如何改善共挤彩色型材塑料门窗力学性能
1、序言 自本世纪以来，各类彩色塑料门窗逐渐取代白色塑料门窗，成为塑料门窗市场的主流产品，受到消费者欢迎。尤其PMMA、ASA彩色原料与PVC-U基料采用复合共挤工艺，生产塑料异型材制作门窗，因装饰层具有优异稳定性、耐侯性、耐热性、色彩更加光艳、靓丽，改变了白色塑料门窗和通体彩色塑料门窗固有的质量缺陷，在彩色塑料门窗家族中一枝独秀，得到迅猛发展。但在低温条件下，彩色共挤型材装饰面不耐冲击和采用无缝焊接塑料门窗焊缝易开裂现象，也日渐引起消费者重视。为什么在白色塑料异型材上主体上仅仅共挤一层厚度0.2毫米装饰层，对塑料异型材抗冲击和焊接性能影响那么大？许多业内技术人员也颇为不解。对此，凭笔者多年工作实践，谈一点浅薄认识和处理措施，供行业有关人员参考。不当之处，敬请批评指正。 2、共挤彩色塑料异型材共挤层冲击破裂的原因分析 2.1. PMMA与ASA共挤料低温脆性比聚氯乙烯基料大 玻璃化温度是高聚物一项重要技术指标，通常用Tg表示。在此温度以上，高聚物表现出弹性；在此温度以下，高聚物表现出脆性。因此玻璃化温度也是衡量高聚物脆性的一个标志。硬度是检验材料抗变形能力一项性能指标，硬度越高，材料抗变形能力越大，也就越脆。硬质聚氯乙烯塑料（PVC-U）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、丙烯腈/苯乙烯－丙烯酸酯组成的三元共聚物（ASA）等材料玻璃化温度、硬度指标见表1。 表1 PVC-U、PMMA、ASA玻璃化温度、硬度表
由表一知：PMMA比PVC-U基料有更高的玻璃化温度与硬度，属于高硬而脆性材料。且具有缺口敏感性，在应力下易开裂；ASA玻璃化温度、硬度虽然低于PMMA，也高于UPVC基料，脆性也比UPVC大。在低温环境条件和外力冲击下，共挤材料则容易发生破裂。 2.2. PMMA与ASA共挤料塑化温度高于与PVC-U基料 PMMA ASA二者和PVC-U熔融温度和流变性能差异较大。通常PMMA熔融温度为220—240℃，ASA 表2 共挤型材共挤面尺寸变化率与冲击破裂对应表
两类不同类型聚合物材料在同一模具中复合挤出，会产生界面不稳定性流动，型材挤出后，共挤面和基料之间聚集较大截面与拉伸应力，使共挤面尺寸变化率及差值远大于非共挤面，这也是其在低温环境条件下，承受外力冲击时，更荣易破裂的一个重要因素（见表2）。 2.3. PMMA,ASA共挤料与PVC-U基料线膨胀系数有差异 PVC-U塑料异型材的线膨胀系数是5×10－5/m.k，PMMA的线膨胀系数是6-8x10-6/m.k,ASA的线膨胀系数是9x10-5/m.k。膨线胀系数是指温度每变化1℃材料长度变化的百分率。线膨胀系数不同材料共挤组合为一体后，在一定温度作用下，相互界面之间因线膨胀差值，会积聚相应内应力。内应力越大，抵抗外力冲击性能也就越小； 2.4. PMMA,ASA共挤料粘度大于PVC-U基料 PMMA,ASA共挤料粘度大于PVC-U基料熔体。两种黏度不同聚合物熔体在复合流道中流动时，粘度较低聚合物熔体总有把粘度较高聚合物熔体包覆在中间趋势，低粘度熔体总是向高剪切区流动，会在共挤出界面上产生不稳定流动；表面共挤型材共挤方式是在生产单色型材模具基础上，增加共挤流道，在单色型材的表面覆合一层只有0.2～0.3mm厚度彩色共挤料，仅是PVC-U基料厚度的8.69％～13.6％左右。两种不同厚度料层流动属于不对称流动，随其体积流量增大，压力损失减少，高粘度熔体被低粘度熔体所包围并随粘度比增大而加快；在不对称流动中，两个熔体除共有流动界面外，另一界面均与模具壁接触、摩擦。界面流动状态不仅与熔体粘度、压力损失及流率有关，还与机头流道长径比有关。长径比越大，高粘度熔体被低粘度熔体包围的速度和范围越大⑴。两种不同粘度聚合物在口模内流动差异，则会影响共挤层厚度与两相界面之间粘接强度，在低温和外力作用下，亦容易遭受破坏，而产生破裂。 由以上论述可见，共挤彩色型材承受外力冲击易破裂，除共挤料属于硬脆性材料外，主要是因共挤材料和树脂存在塑化温度、线膨胀系数、粘度的差异，两类物料通过同一个口模挤出时，型材共挤界面之间聚集过大相互作用力所致。 3、无缝焊接彩色共挤型材焊接性能差的原因分析 众所周知，塑料门窗下料时，型材每端焊接余量为3毫米。所谓焊接余量实际上是型材轴向熔融消耗量。当型材每端轴向熔融消耗量为3毫米时，由计算可以得到，两型材端面焊接消耗量则为2.25毫米。由塑料异型材焊接机原理知，2.25毫米焊接消耗量是由加热和对接两部分完成的，其中加热熔融和对接熔融又各分为两个阶段:在加热熔融第一阶段 型材加热面紧贴焊板，随焊机后压钳给进至焊接间隙规定位置，即一边加热一边给进；第二阶段，两型材在规定位置继续被加热板加热，使热量向型材的轴向方向传递，为型材加热面离开加热板后对接挤压作准备。一般型材定位间隙为6.4mm、焊接间隙为16mm，已知加热板厚度为12mm，焊布双面厚度为0.5mm，型材加热熔融量即为： (12+0.5+6.4-16)/2=1.45(mm)? 由计算知，型材加热熔融量与对接熔融量分别占型材额定熔融量66％与34％，两个过程型材熔融量均随压钳给进，从压钳间隙(一般为2毫米)中挤到型材表面,形成焊渣⑵。 彩色塑料门窗无缝焊机和一般塑料门窗焊机有所不同的是。将上、下压钳相对的面设计为刀口，两压钳刀口之间对接间隙仅有0.4毫米，两压钳另一面对接间隙仍为2毫米。在对接挤压第一阶段给进到位时，将加热熔融过程中型材共挤面一侧熔融物形成焊渣切断。在第二阶段给进到位时，共挤面一侧对接熔融量（即0.75mm）仅有很少部分熔融物从压钳刀口间隙挤出，大部分熔融物被迫由型材内腔挤出。在原工艺参数不变情况下，由于对接挤压阻力增加，有可能发生下列三种情况：⑴、压紧力不够，后型材给进时被迫发生后移；⑵、给进压力不足给进不到位；⑶、给进设定时间短，到时间后给进不到位等，致使焊接尺寸偏大，焊接强度大幅度降低。 4、改善共挤型材的冲击性能的相关措施 开始实施的轻工行业标准QB/T2976-2008《门窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）彩色型材》和近期即将颁发的建筑工业标准《建筑门窗用未增塑聚氯乙烯彩色型材》分别规定：对非装饰面落槌冲击，观察并记录破裂试样的个数，应不大于1；对装饰面无论是否破裂，其装饰层与型材间均不应发生分离”，即只记共挤面与型材是否分离，不计破裂个数。但在彩色塑料门窗使用过程中，并不会因为《彩色塑料门窗型材新标准》允许彩色门窗共挤焊接面破裂，不影响到消费者使用。也不会因行业标准对彩色型材冲击性能指标的宽容，消费者会对门窗遭受外力冲击焊缝开裂产生的破坏结果表示宽容与谅解。 作为行业技术人员，有必要把彩色共挤型材制作彩色门窗存在的冲击破裂问题，当做一个重要课题进行研究，以有效改善PMMA,ASA共挤型材冲击性能，进一步提高彩色塑料门窗质量。 经过几年的生产实践，发现共挤型材发生低温冲击破裂，并不是所有型材共挤面都破裂，总有一部分型材共挤面遭受冲击时没有破裂。是什么原因导致共挤面遭受冲击时不发生破裂呢？经过长时间观察认为：除由其原材料本身特性所决定外，也和挤出生产工艺有一定关系。 为消除共挤层与型材主体分离和裂痕，减少共挤层冲击破裂个数，有以下措施，可改善共挤型材的冲击性能： 4.1 调试模具时应尽量减少型材共挤层厚度，应不大于0.2毫米为基准，以降低共挤层对基料牵制作用，减少共挤层低温落槌冲击破坏。 4.2 在不影响型材基料与共挤料塑化前提下，可适当降低共挤机设定温度与口模共挤料一侧设定温度，适当提高口模基料一侧温度，通过减少共挤型材加热后尺寸变化率差值，以降低内应力，减少型材共挤层低温落槌冲击破坏。 4.3 在共挤型材挤出后进入定型模，可适当减少共挤面一则真空度；提高共挤层一则光洁度；通过减少定型模共挤面一侧牵引阻力，降低共挤面拉伸应力，减少型材共挤层低温落槌冲击破坏。 4.4 PMMA与ASA共挤料各有优缺点。在产品的外观光洁度方面，PMMA优越于ASA。在耐老化性能方面PMMA也优于ASA，但在力学性能方面，ASA共挤料比PMMA共挤料优越许多，特别是在低温落锤方面，ASA显得尤其突出。此外ASA还是一种防静电材料，能使产品表面少积灰尘。仅从提高共挤彩色型材抗冲性能角度而言，可以ASA 共挤料逐渐取代PMMA共挤料，以亚光共挤彩色型材取代高光彩色共挤型材，或者采用改性PMMA共挤料，在挤出时能适当减少口模温差，减少型材共挤层低温落槌冲击破坏。 5、提高无缝焊接强度的相关措施 鉴于无缝焊接存在焊机挤压时，存在型材对接熔融物被共挤面一侧压钳刀口阻挡,无法挤到型材表面,仅能从型材内腔一侧挤出，因流动速度差异和距离远近不同,致使焊接尺寸偏大,焊接强度降低问题，焊接时可采取适当提高焊接温度和二次对接给进压力、压紧压力、给进时间等方法处理，以增强熔融流动性，确保挤压给进量，防止给进不到位，使挤压熔融物尽可能都从型材内腔挤出，保证门窗外形尺寸和焊接强度。现通过公司生产80D框时，进行了如下试验，试以验证： 1）采用有缝焊机和无缝焊机，原焊接参数进行焊接试验对比详见表3。 1） 表3 有缝和无缝焊机，按原焊接参数进行焊接试验对比
由表3知：有缝焊接清角与否，对最小焊接破坏力有影响，清角比不清角最小焊接破坏力下降约614N；提高焊接温度至265℃焊接，压力至0.45MPa,可提高最小焊接破坏力约260N；无缝焊接采用有缝焊接工艺参数，最小焊接力FC值下降约1048N。 2）调整工艺参数后，再行焊接试验对比 详见表4。 表4 无缝焊机提高温度或减少时间试验对比
由表4知:在压力不变情况下，无缝焊接提高温度至一定额度，反而比减少时间焊接，最小焊接力FC值减少更多，说明在一定环境温度条件下，焊接温度有一个最佳限值，不到这个限值随焊接温度提高，焊缝强度提高。超过这个限值，焊接强度即会降低。 3）确定无缝焊机焊接最佳工艺参数，详见表5。 表5 无缝焊接调整时间和给进压力试验对比
由表5知： 无缝焊机焊接温度调整至265度，压紧压力和给进压力分别提高0.05-0.1mpa，焊接时间提高至40秒，最小焊接力FC值比有缝焊机焊接分别提高为1460N-1538N，由此可见：和有缝焊接相比，适当微调温度，提高压紧和给进压力，焊接时间等焊接参数，双色共挤型材无缝焊接比原有缝焊接相比，焊接强度不但不下降（验证原有缝焊接并非最佳参数）,反而大幅度提升，只是焊接效率有所降低。 参考文献 ⑴杨忠久著《双色共挤塑料异型材生产工艺及质量缺陷控制》《新型建筑材料》2008年第八期第70页； ⑵杨忠久著《塑料异型材焊接质量缺陷的探讨和控制》《门窗》2007年第十期34页 |
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