窗》杂志08年17期
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