挤出PVC-U门窗异型材配方设计

挤出PVC-U门窗异型材配方设计

挤出PVC-U门窗异型材配方设计


硬聚氯乙烯(PVC-U)门窗异型材是由PVC、稳定剂、抗冲击改性剂、加工助剂、填料等按一定的配方配混、挤出成型的，PVC及助剂的选用对制品的性能有很大影响。随着挤出硬PVC-U门窗异型材及塑料门窗行业的高速发展，相关的PVC及助剂行业也有了新的进展。
1 树脂及助剂的选择
1.1 PVC
生产PVC-U门窗异型材的，一般都使用悬浮法生产的疏松型PVC(SG-5)。特别需要指出的是，生产PVC的原料--乙烯宜选用石油裂解法生产的，最好不用电石法生产的。
1.2 热稳定剂
(1)热稳定剂的常用品种
铅类热稳定剂 在铅类热稳定剂中，三盐基硫酸铅的热稳定性能最好，应用最广；二盐基亚磷酸铅的热稳定性和耐初期着色性显著，同时赋予制品良好的耐候性，而二盐基硬脂酸铅和硬脂酸铅热稳定性稍差，但润滑性强。铅盐的最大缺点是有毒性，且外观易变色。铅类热稳定剂的发展重点在于消除粉尘污染，开发复合型铅盐。南京、温州、重庆是国内三大无尘复合铅盐生产基地，制造时大多是配合酯类润滑剂，产品有粒状、片状，可较好地解决粉尘污染问题。
金属皂类稳定剂 依其功能和机理分为主、辅两类。主金属皂稳定剂以Cd、Zn为主，辅助金属皂稳定剂以Ba、Ca为主，主、辅金属皂配合使用，具有协同效应，具有代表性的是Ba-Cd、Ba-Zn和Ca-Zn。国内常用的为Ca-Zn和Ba-Zn体系。山东招远化工厂引进美国Ferro公司技术建成的3000t／a复合金属皂的装置，可生产260个牌号的包括Ca、Zn、Ba、Cd在内的复合金属皂产品。
有机锡稳定剂 有机锡类稳定剂主要分为含硫有机锡和有机锡羧酸盐两类。
有机辅助稳定剂 有机辅助稳定剂通常与金属盐稳定剂并用，产生协同效应。主要包括亚磷酸酯、环氧化合物、多元醇、含硫辅助稳定剂、β-二酮辅助稳定剂。
稀土稳定剂 稀土稳定剂是我国新近开发出的新型热稳定剂，具有价廉、无毒、性能高、透明性好、储存稳定、耐候性优良等特点。实际使用的稀土稳定剂通常是稀土与金属钙或锌的有机混配复合物。近年来稀土稳定剂在我国发展非常迅速。常熟合成化工厂与中国科技大学联合开发的以镧系稀土元素为主要原料、与硬脂酸盐复合而得的复合稳定剂，综合性能优于三盐基硫酸铅等传统铅盐类稳定剂。浙江大学和浙江仙居合成化工厂研制的双氧油酸稀土稳定剂已形成40t／a的生产规模。江阴市华土工业日用品化工厂新近推出了三个牌号的稀土稳定剂，适用于不同的应用领域。肇庆鼎湖精细化工厂开发了的L518硬脂酸稀土-锌系复合热

稳定剂，用途广泛。福州二轻工业研究所研制的稀土复合稳定剂，透明性接近有机锡产品，可替代硬脂酸镉用于无毒制品。广东工业大学开发的稀土复合热稳定剂RHS-2无毒，可替代Ba-Cd。北京华通发技术开发公司开发的热稳定体系的复合加工助剂已形成5000t／a的生产能力。
(2)热稳定剂的选用
不同国家和地区使用热稳定剂的种类差别较大。美国热稳定剂的构成特点是有机锡类稳定剂产量较高，铅盐稳定剂比例低。热稳定剂的开发方向是无铅、无镉化。日本铅盐类热稳定剂的用量偏高，占50％以上，主要用于生产电缆料、PVC管材、异型材等。Ba-Zn盐类消耗量占第二位，其次是Ca-Zn类、Ba-Zn类和有机锡类。在欧洲，传统的热稳定体系是Ba、Cd、Pb系，迫于环保法规的压力，型材生产厂开始试用新的热稳定体系，如Ca-Zn体系等。


1.3 抗冲击改性剂
在PVC塑料门窗异型材配方中通常采用氯化聚乙烯(PE-C)和丙烯酸酯共聚物(ACR)来提高PVC的冲击强度和耐候性。
PE-C抗冲改性剂 PE-C的含氯量对改性PVC性能影响很大。PVC-U门窗异型材用抗冲改性剂PE-C氯含量为36％左右。PE-C与PVC不相容，但如果温度太高或施加过大的剪切力，PE-C可能会熔融在PVC中，使性能大大降低，因此PE-C配方加工范围很窄。PE-C在PVC中理论加入量为10％-13％。
ACR类抗冲击改性剂 ACR改性剂是将甲基丙烯酸甲酯接枝在烷基丙烯酸酯弹性体上制成的。ACR抗冲击改性剂适用于户外使用的PVC-U塑料制品。与其它抗冲击改性剂相比，ACR具有加工温度范围较宽、抗冲击效果明显、耐老化性能优良、兼有加工助剂的作用等特点。ACR尤其适用于异型材的高速挤出。
德国门窗型材配方中一直采用PE-C作为抗冲击改性剂，近几年来，ACR抗冲击改性剂使用量正逐渐扩大。美国的窗用PVC型材一般用ACR类作为抗冲击改性剂。而我国绝大多数塑料门窗厂采用价格便宜的PE-C作为抗冲击改性剂，近几年，部分厂家开始使用Rohm-Haax的KM系列、Eif-Ato公司的D200，及国产的ACR-AL(Ⅱ)来改性PVC。将来国内的发展趋势也应是由ACR逐步取代PE-C。
1.4 润滑剂
在PVC-U门窗异型材成型加工用润滑剂中，复合润滑剂是最近的发展方向，其优点在于：内润滑性和外润滑性比较平衡，且在挤出加工初期、中期和后期的润滑效果比较平衡。常用的复合润滑剂有石蜡烃类复合润滑剂、金属皂及石蜡烃复合润滑剂、脂肪酰胺与其它润滑剂复合物、以褐煤蜡型为主体的复合润滑剂、稳定剂与润滑剂复合体系等。
1.5 加工助剂
PVC用高分子加工助剂分子量一般为1.2×105-2.5×106，现有的PVC用高分子加工助剂有ACR、MBS、ABS、E／V

AC、PE-C、PVC-VC等，其中最有效的是ACR。
PVC加工助剂的开发趋势是高效、功能多样化，当今应市的产品不仅有促进树脂熔融和流变改性的功能，还兼具其它一些性能，比如耐冲击性能、热稳定性能等。国内PVC加工助剂的产量及品种数量都明显低于国外发展水平，目前国内有上海珊瑚、苏州安利、山西省化工研究所、北京市化工研究所、湖南宝庆化工厂等科研生产基地。
1.6 填料
近年来，随着填料制备技术的不断发展，超细的无机填料可同时提高塑料的刚性及韧性这一特点正越来越受到重视。提高填充PVC-U韧性的另一种很有效的方法是用偶联剂处理填料。工业上常用的偶联剂按化学结构可分为硅烷类、钛酸酯类、铝酸酯类、锆类等几大类。
1.7 着色剂
PVC-U门窗异型材用着色剂，除了应具备的基本性能(颜色、着色力、遮盖力、耐光性和耐候性)外，还应考虑挤出加工条件的稳定性。异型材高速挤出已成为目前的发展潮流，高速挤出物料的温度大幅度上升，达到原来部分可溶性有机着色剂能完全溶解的温度，从而引起颜料颜色的变化。例如，PVC的温度上升，可使颜色从红色变为橙色，或者从橙色变为黄色。
PVC-U门窗异型材以白色的耐候性和耐老化性最好。在常见的白色颜料中，二氧化钛的折射率最大，着色力最强，应用最为广泛。金红石型二氧化钛密度较高，折射率较大，兼有屏蔽紫外线的功能，不仅着色力好，还能有效提高PVC-U门窗异型材的耐候性和耐热性；锐钛型二氧化钛着色力较小，耐候性较差，应用受到限制。实践表明，二氧化钛着色力最好的粒径范围为0.25-0.30μm。

挤出PVC-U门窗异型材配方设计（二）


1.8 其它特种助剂
(1)化学发泡剂
化学发泡剂常用偶氮二甲酰胺(AC)。AC与PVC的相容性、分散性虽好，但分解温度较高，在实际使用时必须添加一些发泡促进剂，如稳定剂等。常用稳定剂所起活化作用的顺序是：三盐基性硫酸铅＞二盐基性亚磷酸铅＞硬脂酸铅＞硬脂酸钡＞硬脂酸钙。
最近化学发泡剂的发展趋势是将吸热和放热型化学发泡剂复合以获得最佳性能。放热型化学发泡剂提供低密度所需的气体体积和压力，而吸热型化学发泡剂则赋予制品稳定、细密、规整的泡孔结构。
(2)阻燃消烟剂
阻燃剂虽能有效提高PVC-U的阻燃性，却往往带来烟雾和有毒气体释放量的增加。
目前我国PVC建材用低烟难燃级产品开发的新动向是在阻燃体系中同时考虑阻燃和消烟的双重要求。四川消防科学研究所采用多种金属氧化物，辅以PVC改性剂制得SSH-93N阻燃消烟剂，它对PVC有较好的阻燃和消烟作用。

汕头大学采用Sb2O3、CaCO3和金属氧化物制成了阻燃消烟体系。总后勤部军需装备研究所经过实验发现，氧化锌和氧化镁的固相熔体是一种较好的阻燃消烟剂，其加入量为2％。北京理工大学研制了两种高效抑烟剂--钼化合物和镁-锌复合物，加入2-5份时，可使PVC发烟量减少30％-50％。郑州轻工学院以AL(OH)3为主体并配有多种无机阻燃剂，研制成无机复合阻燃剂，它具有添加量少、阻燃性好、低烟、无毒、价格低等特点。山西省化工研究所开发成功复合阻燃PVC抑烟剂FZY-14及FZY-21，当用量为7％-10％时，可使PVC-U达到阻燃消烟性能指标。惠州大学制备出了用于PVC-U的难燃抑烟的FR-X阻燃消烟剂。
2 配方设计及评价
PVC-U门窗异型材的配方设计是一项复杂的工作，必须考虑制品的性能指标、成型设备、成型工艺、各类原材料的性能、用量以及价格等因素。PVC-U门窗异型材的主要性能要求是应具有良好的力学性能和加工性能，耐热、耐寒、耐燃、耐老化。
2.1 配方设计方法
PVC-U异型材材料由PVC、稳定剂、加工助剂、抗冲击改性剂、润滑剂、填料等多种添加剂混配而成，这些原料的种类、生产厂家、批次，以及用量都会影响制品的性能。为了最少的实验次数获得最优配方，可采用正交优化试验方法。
2.2 PVC及添加助剂的选用依据
选用PVC及添加助剂主要根据制品的性能要求与原材料的特性之间的关系确定。
加工性能 纯PVC的成型温度和分解温度很接近，成型很困难。PVC的分子量、加工助剂、润滑剂、抗冲击改性剂及稳定剂等都会影响其流动性能。合理的配方应保证PVC-U具有适宜的流动温度和良好的成型加工性。
光、热稳定性 改善PVC热稳定性的主要方法是加入热稳定剂，选用热稳定剂时要从热稳定性能(包括在加工初期、和加工中后期的稳定作用)、毒性、价格等方面综合考虑。二盐基亚磷酸铅不仅具有热稳定作用，而且对紫外线有较强的吸收作用，因此在使用铅盐作为PVC-U门窗异型材的热稳定剂的场合，往往配合使用一定量的二盐基亚磷酸铅。无机填料金红石型二氧化钛具有优异的抗紫外线功能。此外，紫外线吸收剂也可提高PVC制品的光稳定性，但应注意金红石型二氧化钛与紫外线吸收剂具有相互抵消作用。
耐冲击性能 纯PVC的耐冲击性能差。冲击强度一般随PVC分子量增加、抗冲击改性剂用量的增加而提高。但无机填料的加入一般会降低制品的冲击强度。但最近的研究表明，纳米CaCO3填充PVC的冲击强度反而会提高。应注意润滑剂的种类和用量有时也会影响制品的冲击强度。
2.3 配方中各组分之间的关系
PVC-U门窗异型

材配方中各组分的作用是相互关联的，在选择助剂时应全面考虑各方面因素。比如在ACR改性PVC体系中，如润滑剂选择和配合不当，可使抗冲击改性剂的作用全部失效；为了提高PVC的耐冲击性，可添加橡胶或弹性高聚物，但这同时会引起弹性模量、刚性、耐热性的下降；若选用金属皂为热稳定剂，则应适当减少润滑剂的用量，否则会影响正常的挤出。
2.4 配方评价
PVC-U门窗异型材配方的评价应以GB8814-1998"门、窗框用PVC-U型材"规定的指标为主。当然，可用模塑料制成标准试样来试验，但用模塑料得到的指标一般要优于用同样配方挤出型材的指标。
PVC-U的加工过程通常由配料、塑化、成型、定型等步骤组成。GB 8814-1998是对制品的最终性能进行检测。运用毛细管流变仪、转矩式流变仪等可对PVC配混料的加工性能进行测试，可在PVC加工成制品前对配方的优劣作出初步评价。加工性能测试的核心是物料的塑化特性和熔体的流变性。
评价加工涝能的设备主要有双辊开炼机、毛细管流变仪、转矩流变仪、实验单螺杆挤出机、小型双螺杆挤出机等。
3 PVC-U门窗异型材配方选例