型材發脆的原因及分析?

　　一直以來塑料異型材發脆是困擾一些型材企業正常運營的因素，型材發脆無論從截面外觀上還是門窗組裝廠的認同程度上都或多或少的影響著這些型材企業的市場份額和用戶信譽。
　　型材發脆基本上在制品的物理、力學性能上得到充分體現。其主要特征為：下料時崩口、冷沖破裂。造成型材制品物理、力學性能差的原因有很多，主要表現為以下幾種：
　　一、配方及混料工藝不合理
　　1、填料過多
　　針對目前市場上型材價格低，而原材料價格上漲的格局，型材廠家都是在降低成本上作文章，正規的型材廠家通過配方的優化組合，是在不降低質量的前提下，降低了成本；有些廠家卻在降低成本的同時也降低了制品質量。由于配方組份的原因，最直接有效的辦法是增加填料，在PVC-U塑料異型材中常用的填料為碳酸鈣。在以前的配方體系中多數是填加重鈣，其目的是增加剛性和降低成本，但重鈣由于本身粒子形狀不規則而且粒徑比較粗與PVC樹脂本體的相溶性差，所以其添加份數很低，而且份數增大時會對型材的色澤和表觀造成影響。現在隨著技術的發展，大多采用超細輕質活化碳酸鈣、甚至是納米級碳酸鈣、其不僅起到增加剛性和填充的作用，而且還具有改性的作用，但是其填加量并不是無限度的，其比例應該加以控制。現在有些廠家為了降低成本將碳酸鈣加到20-50質量份，這大大降低了型材的物理力學性能，造成本章所說的型材發脆現象。
　　2、抗沖擊改性劑添加種類、數量
　　抗沖擊改性劑是在應力作用下，能夠提高聚氯乙烯破裂總能量的一種高分子聚合物。目前硬質聚氯乙烯的抗沖擊改性劑的主要品種有CPE、ACR、MBS、ABS、EVA等，其中CPE、EVA、ACR改性劑的分子結構中不含雙鍵，耐候性能好，適宜做戶外建筑材料，它們與PVC共混，能有效的提高硬聚氯乙烯的抗沖擊性能、加工性、耐候性及在一定范圍內提高焊角強度。
　　在PVC/CPE共混體系中，其沖擊強度隨CPE的用量增加而增加，呈S形曲線。添加量在8質量份以下時，體系的沖擊強度增長幅度非常小；添加量在8-15質量份時增加幅度最大；之后增長幅度又趨于平緩。當CPE用量在8質量份以下時不足以形成網狀結構；當CPE用量在8-15質量份時，其在共混體系中連續均勻分散，形成分相不分離的網狀結構，使共混體系的沖擊強度增長幅度最大；當CPE用量超過15質量份時，就不能形成連續均勻的分散，而是有部分CPE形成凝膠狀，這樣在兩相界面上就不會有適宜分散的CPE顆粒來吸收沖擊能量，因而沖擊強度增長趨于緩慢。
　　而在PVC/ACR共混體系中，ACR可顯著提高共混體系的抗沖擊性能。同時“核一殼”粒子可均勻分散在PVC基體中，PVC是連續相，ACR是分散相，分散在PVC連續相中與PVC相互作用，起到加工助劑的作用，促進PVC的塑化和凝膠化，塑化時間短，具有很好的加工性能。成形溫度和塑化時間對缺口沖擊強度影響較小，彎曲彈性模量下降也小。一般用量在5-7質量份，經ACR改性的硬PVC制品有優良的室溫沖擊強度或低溫沖擊強度。
　　而經實驗論證，ACR與CPE相比抗沖擊強度要高30%左右。因此在配方中盡可能采用PVC/ACR共混體系，而用CPE改性且用量低于8質量份時往往會引起型材發脆。
　　3、穩定劑過多或過少
　　穩定劑的作用是抑制降解，或與釋放出的氯化氫反應以及防止聚氯乙烯加工時變色。穩定劑根據種類不同用量也不同，但總的一點來說，用量過多會推遲物料的塑化時間從而使物料出口模時還欠塑化，其配方體系中各分子之間沒有完全溶合，其分子間結構不牢固造成。而用量過少時會造成配方體系中相對低分子物降解或分解(也可以說成過塑化)，對各組份分子間結構的穩固性造成破壞。因此穩定劑用量多少也會對型材的抗沖擊強度造成影響，過多或過少都會造成型材強度降低引起型材發脆現象。
　　4、外潤滑劑用量過多
　　外潤滑劑與樹脂相溶性較低，能夠促進樹脂粒子間的滑動，從而減少摩擦熱量并推遲熔化過程，潤滑劑的這種作用在加工過程早期(也就是在外部加熱作用和內部產生的摩擦熱使樹脂完全熔化和熔體中樹脂失去識別特征之前)是最大的。外潤滑劑又分前期潤滑和后期潤滑、潤滑過度的物料在各種條件下都表現為較差的外形，如果潤滑劑用量不妥，可能造成流痕，產量低，渾濁，沖擊性差，表面粗糙、粘連，塑化差等。特別是用量過多時，就會造成型材的密實度差、塑化差，而導致沖擊性能差，引起型材發脆。
　　5、熱混加料順序、溫度設值以及熟化時間對型材的性能也有決定性的因素
　　PVC-U配方的組分很多，所選擇加料順序應有利于發揮每種助劑的作用，并有利于提高分散速度，而避免其不良的協同效應，助劑的加料順序應有助于提高助劑的相輔相成效果，克服相克相消的作用，使應在PVC樹脂中分散的助劑，充分進入PVC樹脂內部。
　　典型的鉛鹽穩定體系配方加料順序如下：
　　a．低速運轉時，將PVC樹脂加到熱混鍋中；
　　b．在60℃時，高速運轉下加入穩定劑及皂類；
　　c．在80℃左右，高速運轉下加入內潤滑劑、顏料、抗沖擊改性劑、加工助劑；
　　d．在100℃左右，高轉速下加入蠟類等外潤滑劑；
　　e．在110℃，高速運轉下加入填料；
　　f．在110℃-120℃低轉速下排出物料至冷混桶中進行降溫；
　　g．冷混至料溫降至40℃左右時，卸料過篩。
　　上面加料順序較為合理，但在實際生產過程中，根據自身的設備及各種條件也有所不同，多數廠家除樹脂外，其他助劑一同加入。還有的是輕質活化碳酸鈣同主料一起加入等等。這就要求企業技術人員根據本企業的特點制定出適合自己的加工工藝及投料順序。
　　一般熱混溫度在120℃左右，溫度太低時物料達不到凝膠化和混料均勻，高于此溫度部分物料可能會分解揮發，而且干混粉料發黃。
　　混料時間一般在7-10min物料才能達到密實、均化、部分凝膠化。而冷混一般在40℃以下，而且要求冷卻時間要短，如溫度大于40℃且冷卻速度又慢，則制備的干混料會相對常規密實度差。干混料的熟化時間一般在24小時，大于這個時間物料易吸收水份或結塊，小于這個時間物料各分子間的結構還不太穩定，造成擠出時型材外形尺寸和壁厚波動較大。以上環節如不加強控制都會對型材制品的質量造成影響，個別情況便會表現為型材發脆。
　　二、擠出工藝不合理
　　1、物料塑化過度或不足
　　這與工藝溫度設定和喂料比例有關，溫度設定過高會造成物料過塑化，其組分中部分分子量較低的成份會分解、揮發；溫度過低其組份中各分子間沒有完全熔合，分子結構不牢固。而喂料比例太大造成物料受熱面積和剪切增大，壓力增大，易引起過塑化；喂料比例太小造成物料受熱面積和剪切減小，會造成欠塑化。無論是過塑化還是欠塑化都會造成型材切割崩口現象。
　　2、機頭壓力不足
　　一方面與模具設計有關(這在下面單獨描述)另一方面是與加料比例和溫度設定有關，壓力不足時，物料的密實度就差，就會成組織疏松出現型材料脆現象，這時應調整計量加料轉速和擠出螺桿轉速使機頭壓力控制在25Mpa-35Mpa之間。
　　3、制品中的低分子成份未排出
　　制品中的低分子成分產生一般有兩個途徑，一是在熱混時產生，這在熱混時通過抽濕和排氣系統可以排出。二是部分殘存的和擠出受熱受壓時產生的水份和氯化氫氣體。這一般通過主機排氣段的強制排氣系統來強制排出，真空度一般在-0.05Mpa-0.08Mpa之間，不開或過低，都會在制品中殘存低分子成份，造成型材力學性能下降。
　　4、螺桿轉矩太低
　　螺桿的轉矩是反應機械在受力狀態下的數值，工藝溫度設值的高低，喂料比例的多少都直接在螺桿轉矩值上得到體現，螺桿轉矩太低從某種程度上反應出溫度偏低或喂料比例小，這樣物料在擠出程度中同樣得不到充分塑化，也就會降低型材的力學性能。根據不同的擠出設備和模具，螺桿轉矩一般掌握在60%-85%之間就能滿足要求。
　　5、牽引速度與擠出速度不匹配
　　牽引速度太快會造成型材壁薄力學性能下降，而牽引速度太慢，型材受到的阻力大，制品處于高拉伸狀態，也會對型材的力學性能造成影響。
　　三、模具設計不合理
　　1、口模截面設計不合理，尤其是內筋的分布和交界面角度的處理。這樣會造成應力集中現象存在，需要改進設計和消除交界面處的直角和銳角。
　　2、模頭壓力不足。模頭處壓力大小是直接受模具的壓縮比，特別是模具平直段的長度來決定的。模頭的壓縮比太小或平直段太短都會造成制品不致密，影響物理性能。模頭壓力的改變一方面可以通過改變模頭平直段長度來調整流料阻力；另一方面在模具設計階段可選擇不同的壓縮比來改變擠出壓力，但必須注意機頭壓縮比要與擠出機螺桿的壓縮比相適應；還可以通過改變配方，調整擠出工藝參數，增加多孔板來改變熔體壓力的大小。
　　3、對于因分流筋匯合不良造成的性能下降應適當增加筋與外表面、筋與筋匯流處的長度，或者增大壓縮比來解決。
　　4、口模出料不均勻，造成型材壁厚薄不一致，或者密實度不一致。這也就造成了型材兩個面之間的力學性能上的差別，我們在實驗時有時冷沖一面合格一面不合格，也恰恰證明了這一點。至于壁薄等非標型材這里就不再多說。
　　5、定型模的冷卻速率。冷卻水溫往往沒有引起足夠的重視，冷卻水的作用是將型材拉伸的大分子鏈及時冷卻定型，達到使用目的。緩慢的冷卻可以使分子鏈有足夠的時間舒展，有利于定型。而急速冷卻，水溫與擠出型坯的溫差太大，制品受驟冷不利于制品低溫性能的提高。從高分子物理學解釋，PVC大分子鏈在溫度、外力的作用下，發生卷曲、拉伸過程，當溫度、外力撤出后，大分子鏈沒有及時恢復自由狀態而外于玻璃態，大分子鏈雜亂無序排列，造成宏觀上制品低溫沖擊性能低。從塑料加工工藝學解釋PVC異型材在擠出后，制品撤去溫度、外力后有應力松弛過程。適宜的冷卻水溫有利于這個過程。冷卻水溫過低，制品中的應力沒有來得及消除，造成制品性能下降。所以異型材冷卻采用緩冷方式，并可防止成型后的制品翹曲，彎曲和收縮現象，可以防止由于內應力作用而使制品沖擊強度降低。一般水溫度控制在20℃。為了使型坯柔和地冷卻而不致驟冷，將連接冷卻定型套的水管接在定型的后部，讓水在定型套中流動方向與型坯運動方向相反而從定型套前排出。這樣也不致于造成因水溫過低造成型坯驟冷、產生過大內應力，使型材脆化，型材的抗沖擊性能下降。
　　四、混料設備和擠出設備在本章中作為一個固化因素不再論述
　　五、值得我們商討的是有一種情況，在型材取樣試驗時，無論是冷沖、角強度還是加熱后尺寸變化率等都達標，(GB/T8814-2004)，但是在下料時切口還是有輕微不明顯的崩口現象，特別是內筋
　　一種說法此種現象屬正常現象是受外界因素影響即：
　　①門窗制作時，加工環境溫度低于12℃。這不僅對下料造成崩口，而且對焊角強度等都會造成一系列影響；
　　②下料時進鋸速度過快，通常這時切割鋸切割時聲音比較急促且尖銳；
　　③切割鋸片老化或有脫齒現象。
　　另一種則認為還是型材本身的原因，即配方和擠出工藝等，筆者認為這幾個方面兼而有之，除以上說法外。這里面還有一個剛性指標和柔性指標的協調問題。即只要找到其最佳平衡點，那么問題就會迎刃而解。
　　(1)配方體系對剛性指標和柔性指標的影響，配方中要增加或減小剛性指標必然要增加或減少填料，而增加填料又直接影響其柔性指標。填料過多，型材便會出現冷沖不達標，焊接強度降低。填料過少，型材便會出現尺寸變化率大。相同的是增加或減小柔性指標，必然要增加或減小抗沖改性劑或加工助劑，而增加或減小加工助劑又直接影響其剛性指標。加工助劑過多，則型材剛性指標下降；加工助劑過少，則型材剛性指標上升，在配方中這兩者是一個既矛盾又統一的相互制約的因素，但不能說要提高剛性指標卻又要保持柔性指標便可以在增加填料的同時又無原則增加加工助劑，這是不合理的。所以在配方體系中要確定一個最佳結合點，以達到其剛性和柔性的平衡。
　　(2)擠出工藝對型材剛性和柔性指標的影響。擠出溫度設定的高低是影響物料塑化程度的因素之一，物料過塑化物料中的低分子聚合物分解，揮發，造成分子間結構變化會增大剛性指標和降低柔性指標。物料塑化不足，物料中各組分的分子之間還沒有充分溶合會降低剛性指標，同時柔性指標得到充分展現。螺桿轉矩和擠出壓力與型材的剛性指標成正比，隨轉矩和壓力升高而增加。柔性指標則與其成反比，隨轉矩和壓力的升高而降低。
　　需要補充的是，在剛開機擠出時會偶然發現個別型材沒有崩口現象，但卻發現其內筋已有輕微氣泡，這又是一個新問題。有三種假設：
　　①此段型材擠出時的加工溫度要高于常規工藝溫度，如果是則說明前面我們所設定的加工工藝溫度偏低，型材欠塑化，而要提高工藝溫度卻不要讓其內筋發泡，則要適當增加穩定劑的用量，這當然也與物料的擠出速度即物料在機筒內的停留時間有關。
　　②螺桿芯溫過高，如是這種情況則更好解決，適當降低螺桿芯部溫度便可。
　　③主機沒有開真空或真空度過低。如是這樣則型材的加熱后狀態不過關，如果加熱后狀態沒有問題則還是要回到前面兩個問題中去。
　　這也就說明，雖然型材試驗各項指標都合格，也不能說明你的配方體系和擠出工藝絕對沒有問題，說不準在哪個環節出現小小的紕漏。因此我們在研究任何問題時都要統籌考慮，不能枉下結論就是哪一點，哪一方面的問題，造成無端的爭辨，我們應該本著嚴謹的科學態度逐一排查，逐一斟酌。我們在解決這方面的問題時要找到一個基準，并且將其固化才能去研究另一個因素有沒有問題。(這方面楊忠久老師在《關于設備、模具、配方與工藝調整基準問題》文章中已詳盡論述，本文不再重復)。這樣才不致于無所適從，才能找到問題的所在，才能將問題徹底解決。