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1、1 硬聚氯乙烯高发泡型材挤出技术及应用摘 要 介绍硬质聚氯乙烯（ PVC-U）发泡型材的性能特点、发泡成型机理及生产工艺流程等。讨论了 PVC-U发泡型材的配方设计及重点工艺参数的控制要点，提出对成型设备的性能要求。制备了宽 180 mm、厚 12 mm的 PVC-U发泡板材，其外观、截面、翘曲、尺寸极限偏差及力学性能等指标均达到 QB/T2463.2 1999 标准要求。关键词 发泡型材、成型原理、生产工艺在 UPVC 塑料异型材挤出生产已经成熟的基础上，随着技术创新能力和应用水平的进一步提高和发展， UPVC 高发泡型材的生产应用开始成为一个新的热点。利用化学反应发泡法所制造的 UPVC发
2、泡型材又称为“合成木材” ，由于其不仅具有类似于天然木材的特点，更具有许多天然木材所不具备的性能优点，从而使其应用更为广泛。在目前国家正在重点鼓励和发展化学建材产业的形势下，该产品具有非常大的市场发展潜力。1 UPVC 发泡型材的性能特点1.1 平均密度为 0.50.8g/cm 3，远远低于 UPVC 塑料的密度（ 1.35 1.45 g/cm3） ，质轻而坚硬，表皮光洁、硬度高、抗刮划。1.2 极低的热传导性， 具有良好的隔热、 隔音效果。1.3 高抗化学腐蚀性， 不腐蚀， 使其成为化工领域的理想选用材料。1.4 阻燃、自熄，防火性能好。1.5 吸水性低， 能在潮湿的环境中长期使用， 不变形
3、。1.6 防虫蛀，抗老化，抗紫外线与日晒。1.7 表面可加工成类似木质花纹， 无需油漆， 装饰效果好。1.8 可粘、可钉、可钻、可锯、可攻螺丝等，可用常用工具和材料加工、组装。2 UPVC 发泡型材的应用2.1 家具行业对 UPVC 发泡型材的需求量较大， 在欧美已应用于组合式家具、隔离栏栅以及座椅等。由于其一次成型并可在表面制有木纹，无需木工、油漆等特点，大有取代传统木材而广泛应用于家具领域的趋势。2.2 UPVC 发泡板材可广泛应用于广告展览业、 门板、 交通标志牌、 汽车、 轮船等交通工具的内饰板、隔离板、居室的吊顶、隔断屏风、各种简易结构的轻质墙体材料、施工现场的混凝土建筑模板等。2.
4、3 随着住房装修水平的提高， 人们对吊顶、 护墙板、地板、各种角线等室内装修材料要求也越来越高， 而 UPVC 发泡型材以其逼真的仿木效果、 高品位的外观和色彩、优良的阻燃、防潮性能以及无需油漆、易加工的特点，在室内装饰装潢方面的应用日益受到消费者的青睐。2.4 目前国外厂家已经将 UPVC 发泡型材应用于门窗制品，使该类型的发泡制品以其优越性能独领风骚。除此之外，作为外墙挂板，欧美国家在建筑外墙装饰方面也开始在大量使用。以欧美市场为例， UPVC 发泡材料的生产应用近年来均以每年 30的速度递增。3 UPVC 发泡型材的发泡成型机理 【 1】在实际工业生产过程中， UPVC 发泡塑料主要是利
5、用化学发泡剂高温分解逸出气体在熔体中发泡成型的，整个发泡过程可以分为三个阶段：气泡核的形成、气泡的增长和发泡体的稳定成型。3.1 气泡核的形成所谓的 “气泡核” 就是指在 UPVC 高温熔体中由发泡剂分解逸出的气体所形成的原始微泡。要形成气泡核，必须使熔体中具备两个条件：大量的热点和过饱和气体。因此，只有在生产过程中控制好发泡剂的数量，使得在熔体中出现大量的过饱和气体和均匀分布的气泡核，才能得到泡孔均匀细密的优质发泡体。3.2 气泡的增长影响气泡增长的因素主要有熔体的粘度、 熔体2 的弹性、发泡剂的种类、气体的扩散系数、气液的界面张力、熔体的温度和压力等。气泡核形成以后， 温度的升高导致气泡受
6、热膨胀，气泡的孔径不断扩大；同时，当两个直径大小不同的气泡靠近时，压差的存在使得气体从小气泡扩散到大气泡而使气泡合并；另外，发泡剂继续生成大量的气泡，这些气泡在压力环境下又不断地溶入熔体。因此使得气泡的孔径和数量得到增长，同时也使得塑料发泡体不断胀大。熔体的粘度、 弹性和气液的表面张力对气泡的增长又起到了阻碍作用。因此，通过改变其他条件降低熔体的粘度和表面张力，会利于气泡的增长。3.3 发泡体的稳定成型为了达到气泡的持续生成和增长， 使得发泡体系的体积和表面积具有不断增大的趋势，一种方法是加入丙烯酸酯类助剂作为表面活性剂来降低表面张力，提高熔体强度；另一种方法是对发泡体系施压并通过冷却来使发泡
7、体定型， UPVC 发泡型材的生产就是采用这种方法。4 UPVC 发泡型材的配方设计要点 【 2】UPVC 发泡异型材的主要组份有 PVC 树脂、 发泡剂、稳定剂、改性剂、填充剂等。4.1 PVC 树脂无论是利用乳液法、悬浮法还是本体法合成生产的 PVC 树脂都可以用来进行发泡生产。针对UPVC 发泡型材的使用性能要求，既要使制品内部泡孔致密均匀，尺寸稳定性强，又要具有较高的外观质量，还要具有较高的力学强度。再考虑成本、工艺等因素，一般采用 K 值为 58 62 的中等相对分子量的 PVC 树脂。4.2 发泡剂UPVC 发泡型材使用的是化学发泡剂，在工业生产中对发泡剂的要求是分解温度应与 PV
8、C 熔融温度接近并比较稳定可控；单位重量的发气量要大且分解气体无可燃性、腐蚀性和毒性；分解时放热量不大且分解后残余物无色、无嗅、无毒，不影响原料性能且能与原料熔体具有良好的相溶性；价格低廉并能够稳定储存。目前常用的是偶氮二甲酰胺（ AC ）发泡剂。4.3 稳定剂与 UPVC 型材的生产类似，常用的稳定剂有铅盐类、有机锡类、稀土类及金属皂类等，可以根据实际情况自行选用。但应考虑利用稳定剂来降低AC 发泡剂的分解温度、调节发泡速度时的损耗，因此用量要比普通的 UPVC 型材稍大一些。4.4 改性剂改性剂主要作用是提高 UPVC 混合料的熔体强度，抑制过大泡孔的形成，改善泡孔的结构和熔体的流动性，同
9、时提高物料的塑化速度，缩短塑化时间。目前大多采用聚丙烯酸酯（ ACR ） 。4.5 润滑剂常用的润滑剂有硬酯酸、石蜡及氧化聚乙烯蜡等。硬酯酸可以减少熔体的内摩擦力，石蜡及氧化聚乙烯蜡可以降低熔体与加工设备表面的粘附性，但用量大时都会影响物料的塑化时间。4.6 填充剂填充剂的主要作用是改善熔体的流动性、增加制品的力学性能、 降低制品成本等。在 UPVC 发泡型材生产中，填充剂还要起形成气泡核的成核剂的作用。这类物质主要有一些金属氧化物、硅酸盐类及活性碳酸钙等，根据发泡体密度要求，用量一般不超过 10 份。4.7 实用配方举例组份名称添加份数（ Kg ）组份名称添加份数（ Kg）PVC 树脂 10
10、0 活性 CaCO3 10 稳定剂 4 6 钛白粉 2 3 发泡剂 0.5 0.9 PE 蜡 40 70g 聚丙烯酸酯 3 5 着色剂 适量5 UPVC 发泡型材的生产工艺流程UPVC 发泡型材的生产采用锥形双螺杆挤出成型工艺 ,其生产流程如下：PVC 树脂辅 料高、低速混合 挤出发泡成型牵引切割 成品堆放3 6 UPVC 发泡型材对挤出设备的要求 【 3】UPVC 发泡型材挤出设备分为 5 大部分：挤出机、机头、冷却定型台、牵引切割机和集料装置。由于UPVC 发泡型材生产技术复杂，对设备方面的要求也较高。为了保证对挤出发泡工艺的严格控制从而得到高质量的制品，首先应保证生产设备在技术上符合要求
11、：6.1 挤出机用 PVC 干混粉料直接挤出 UPVC 发泡型材，一般采用双螺杆挤出机效果比较好，其基本要求是：6.1.1 挤出机的传动系统动力要足够大，足以输送高粘度、高弹性的发泡熔体。6.1.2 挤出机螺杆压缩比为 2 3，必须产生足够的熔体料压，以防止熔体在机筒内提前发泡。6.1.3 挤出机螺杆平均长径比（ L/D ）为 22 28 较好，混炼能力要强，以便 PVC 粉料与各种填料均匀混合并充分塑化。6.1.4 由于选用填料 （ CaCO3、 TiO 2 等） 作为发泡成核剂，加大了熔体加工时对挤出机的磨损，要求挤出机螺杆、机筒耐磨性好。6.1.5 由于发泡剂 AC 分解后的固体残渣和升
12、华物中有强腐蚀性的三聚氰酸（氰尿酸） ，加大了熔体的腐蚀性，因而要求挤出机螺杆、机筒耐腐蚀性要好。6.1.6 由于发泡熔体性能对温度比较敏感，要求挤出机的温控系统精度要高。6.2 机头挤出机头即口模成型部分， 是 UPVC 发泡型材成型的关键部分。挤出机头的基本要求是：6.2.1 机头各流道设计合理、流速均匀，不应有死角，模口出口区的阻力要小，模内壁应光滑。6.2.2 机头可进行温度调节，温度波动小。6.2.3 机头强度好，刚性高，承受压力高而且压力可调，防止熔体提前发泡。6.2.4 与挤出机一样具有耐腐蚀、耐磨损的性能。6.3 定型台UPVC 发泡型材中定型台冷却定型性能的好坏，将决定其结皮
13、层和发泡层的厚度、尺寸稳定性及最终性能， 也是 UPVC 发泡型材加工中的重要部位。其基本要求：6.3.1 由于发泡塑料层传热性差，要将发泡体冷却并迅速定型，必须配备足够的冷却装置。6.3.2 冷却定型能力足够且可调节， 现一般配备三台5.5KW 的真空泵，宽幅板材一般在五台以上。6.3.3 冷却定型装置内表面应光滑，表面粗糙度 0.8以上。6.3.4 考虑发泡塑料层的收缩， 定型部分尺寸应留出一定的收缩量。6.4 牵引切割机UPVC 发泡型材生产线中的牵引机的性能好坏对制品的密度、发泡程度、泡孔结构、尺寸和出料的均匀性都有很大影响。其基本要求是：6.4.1 由于发泡熔体出口阻力大，其牵引动力
14、应比一般异型材的牵引动力大， 最小牵引力应为 30KN 。6.4.2 由于 UPVC 发泡型材表面是发泡层， 可压缩，刚性差，因此牵引设备的接触压力不宜过大。6.4.3 具备无级变速调节， 以适应加工不同规格型材所需的牵引速度，目前大多采用变频器调节牵引速度，可完全实现这种无级调节的需要，牵引速度在0.1 5m/min 可调。6.4.4 切割部分要实现对制品的准确计长，现在一般用行程开关或光电开关进行控制。6.4.5 切割速度和锯片进给速度要可调，确保平缓切割，保证截面质量，降低切割噪音。6.5 集料装置UPVC 发泡型材的集料装置和一般型材生产线相同。目前有一些自动化程度较高的装置，可以实现
15、对制品的自动码放与输送。在设备研制方面，我们公司继承并优化、融合了原北京福田塑机公司的资源优势，与北京化工大入库检验 包装4 学、华南理工大学等专业院校进行了深入广泛的合作，并在行业内专家的指导下，经过两年多刻苦不懈的努力，终于开发出了适合高发泡型材生产的设备，目前已经批量投产，并在广东顾地塑胶股份有限公司进行了广泛应用。7 UPVC 发泡型材挤出生产中的重点工艺控制在 UPVC 发泡型材的挤出发泡生产过程中， 同时存在着物料塑化、发泡两个方面的技术问题，发泡是最主要的方面。在挤出发泡塑料的工业化生产中，有两种基本工艺，一种是自由发泡工艺，另一种是可控发泡工艺 （即塞路卡法） 。 UPVC 发
16、泡型材的基本工艺是后者。其基本成型原理是：用特殊结构来控制挤出发泡的膨胀速率，逐步扩大空间来控制熔体压力减少的速率，并由外表面与温度低于塑化软化温度的模壁表面接触而定型。因此，在 UPVC 发泡型材工艺方面，重点要做好发泡工艺的控制。在 UPVC 发泡型材生产过程中， 影响其质量的工艺因素主要是：温度、压力和速度三个方面。7.1 混料温度的影响在混料的过程中，热混温度一般控制在 125左右。如果温度过高，会导致 PVC 分解，影响挤出过程中的稳定；如果温度过低，会导致物料发“生” ，生产时物料不易塑化，导致制品性能下降。冷混的温度应控制在 40以下放料。放料温度过高，混合料在放置的过程中，不能迅速散热，导致混合料吸收空气中的水分而受潮泛黄。在控制混料温度的同时，还应当注意控制混料时间。在混料温度相同的情况下，如果混料时间不够，也会影响物料的预塑化。7.2 挤出温度的影响UPVC 发泡型材对加工温度要求很苛刻，挤出温度过高会引起物料的发泡过大，甚至根本无法成型，导致物料分解，造成模具糊料。如挤出温度过低，又往往会塑
