彩色共挤塑料异型材弯曲变形的原因和对策

作者：北京北方国建塑业有限公司 杨忠久

欢迎访问e展厅 展厅 2 塑料挤出机展厅 片材生产线, 单螺杆挤出机, 双螺杆挤出机, 板材生产线, 木塑挤出机, ... 塑料异型材在生产中出现弯曲，主要有以下3种原因：1.口模因素。口模所供物料未能按型材各截面所需物料均匀分配，致使物料偏流。这属于第一类弯曲。2.原料与混料因素。譬如配方中各类原料配混不均、分散性差和流动性不稳。这属于第二类弯曲。3.定型模因素。因异型材各部位截面不同，从口模挤出后，与定型模内壁接触、摩擦面积差异较大，或工艺上采用真空和冷却控制措施不当，致使单面流动阻力偏大、专向型材截面较大、形状复杂一侧弯曲，譬如平开或推拉框型材等。同时，若某型材定型模一侧的结构尺寸和口模偏差大，型材进入定型模时一侧受到的阻力大于另一侧，也会专向一侧弯曲。这些属于第三类弯曲。以上3类弯曲都是行业内多年来一直普遍存在的问题，业内已通过分别采取对应的处理措施进行解决。 自进入21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，深受消费者的欢迎。但PMMA/PVC、ASA/PVC和PVC/PVC等彩色共挤型材在挤出或制作塑料门窗的过程中反复出现的弯曲变形现象，为塑料异型材和塑料门窗行业增加了一道新难题，引起了业界的高度重视。彩色塑料异型材的弯曲变形，受材料、配方构成和工艺等多方面因素影响，原因也有所不同，不能一概而论。在本文中，作者根据其多年的生产实践，总结分析了导致该现象发生的多方面原因。 PMMA/PVC、ASA/PVC彩色共挤塑料异型材弯曲变形的原因 实际上，PMMA/PVC、ASA/PVC彩色共挤塑料异型材之所以容易产生破裂和弯曲变形，均是型材内部聚集的过大的内应力在不同温度、不同状态和作用力下不同的表现形式。 由于PMMA和ASA共挤料和PVC树脂线膨胀系数不同(PVC-U塑料异型材的线膨胀系数为5×10-5/mk，PMMA的线膨胀系数为6×10-6~8×10-6/mk，ASA的线膨胀系数为9×10-5/mk)，因此随型材壁厚的减少，共挤层厚度加大，彩色共挤塑料异型材的弯曲便呈现增大的趋势。所谓线膨胀系数是指温度每变化1℃时材料长度变化的百分率。线膨胀系数不同的材料被共挤组合为一体，从口模挤出后，在定型模冷却水的作用下，膨胀系数大的材料，收缩率也大，共挤层物料收缩后，则会使型材向共挤层一侧弯曲。因此共挤型材与白色型材相比，发生弯曲的几率比较高。 除以上因素外，PMMA、ASA等材料的塑化温度和黏度等参数也均大于PVC材料，两类不同类型的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，共挤面和基料之间会聚集较大的截面与拉伸应力，使共挤面尺寸变化率及差值远大于非共挤面。 由以上论述可见，共挤彩色型材承受外力冲击易破裂或弯曲变形，除共挤料属于硬脆性材料外，主要是因为共挤材料和树脂之间存在塑化温度、线膨胀系数和黏度的差异，因此两类物料通过同一个口模挤出时，型材共挤界面之间易聚集过大的相互作用力所致。 PVC/PVC彩色共挤塑料异型材弯曲变形的原因 PVC/PVC彩色共挤塑料异型材向共挤面一侧弯曲基本属于第四类弯曲，但和PMMA/PVC、ASA/PVC彩色共挤塑料异型材有所不同，它与材料本身的特性关系不大，除以上因素影响以外，还与挤出生产时采用两类不同机型、配方、工艺参数及模具结构有关。 第一，各类型材截面具有的共挤料和基料量比例差异较大，若采用的共挤机与主机型号、规格不能与各自挤出量相匹配，那么两类物料在各自的挤出机内承温时间就会有所不同。某些企业为了防范共挤彩料在共挤机内承温时间过长而出现共挤料“过热”现象，而在工艺操作时将共挤机的温度设定得很低，仅在155~160℃左右，和主机180~185℃的正常塑化温度差距很大，使得两类物料塑化不同步。也有某些企业在共挤料配方中采用加大内、外滑剂用量的办法。内滑剂虽然有利于促进物料分散，但却降低了树脂黏度和熔体强度，使共挤料PVC分子之间易发生相互滑移。外滑剂虽然对型材的光洁度有利，但并不会增加光洁度，光洁度主要是型材塑化是否良好的表征（即“熔体模”）。 口模、定型模与外滑剂只起保护“熔体模”不遭受破坏的作用，如果外滑剂的添加量过多会推迟塑化，致使析出严重，影响型材外观和内在质量性能。 第二，为了提高共挤面的老化性能，有些企业采用的共挤料配方中减少了含钙量。在型材存在内应力的情况下，由于两类配方中碳酸钙的含量差别会致使PVC分子链产生不同的旋转和移动能力，因此共挤料在加热后的尺寸变化率远大于基料。 第三，白色型材的熔压主要是由口模压缩比和温度所决定的，而PVC/PVC彩色塑料共挤型材共挤料经过口模时有专用流道，和基料不汇合，其熔压一般不受口模内壁和分流锥压缩比的制约和影响，若共挤料在口模专用流道内压缩比过小、密实度低，和主机基料熔压差异较大，则塑化不同步、收缩率不均衡，从而产生较大的取向应力。 第四，彩色共挤料一般具有颜色差异、流动性不同等特点。譬如，在一定的温度条件下，烟灰色出料特别慢，深褐色出料又特别快。这种流动性上的差异，必然造成彩色共挤型材向共挤层一侧（或反向）弯曲。 经过生产中反复的实践验证，后两种原因往往对共挤型材弯曲起到了决定性作用。而以上几方面因素的叠加，会使PVC/PVC彩色共挤型材共挤层和基料层界面之间聚集很大的取向应力。当型材处于常温、静止的状态，取向应力等于或小于型材的本体强度时，型材虽然能保持外观形状或尺寸静止不变，但随着环境温度变化，则会以尺寸收缩或膨胀的形式将内应力释放出来；当取向应力超越型材的本体强度时，超越部分的应力则会以型材弯曲的形式释放出来，其弯曲程度还直接受共挤层所占型材面积大小比例的制约和影响；当型材在低温状态下承受外力动态冲击时，取向应力则会在共挤层和基料界面之间以相互分离、破裂或可视面裂纹的形式得以体现。 抑制彩色共挤塑料异型材弯曲的对策 1.处理塑料异型材弯曲的基本措施 通过以上的分析可知，要解决彩色共挤塑料异型材弯曲和共挤层离层等问题，同白色塑料异型材一样，首先应认真检查口模的两侧出料是否均衡。若物料从口模挤出后一直专向某一方向弯曲，可基本确定为口模出料不均，此时应立即停机，修理对应的口模分流锥，使口模所供物料能按型材各截面所需物料进行均匀的分配。 如果型胚从口模挤出后弯曲方向不定，时而向这个方向弯曲，时而向那个方向弯曲，应通过改善混料工作质量或更换有关原料进行处理。 当型胚从口模均匀挤出后，如果通过定型模才发生弯曲，可通过打磨流动性差的一侧的定型模面内壁或在不影响型材的定型情况下，适当降低定型模阻力大的一侧的真空度，增加其冷却水量，同时提高定型模阻力小的一侧的真空度，减少其冷却水量，在二者的共同作用下纠正型材的弯曲状况。 行业内的某些企业在处理塑料异型材弯曲的情况时，普遍存在以下3个认识误区： （1）当口模出料不均时，用调整口模温度处理口模偏流问题。虽然该方法可以使型材物料欠缺的部位在物料容积膨胀后从口模均匀挤出，但并没有给型材物料欠缺的截面有效地补充相应物料，从而降低了缺料部位的熔体密实度，导致型材局部熔压不均，加热后尺寸变化率差值增大。 （2） 用定型模的“热胀冷缩”处理口模偏流问题。虽然在自然状态下，在型材弓面冷却、凹面加热，对处理型材弯曲有一定效果。但在定型模的强制作用下，进行这样的处理会使结果适得其反。当物料流动较快的一侧型胚进入定型模后，在定型模内壁的约束下，必然会充满定型模的该侧空间，若加大该侧定型模的冷却程度，则会使定型模的摩擦阻力减少，移动速度进一步加快；当物料流动较慢的一侧型胚进入定型模后，因未能充满定型模而摩擦阻力较小。若减少该侧定型模的冷却程度，则会致使该侧型胚的温度升高，摩擦阻力增加，移动速度进一步减慢。在两者的作用下，型材弯曲变形不但得不到有效控制，反而会加剧。因此在口模挤出偏流较轻，采取定型模冷却的方法进行调整时，应反其道而行之，即减少型材弓面一侧的冷却水量；或是加大凹面一侧的冷却水量，以抵消口模部分物料出料不均所产生的弯曲应力，这样也可能收到一定的效果。当型胚从口模挤出后偏流较严重时，采取该方法则毫无效果。 （3） 用抬高、降低或偏移定型模等机械“反向纠偏”的方法调整口模偏流问题。口模和定型模的水平和同心度是保证型材不弯曲的必要条件。因此，采用该方法进行调整时，若调整幅度过小，型材仅产生弹性变形，静置一段时间后又会恢复到原始状态；若矫枉过正，调整幅度过大，型材产生塑性变形，又会反方向弯曲；即使调整幅度适当，纠正了型材弯曲，聚集在型材内部的拉伸应力或压缩应力又会影响其内在质量性能。 经过多次生产实践的反复验证：以上3种方法都是不妥当的，应引起行业内各企业的注意，避免再次进入这些误区。 2.处理PMMA/PVC、ASA/PVC彩色共挤塑料异型材弯曲的对应措施 除以上所列处理塑料异型材弯曲的基本措施外，处理PMMA/PVC、ASA/PVC彩色共挤塑料异型材弯曲的对应措施还有以下4个： （1）减少共挤型材口模共挤层的厚度，消除共挤层收缩对型材基料的牵制作用。 （2）按国标规定的各类型材厚度进行生产，尽量不生产厚度减薄型材，从而增加型材基料对共挤层收缩的抵制作用。 （3）适当加大定型模型材基料层一侧的冷却水量，减少真空度，从而减少其流动阻力；适当减少定型模共挤层一侧的冷却水量，增大真空度，从而加大其流动阻力；通过两者的共同作用，使型材产生向基料层弯曲的趋势。 （4）适当垫高中间定型模，迫使经过定型模的型材反向弯曲。 3.处理PVC/PVC共挤型材弯曲的对应措施 处理PVC/PVC彩色共挤塑料异型材共挤层的离层和弯曲，除前述基本措施外，对应的处理措施有以下3个： （1）使共挤料和基料配方中的各类原料组分、用量尽量保持一致。 （2）在型材生产时，务必保证主机和共挤机的温度及口模温度和熔压趋于一致，确保两类物料同步塑化，消除其界面聚集的内应力，提高其熔融强度，且不可单方面降低主机或共挤机的工艺温度。各类型材对共挤料的需求量有所不同，共挤料在机内停留时间也不可能和基料保持完全一致，相对而言共挤料挤出线速度较低，螺杆剪切热也相应减少，更需要外加热予以适量补充。因共挤料在机内停留时间长，降低共挤机各段设定温度势必不利于共挤料塑化。无论什么规格、剪切性能和挤出量的锥形双螺杆挤出机，在温度可控的状态下，都可以通过优化工艺温度来实现在同一工艺温度条件下挤出。当共挤机或主机显示温度不受设定温度控制时，应通过调整共挤机或主机螺杆温度，给料速度等工艺参数，尽量使显示温度在设定温度的区间运行。从真空孔观察，如果没有“冒料”和“滑壁”现象，依据螺杆结构不同，物料大致充斥螺槽2/3或1/2的空间，呈“橘皮”或“豆腐渣“状紧包覆于螺杆，且螺杆底部没有粉料存在，这种状况是比较适宜的。 （3）当共挤机或主机螺杆磨损严重、电器仪表出现故障时，应适时对设备进行调整、处理或更新，切忌“带病”运行，以免影响熔体塑化或型材变色。 值得一提的是，在处理PVC/PVC彩色共挤塑料异型材弯曲变形或共挤层离层时，行业内某些企业也存在以下两个认识误区： (1) 以牺牲塑化为代价来保老化。物料良好塑化是型材各项性能的基本要素。PVC物料“过塑化”会产生老化变色，影响型材各项性能；“欠塑化”也会影响型材各项性能。在正常塑化条件下，若型材发生老化变色，应从其他方面查找原因，而不应该采用低温工艺操作来抑制其变色，影响型材的各项内在质量性能。共挤料变色，除老化降解外，和稳定剂品种与挤出机螺杆装配质量或磨损程度有关，随稳定剂酸碱度或螺杆间隙变化而随机变化。当共挤料颜色变化时，应分清原因，对症处理，切忌采取增加配方中的润滑剂用量来减缓塑化。同时，生产共挤型材时，不要轻易变动稳定剂品种，在共挤机正常运行状态下，当采用同一类稳定剂而共挤料发生老化变色时，可适当调整稳定剂用量，提高共挤料的热稳定性。鉴于稳定剂本身添加有不同比例的润滑剂，在增加热稳定剂用量后，还应依据实际情况，适当地减少对应的润滑剂，否则也会影响塑化。 (2) 曲解碳酸钙和型材老化的关系。某段时期，一些企业生产的添加了大量碳酸钙的钙塑门窗型材出现老化降解是不争的事实。但实际上，型材老化和碳酸钙加量没有必然联系。碳酸钙本身作为无机物，比PVC树脂的抗老化性能更好。之所以添加碳酸钙会出现型材老化，其原因是使用了目数很少的碳酸钙，钙粒子之间存在较大缝隙，使得紫外线可直接穿透进入PVC本体，加之物料分散不均，于是未充斥钛白粉、紫外线吸收剂和抗氧剂等助剂的部分型材截面便极易发生局部老化变色。因此，老化变色的是PVC材料本体，而并非是碳酸钙。这种现象能随碳酸钙目数的增加而有所改善。 但过多添加碳酸钙，确实也容易在低温下使材料的韧性变差，在阳光强辐射作用下使材料粉化，其原因在于：一方面，型材中碳酸钙添加份数过多，占据了一定体积，使承受应力的制品的单位面积截面上，PVC树脂的量被减少；另一方面，碳酸钙活化或偶联处理不好，与PVC缺乏相容性，两者之间无分子作用力，碳酸钙颗粒之间相互结合力也差，因而型材出现“粉化”不可避免，但并不会使型材变色。需认识到型材“粉化”和老化变色有所区别。当然，型材中碳酸钙含量过多，即使没有发展到粉化程度，也会影响到型材的冲击性能，无论是共挤料还是基料都应该严格限制碳酸钙含量，并且要实现两类配方中的钙含量基本一致。(end)

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