塑料异型材性能影响因素和应对措施

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20世纪90年代，除了个别经营高填充型材的企业外，一般的型材企业添加的碳酸钙含量并不高，仅在8~10份左右，型材壁厚大多在2.0~2.5mm左右。国家化学建材检测中心的统计资料表明，不少企业生产的型材，通常较难满足低温落锤冲击指标要求，且普遍存在尺寸变化率偏高及弹性模量偏低的现象，但在简支梁冲击性能方面则不存在太大的问题。究其原因，导致低温落锤冲击性能超标的主要症结在于型材截面和挤出工艺方面的问题，而非碳酸钙的问题。实际上，较低的碳酸钙剂量更有利于提高型材的简支梁冲击性能，当然，不利于改善型材的弹性模量和加热后尺寸的变化率。 GB/T8814-2004《未增塑聚氯乙烯（PVC-U）门窗用异型材》国家标准发布以后，随着弹性模量指标由1960Pa提高到2200Pa，加热后尺寸变化率由2.5mm降低到2mm。为此，一些企业对型材模具和工艺进行了改进，从而在稳定材料韧性指标的前提下，通过采用经偶联处理的微细碳酸钙并提高剂量，解决了弹性模量和加热后尺寸变化率超标的问题。结果发现，当碳酸钙剂量提升到15~25份时，弹性模量和加热后的尺寸变化率均显著好转，低温冲击性能也比以前有所提高，但简支梁冲击性能和拉伸冲击性能有所下降。 一般，任何材料都具有韧性和刚性两种性能特征，只是韧性和刚性的大小有所不同而已。因此，冲击破坏通常有两种形式，即近似于韧性破坏或近似于刚性破坏，而纯粹的韧性破坏和纯粹的刚性破坏几乎是不存在的。如碳酸钙添加过多，则材料刚性过大，韧性过低，当受到冲击时，不发生弹性变形，势必会产生脆性破坏。反之，如碳酸钙添加过少或壁厚太小，则韧性过大、刚性过低，在冲击力的作用下，当型材变形到一定极限时，便发生韧性损坏。实践证明，材料的韧性和刚性不仅相互制约和影响，而且相辅相成。一方面，过大的刚性以牺牲韧性为代价，而过大的韧性又以牺牲刚性为代价。另一方面，一定的韧性可以通过弹性变形来吸收、分散和减缓冲击能量，最终减轻对试件的冲击破坏。而适当的刚性可以通过减少制品的变形量，来避免对制品的超极限破坏。 塑料异型材的3项检验韧性指标的试验还表明：低温落锤冲击性能不仅取决于材料的韧性，还受型材壁厚和截面结构（内筋壁厚、位置和过度角大小等）的影响，即受材料刚性、截面应力和拉伸应力的制约和影响。当以上因素出现问题时，即使材料的韧性良好，型材在受到冲击时也会发生断裂。 在简支梁冲击强度和拉伸冲击强度试验中，除试片的厚度对试验结果有影响外，并无结构应力存在，拉伸应力也相应扩散或消失殆尽，试验合格与否主要取决于材料的韧性。当然，如果制作的试片缺口下料偏差过大，也会影响简支梁冲击性能。 来自国家化学建材检测中心的统计资料表明，目前大部分企业生产的型材均较难满足简支梁冲击性能指标要求，其次是拉伸冲击指标，最容易通过的是1m低温落锤冲击试验和弹性模量试验等。在型材新国标颁发前后，对型材进行的3项冲击试验结果表明：相对而言，低温抗冲击性能对材料的刚性要求较高，简支梁冲击性能和拉伸冲击性能对材料的韧性要求较高。因此，1m低温冲击试验合格的型材，不完全代表材料具备应有的韧性，因而不一定保证能通过简支梁冲击性能和拉伸冲击性能试验。与此同时，简支梁冲击性能和拉伸冲击性能试验合格的型材，也不代表型材结构没有问题，从而也不一定能保证低温冲击试验合格。对于1.5m冲击试验合格的型材，其简支梁冲击强度和拉伸冲击性能的大小还有待于进一步确定。 以上结果表明，一些企业在两个不同时期生产的型材，如果按 “老国标”进行试验，则较难满足低温冲击性能指标要求。如果按“新国标”进行试验，则难以满足简支梁冲击强度和拉伸冲击强度的要求。 为了提高制品的抗冲击强度，可以添加抗冲击改性剂，改进效果则取决于改性剂的性能、添加的份数和分散性。研究表明，CPE（氯化聚乙烯）的效果远不如ACR（甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物或丁苯胶乳接枝共聚物），在基础配方相同时，要想达到同样的抗冲强度，需添加较多的CPE。此外，CPE与ACR的抗冲机理不同。ACR颗粒是由无数个球形小颗粒组成，在混料机和螺杆剪切下容易破裂成更小的球形颗粒以分散到基体材料中，并依赖产生的剪切带和银纹来吸收冲击能量，以达到抗冲的目的。CPE颗粒是由上百亿个线性CPE分子相互缠绕形成的，难以均匀地分散到PVC中。目前，国外在高速挤出生产中，通常使用ACR作为抗冲改性剂，而极少使用CPE。因为在高速挤出条件下，CPE易堆集在PVC基体中，不但影响抗冲效果，还会使基体材料不均匀，导致局部抗拉强度大幅度下降。 在一定范畴内，随抗冲击改性剂添加量的增加，型材的抗冲击性能也随之提高。目前，大部分企业只添加10份左右的CPE，即使在东北严寒地区，也只添加12份的CPE，远没有达到额定极限。究其原因，除成本因素外，还在于CPE剂量的增加会引起弹性模量、焊接性能和尺寸变化率等指标下降等问题。 通常，增加碳酸钙的剂量和型材的壁厚可以提高弹性模量、维卡软化点、尺寸变化率等刚性指标，而适当的刚度对提高韧性指标是有利的。增加碳酸钙的剂量和增加型材壁厚的区别在于：增加型材的厚度既不会提高弹性模量也不会损失韧性，但可通过改善型材截面的承载能力来提高抗冲击性能。相比之下，增加碳酸钙的剂量则是以牺牲部分韧性为代价来使得型材的弹性模量得以提高的。为了在增加碳酸钙含量的同时不影响材料的韧性，必须对其粒度进行细化和偶联活化处理，使无机物质有机化，解决其易团聚、不易分散以及与树脂界面的作用力等问题。但是，当添加的碳酸钙达到一定量时，将使型材失去应有的弹性，从而极大地降低了材料的抗冲击性能。 一般，没有购置冲击试验仪器的门窗生产厂家在采购型材时，通常是采取脚踹的方式来检验材料的韧性。实际上，在脚踹的过程中，要使型材不颠覆或颠覆后不破裂，就必须确保型材具有很大的刚性，以避免颠覆和破裂，或者，具有很大的韧性，能遏制型材在颠覆后出现破裂。但是，若型材韧性过大，其刚性会很差，影响其弹性模量和焊接性能。若型材刚性过大，韧性又会很差，影响其冲击性能。要使材料刚性、韧性皆宜，唯一的方法是，在严格控制碳酸钙质量和剂量的前提下，控制好型材的壁厚。例如，1.5m高度冲击试验合格的标准型材，在用脚踹时很少出现破裂。 焊接性能指标的变化及影响因素 随着国家标准的不断变化，型材的焊接性能指标也随之发生变化。在JG/T3017-94《硬聚氯乙烯塑料门》与JG/T3018-94《硬聚氯乙烯塑料窗》标准中，焊接性能指标被定义为“角强度”，并以压力N为计量单位。在JG/T8814-2004《门窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材》标准中，焊接性能指标被定义为“可焊性-受压弯曲应力”，并以压强Mpa为计量单位。而在JG/T180－2005《未增塑聚氯乙烯（PVC-U）塑料门》与JG/T140－2005《未增塑聚氯乙烯（PVC-U）塑料窗》标准中，焊接性能指标被定义为“焊接角最小破坏力”，同样以压力N为计量单位。 这些变化的意义何在呢？概括而言，角强度一般是通用一个性能标准进行衡量，而不论型材的规格和壁厚大小如何，因而不能真实地反映试件焊接性能的优劣和单位抵御外力的大小，导致不同型材的焊接性能没有可比性；而受压弯曲应力使得不同规格型材的焊接性能有一个明确的量化标准，能真实地反映试件的塑化和焊接性能的优劣。当试件受压弯曲应力较低时，可以排除其他因素的影响，直接通过改进型材配方、改善塑化效果或门窗的焊接参数等，来提高型材的焊接性能。这尤其是对于那些添加了过多劣质碳酸钙的“高填充”塑料型材而言，具有一定的现实意义。但其缺点是，不能反映型材承受外力的大小。即使规格很小、壁厚很薄的型材，只要塑化与焊接性能好，检验时焊接角最小破坏力FC实测值虽然不高，但若大于计算值，受压弯曲应力计算值也能达到标准要求；可焊性或受压弯曲应力合格仅能证明试件的塑化和焊接性能达标，至于制作的门窗能否满足建筑工程承载要求，还是一个未知数，没有多少实际意义，不利于防范薄壁、小规格和截面结构不符合使用要求的型材流放市场。由此可以看出，角强度和受压弯曲应力仅仅以同一个压力指标或单位压强指标为基准来衡量试件焊接强度的大小，而焊接角最小破坏力与二者有原则性的不同。由焊接角最小破坏力计算公式FC＝(4σmin W)/(a-21/2 e)可知，在受压弯曲应力σmin值确定的前提下，FC值随型材惯性矩a值与中心轴至危险截面的距离e值的增大而加大，即与型材的壁厚和规格相关。如果设计的型材规格或壁厚偏小，FC的设计值必然偏低。因此，焊接角最小破坏力不仅对同一型材在不同焊接条件下焊接有一定的可比性，对不同规格型材在同一焊接条件下焊接也有可比性，既能真实反映型材焊接性能的优劣，也能反映型材承受外力的大小，为提高塑料门窗工程质量提供了检测判断依据，无疑比角强度、受压弯曲应力指标更趋完善，对制约“高填充”塑料型材的生产，以及防范薄壁、小规格和截面结构不符合使用要求的“非标”塑料型材流入市场均具有很大的现实意义。 在3项冲击性能试验中，试件承受的仅是冲击作用力，作用时间较短。而在焊接性能试验中，试件承受的是静压力，作用时间较长，工作环节和影响因素较多。从宏观上讲，焊接性能亦从属于韧性范畴，但相对于3项冲击性能而言，其微观上对刚性依附程度较高，不仅与材料的韧性、型材的截面结构以及牵引速度有关，还与截面形状和规格，即惯性矩a值与中性轴到危险截面的距离e值及门窗的焊接工艺有关。前文已经谈及，型材“新国标”发布以后，一些企业通过增加碳酸钙剂量来解决弹性模量和加热后尺寸变化率超标的问题。结果发现，当碳酸钙剂量提升到15~25份左右时，焊接性能不但没有下降，反而有所上升。究其原因，主要是随碳酸钙的增加，材料的弹性模量提高所致。 显然，对于焊接性能而言，碳酸钙是一把双刃剑：适当增加经偶联处理的微细碳酸钙，可以提高弹性模量。随刚性的增加，韧性减弱，当韧性减弱到影响制品的抗冲击性能时，焊接性能却不受影响，甚至还有所提高。但是，型材的冲击性能，尤其是简支梁冲击性能和拉伸冲击性能指标很难合格。当碳酸钙的添加量部分或完全危及材料的韧性时，焊接性能亦会大幅度下降。一些企业生产的标准规格型材之所以FC实测值远远大于FC设计值，其原因就在于此。一些型材企业在对同一型材做试验时发现：焊接性能好，冲击性能却很差；冲击性能好，焊接性能反而不高的原因也概莫如此。 几项指标不合格的应对措施 通过对以上性能指标不合格的影响因素进行对比分析，可以发现：对材料刚性的要求随简支梁冲击、拉伸冲击、1.5m低温冲击、1.0m低温冲击和焊接性能这几项指标而依次提高，而对其韧性的要求随简支梁冲击、拉伸冲击和焊接性能这几项指标渐次降低。碳酸钙的增加首先会影响简支梁冲击和拉伸冲击这两项性能指标，其次影响的是低温落锤冲击性能，最终也会影响焊接性能。通常，随碳酸钙的增加，焊接性能先随弹性模量的增加而有所提高，后随韧性的降低而急剧下降。 要想提高简支梁冲击性能和拉伸冲击性能，除了确保必要的型材壁厚和良好的塑化外，还需要提高抗冲击改性剂的性能和剂量，以及控制好碳酸钙的质量和剂量。而要想提高低温抗冲性能，除了使型材具有必要的韧性、壁厚以及确保良好的塑化效果外，还需要改进制品的截面结构、调整牵引速度，以增强其刚性，减缓或消除型材结构应力和拉伸应力。经生产实践验证，对于A、B两类壁厚的型材，只要配方中的CPE碳酸钙添加适当，达到1.5m高度低温冲击性能指标基本不存在太大的问题。相比之下，C类壁厚的型材要达到1.5m高度低温冲击性能则比较困难。要想全面提高型材的抗冲击性能，最好选用ACR抗冲改性剂。如使用CPE抗冲击改性剂，一定要注意CPE与碳酸钙剂量的优化配比，以使抗冲击性能达到最佳状态的同时，不影响型材的其他性能。虽然增加或减少CPE和碳酸钙的剂量可以提高或降低加热后的尺寸变化率指标，但不能提高和减少拉伸内应力。而内应力的存在不仅会影响加热后的尺寸变化率指标，也会影响冲击性能指标。 要想提高型材的焊接性能，需要在材料本身具有一定韧性的基础上，提高材料的刚性，改进型材的截面形状和规格，即解决小规格、薄壁型材的问题。一些企业为适应门窗厂家任意提高出料率的要求，通常采用增加碳酸钙的方法来弥补型材规格变小、壁厚减薄所损失的焊接性能。例如，推拉扇型材的理论FC值为1400N，在所有门窗主型材规定的标准值中是最低的。而推拉扇型材在门窗中除承担本身和玻璃的载重外，还承受着开启动态载荷以及温度、风荷载和外力的作用，受力状态相对比较复杂。一些企业在设计模具时，型材高度仅有54mm（即54扇），当型材壁厚为2.2mm时， FC计算值仅有1276N。加之为片面追求高出材率，实际生产时，任意提高牵引速度，导致生产出的型材壁厚仅为1.6~1.8mm左右，实际FC值更低，且聚集过大的内应力，加热后尺寸变化率、焊接与冷冲性能严重超标，从而在门窗工程中不可避免地出现焊缝开裂问题。随着节能政策的深入，建筑门窗已开始全面转向使用双玻或中空玻璃，而安装玻璃大都是在冬季最寒冷的气候下进行的，从而导致焊缝开裂发生的几率更高。因此，门窗企业需要注意：在安装双玻或中空玻璃时，最好不要使用54扇型材，尤其是壁厚减薄的54扇型材。 显然，不考虑材料的韧性指标，以减少壁厚以及多添加碳酸钙的方式来提高刚性和焊接性能无疑是错误的。在增加碳酸钙剂量，从而提高材料的刚性和焊接性能时，一定要以简支梁冲击和拉伸冲击性能指标合格为准。当碳酸钙质量和剂量不能提高或增加时，应从型材厚度和规格的角度考虑解决问题。不顾型材质量，任意盲目增加碳酸钙以降低成本的做法将会给塑料门窗行业带来灾难性的后果。 总之，塑料异型材的各项性能是相互制约和影响的，优异的塑料异型材并不表明其某一项或所有性能最高或最好。实际上，型材的所有性能不可能都达到最高和最好的水平，过分追求某一项性能，必然是以偏废另一项性能为代价。优异的塑料异型材是以所有性能的优化组合、相互平衡，从而达到国家标准为标志的。 因此，在挤出生产中，不仅要优化各类原料的配比，更要重视原料的质量，搞好产品质量和生产成本的综合平衡工作。尤其是不可单纯为追求低成本和高出材率，任意地添加碳酸钙，减小型材规格和壁厚。良好塑化是生产优异塑料异型材的基础条件，若塑料异型材在加工中发生“过塑化”或“欠塑化”问题，其各项力学性能则无从谈起。此外需要提醒的是，热稳定剂的质量对型材的塑化质量有至关重要的影响。总之，任何时候，企业都应该把型材的稳定性检验放在质量检验工作的首位。 除严格执行配方，保证配方中的刚性指标和韧性指标相平衡，以及润滑和摩擦作用相平衡外，企业还要严格控制各项工艺参数，按设计型材的壁厚、挤出速度和经实践优化过的工艺温度、给料速度和牵引速度进行生产，并确保挤出所供热量和型材成型所需热量的平衡，不可盲目提高挤出速度和牵引速度，以确保塑料异型材的挤出生产能够在较高熔压条件下，实现良好的塑化，并将其截面应力及拉伸应力降至最低。 另外值得一提的是，塑料异型材具有冷脆性的特点，对环境温度较敏感，这也是一些型材生产企业在寒冷的冬季停产的原因所在。如果在寒冷季节仍坚持生产，必须完善生产车间的供暖设施，使工作环境温度保持在15℃以上。否则，会导致型材在挤出后冷却速度过快，从而聚集较大的内应力，严重影响塑料异型材的各项性能指标。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/17/2012)