创新型PVC门窗型材共挤出技术

作者：JORG FROHLICH    来源：KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL

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, ... 塑料门窗框占有整个市场份额的57%，如此说看来，制造商应该是高枕无忧。但事实却并非如此，高市场占有份额的背后，行业正面临诸多挑战。原油产品例如PVC，工业金属例如锌，以及润滑油用油脂，这些原料成本的上升，正在步步逼升PVC干混料（聚合物粉末与添加剂的混合物）的价格。与此同时，原材料短缺也使得这一情形雪上加霜，例如白色门窗型材制造中需要使用的二氧化钛。制造商必须对与日俱增的成本压力、可持续性及回收材料使用的要求制定对策。 解决上述这些问题的一个方法是采用共挤出技术，添加碳酸钙，并增加回收材料使用量。将共挤出应用于生产内芯/表皮技术门窗型材的原材料，不失为一个提升成本有效性的明智之选。颜色和成品光泽由防风雨表皮（外层）决定，而内芯则只需要满足最基本的视觉要求。 用于表皮和内芯的干混料之间的价格差距较大。因此，共挤出技术成为单位型材成本节约潜能的决定性因素。采用共挤出技术，内芯和表皮材料的比例可从30%调整到70%。与单一挤出技术相比，生产相同长度型材，共挤出技术能够节约6~10%的原材料成本。 对成本和质量的影响 加工制造商针对市场需求，会根据挤塑客户的具体要求来提供与之匹配的共挤出技术。奥地利努斯巴赫Greiner挤塑有限责任公司，在该领域拥有三项加工技术：内芯、表皮和结合技术（见图1），这三项当中，后者是最新的技术。 共挤出工艺也会给成本和品质带来积极影响。举例来说，层厚的不一致性会导致外层材料使用量的增加，而外层材料往往成本相对高昂，共挤出工艺层厚一致性的优势便显而易见。针对常见的产量，将内芯与表皮的比例提高5个百分点，便可帮助单条挤出生产线每年实现10000到20000欧元的成本节省。 共挤出模具的FEM模拟可以帮助加工制造商进行具体分析，例如壁切变应力、整体压力（见图2、3），以及设计环节的相对流动率。从这些方面进行优化，不仅能够防止产品出现色差，并且对保障型材品质的一致性起到重要作用。 目前，挤出制造商已经能够为共挤出生产提供种类多样化的系统选择，如平行或锥形双螺杆挤出机，为整合挤出系统使用的共挤出机，以及圆柱、背驮和串联式挤出解决方案。 德国慕尼黑KraussMaffei Berstorff公司推出的平行双螺杆挤出机32D系列已经通过测试，品质卓越，值得信赖，该系列为生产带来高度加工灵活性，从中到高的产量均可适用。其设计工艺不仅可保障物料达到最优熔化同质性，并可应用单螺杆结构适用于不同加工程序。 锥形双螺杆挤出机也可达到与平行挤出机同样的加工灵活度，与之前的加工长度相比，锥形双螺杆挤出机已经得到显著的提升，特别是在预热阶段。同时，配合稳定的材料真空抽气技术，保障了最优的熔体同质性。在挤出机的整个产量范围内，延长的计量区域可帮助提升压力稳定性至500bar，这点对于共挤出技术而言尤其重要。 双材质型材生产中，连接技术配合一台主平行KMD 114-32/P挤出机及两台锥形KMD 63K/P共挤出机的挤出组合进行。主平行挤出机用于生产加工内芯层（约总产量的55%），双锥形共挤出机用于生产表皮层，总产量可达800到1000kg/h。 另一款可应用的挤出组合主要用于内芯表皮挤出生产，如图4所示。该组合包括主平行KMD 90-32/P双螺杆挤出机和锥形KMD 63K/P双螺杆共挤出机。该款共挤出组合应用内芯技术进行内芯材料的挤出生产，同时，应用表皮技术进行同款型材的外层表皮生产，总产量可达450到500 kg/h。 碳酸钙的重要优化作用 瑞士Oftringen Omya国际有限公司推出的高品质碳酸钙多年来作为功能性添加剂，在生产中占据重要地位。根据项目研究结果记载，添加碳酸钙可提升门窗型材生产时填充材料的使用量，使其填充水平超出目前常用量。虽然会因此增加原材料用量，但与此同时可获得的产品质量的大幅提升，已足以补偿成本的增加量。 现代挤出机因其延长的预热区域和定制的螺杆构造，在使用量增加的情况下也能够实现碳酸钙的均匀分布，这是满足机械性能和视觉要求的重要先决条件。 增加优质碳酸钙的使用量，可优化若干加工参数，并且有效降低产品差异性。同时，也可提升熔体同质性，这是因为流体方向改变时所导致的熔体的温度分布差异情况得到了有效减少。 不止如此，因为产品一致性得到提高，型材的表面光洁度也得以提升，型材内部以及不同型材间的纹路、光泽差异相应降低。 计算碳酸钙为生产带来的节约潜力时，应予以考虑的是，增加碳酸钙使用量后，同样壁厚的情况下，单位型材的重量会有所增加。但是，由于提高了PVC干混料的混入密度（碳酸钙含量提高所致），以及挤出机的体积计量参数，因而在螺杆速度不变的情况下，型材的产出长度大致仍可保持不变。 碳酸钙也帮助加速了下游设备的热量转移，型材冷却速度加快，牵引速度便随之加快，因此挤出机螺杆速度也得到了提升，最终带来型材产量的增加。 稳定剂的重要作用 门窗型材作为PVC的主要应用领域，在其共挤出生产中，稳定剂起到了不可或缺的重要作用。稳定剂往往含有多种成分，例如德国下施莱斯海姆Baerlocher有限公司研发并投入市场的稳定剂，可应用于热加工设备，在生产加工中起到稳定PVC的作用，控制熔体流，并决定成品的表面抛光和颜色。不同成分原材料混合在一起制作而出，被称为一体稳定剂，其组分可针对单一客户要求而进行调整。 在过去的几年里，欧洲门窗型材市场趋向于使用钙/锌一体稳定剂，这在某种程度上归功于当地的义务委员会“Vinyl2010”。不过事实是，与主要的传统稳定剂相比，钙/锌稳定剂的确拥有成本优势，且特别适用于共挤出内芯层，因为内芯层无须使用色彩共稳定剂。 生产加工可控 Baerlocher、Greiner Extrusion、Omya和KraussMaffei Berstorff等公司联合开展了一系列多领域网络协作研究，涉猎诸多领域，其中，在挤出生产中增加碳酸钙使用量这一构想得到了进一步的改良和完善。通过使用现代钙/锌一体稳定剂，产品稳定性得到了提高。在特定设备环境和恒定加工温度下，可共挤出生产出拥有不同碳酸钙含量的多种规格PVC门窗型材产品。 但并不是每个型材制造商都可以在内芯结构中使用足够量的回收材料，因而结合特有表皮层的高填充内芯设计成为宠儿。该技术旨在节约原材料使用成本，同时在无须降低产品质量作为折中的前提下，降低门窗型材生产加工成本。 事实胜于雄辩，碳酸钙含量达20 phr的型材得以顺利产出。同时，在增加碳酸钙用量的情况下，只要对润滑系统加以调整，便仍可实现最优塑化效果。 满足特殊要求的型材 项目研究的结构样本证明，应用新型共挤出技术的产品在规格稳定性、收缩率和单位重量方面都表现卓越。与碳酸钙含量呈线性关系的E系数越大，型材的硬度就越高。产品收缩率在可接受范围（最高至-1.8%），并且随着矿物质成分的增加，收缩率也会相应降低。 在热量储集测试中，增加碳酸钙含量并没有带来任何变化。通过选择适当的钙/锌稳定剂，表皮和内芯层热稳定性（作为DHC值测量）的测试结果双双达到了40分钟的常规要求。不止如此，精准匹配的碳酸钙含量还会额外提升DHC值。 作为研究的一部分，还对成品型材的锯齿冲击数值和角焊强度进行了测量。在熔体温度恒定的情况下，随着矿物填充含量的增加，冲击强度会相应减少，但因此产生的测量数值都高于45 kJ/m2的最低要求。样本也通过了急速下降冲击测试。熔体温度的上升和碳酸钙的精确添加，能够显著提升锯齿冲击强度，计算出的型材角焊强度也明显高于2244N的最低值。 视觉因素对于内芯结构来说并不重要，表皮层才需要加以考虑。产品色彩值只会受到碳酸钙含量轻微的影响，但只要使用适当的调色剂，碳酸钙含量的积极影响就会得以彰显，产品可在各种情况下满足型材颜色的特殊要求。 一般而言，由于额外添加了矿物填充，产品光泽度会有所下降。但如果使用高品质碳酸钙，能够有效提升光泽。因而，即使增加了矿物填充的含量，高品质碳酸钙结合改良润滑系统，型材光泽的品质仍然能够得以保障。 结语 门窗型材制造商采用共挤出技术，能够根据市场的挑战作出相应调整。采用低成本内芯设计，并有控制地添加适当的碳酸钙，可有效降低生产成本。虽然技术经费的投入会相应增加，但最终会从生产收益中得到补偿，确切投资的回收情况可以使用Greiner Extrusion的专业程序计算得出。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/8/2013)