設計擠出PVC-U門窗異型材配方
1 樹脂及助劑的選擇
1.1 PVC
生產PVC-U門窗異型材的，一般都使用懸浮法生產的疏松型PVC(SG-5)。特別需要指出的是，生產PVC的原料--乙烯宜選用石油裂解法生產的，最好不用電石法生產的。
1.2 熱穩(wěn)定劑
(1)熱穩(wěn)定劑的常用品種
鉛類熱穩(wěn)定劑 在鉛類熱穩(wěn)定劑中，三鹽基硫酸鉛的熱穩(wěn)定性能最好，應用最廣；二鹽基亞磷酸鉛的熱穩(wěn)定性和耐初期著色性顯著，同時賦予制品良好的耐候性，而二鹽基硬脂酸鉛 和硬脂酸鉛熱穩(wěn)定性稍差，但潤滑性強。鉛鹽的最大缺點是有毒性，且外觀易變色。鉛類熱穩(wěn)定劑的發(fā)展重點在于消除粉塵污染，開發(fā)復合型鉛鹽。南京、溫州、重 慶是國內三大無塵復合鉛鹽生產基地，制造時大多是配合酯類潤滑劑，產品有粒狀、片狀，可較好地解決粉塵污染問題。
金屬皂類穩(wěn)定劑 依其功能和機理分為主、輔兩類。主金屬皂穩(wěn)定劑以Cd、Zn為主，輔助金屬皂穩(wěn)定劑以Ba、Ca為主，主、輔金屬皂配合使用，具有協(xié)同效應，具有代表性的 是Ba-Cd、Ba-Zn和Ca-Zn。國內常用的為Ca-Zn和Ba-Zn體系。山東招遠化工廠引進美國Ferro公司技術建成的3000t／a復合金 屬皂的裝置，可生產260個牌號的包括Ca、Zn、Ba、Cd在內的復合金屬皂產品。
有機錫穩(wěn)定劑 有機錫類穩(wěn)定劑主要分為含硫有機錫和有機錫羧酸鹽兩類。
有機輔助穩(wěn)定劑 有機輔助穩(wěn)定劑通常與金屬鹽穩(wěn)定劑并用，產生協(xié)同效應。主要包括亞磷酸酯、環(huán)氧化合物、多元醇、含硫輔助穩(wěn)定劑、β-二酮輔助穩(wěn)定劑。
稀土穩(wěn)定劑 稀土穩(wěn)定劑是我國新近開發(fā)出的新型熱穩(wěn)定劑，具有價廉、無毒、性能高、透明性好、儲存穩(wěn)定、耐候性優(yōu)良等特點。實際使用的稀土穩(wěn)定劑通常是稀土與金屬鈣或 鋅的有機混配復合物。近年來稀土穩(wěn)定劑在我國發(fā)展非常迅速。常熟合成化工廠與中國科技大學聯(lián)合開發(fā)的以鑭系稀土元素為主要原料、與硬脂酸鹽復合而得的復合 穩(wěn)定劑，綜合性能優(yōu)于三鹽基硫酸鉛等傳統(tǒng)鉛鹽類穩(wěn)定劑。浙江大學和浙江仙居合成化工廠研制的雙氧油酸稀土穩(wěn)定劑已形成40t／a的生產規(guī)模。江陰市華土工 業(yè)日用品化工廠新近推出了三個牌號的稀土穩(wěn)定劑，適用于不同的應用領域。肇慶鼎湖精細化工廠開發(fā)了的L518硬脂酸稀土-鋅系復合熱穩(wěn)定劑，用途廣泛。福 州二輕工業(yè)研究所研制的稀土復合穩(wěn)定劑，透明性接近有機錫產品，可替代硬脂酸鎘用于無毒制品。廣東工業(yè)大學開發(fā)的稀土復合熱穩(wěn)定劑RHS-2無毒，可替代 Ba-Cd。北京華通發(fā)技術開發(fā)公司開發(fā)的熱穩(wěn)定體系的復合加工助劑已形成5000t／a的生產能力。
(2)熱穩(wěn)定劑的選用
不同國家和地區(qū)使用熱穩(wěn)定劑的種類差別較大。美國熱穩(wěn)定劑的構成特點是有機錫類穩(wěn)定劑產量較高，鉛鹽穩(wěn)定劑比例低。熱穩(wěn)定劑的開發(fā)方向是無鉛、無鎘化。 日本鉛鹽類熱穩(wěn)定劑的用量偏高，占50％以上，主要用于生產電纜料、PVC管材、異型材等。Ba-Zn鹽類消耗量占第二位，其次是Ca-Zn類、Ba- Zn類和有機錫類。在歐洲，傳統(tǒng)的熱穩(wěn)定體系是Ba、Cd、Pb系，迫于環(huán)保法規(guī)的壓力，型材生產廠開始試用新的熱穩(wěn)定體系，如Ca-Zn體系等。
1.3 抗沖擊改性劑
在PVC塑料門窗異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)來提高PVC的沖擊強度和耐候性。
PE-C抗沖改性劑 PE-C的含氯量對改性PVC性能影響很大。PVC-U門窗異型材用抗沖改性劑PE-C氯含量為36％左右。PE-C與PVC不相容，但如果溫度太高或施 加過大的剪切力，PE-C可能會熔融在PVC中，使性能大大降低，因此PE-C配方加工范圍很窄。PE-C在PVC中理論加入量為10％-13％。
ACR類抗沖擊改性劑 ACR改性劑是將甲基丙烯酸甲酯接枝在烷基丙烯酸酯彈性體上制成的。ACR抗沖擊改性劑適用于戶外使用的PVC-U塑料制品。與其它抗沖擊改性劑相 比，ACR具有加工溫度范圍較寬、抗沖擊效果明顯、耐老化性能優(yōu)良、兼有加工助劑的作用等特點。ACR尤其適用于異型材的高速擠出。
德國門窗型材配方中一直采用PE-C作為抗沖擊改性劑，近幾年來，ACR抗沖擊改性劑使用量正逐漸擴大。美國的窗用PVC型材一般用ACR類作為抗沖擊 改性劑。而我國絕大多數(shù)塑料門窗廠采用價格便宜的PE-C作為抗沖擊改性劑，近幾年，部分廠家開始使用Rohm-Haax的KM系列、Eif-Ato公司 的D200，及國產的ACR-AL(Ⅱ)來改性PVC。將來國內的發(fā)展趨勢也應是由ACR逐步取代PE-C。
1.4 潤滑劑
在PVC-U門窗異型材成型加工用潤滑劑中，復合潤滑劑是最近的發(fā)展方向，其優(yōu)點在于：內潤滑性和外潤滑性比較平衡，且在擠出加工初期、中期和后期的潤 滑效果比較平衡。常用的復合潤滑劑有石蠟烴類復合潤滑劑、金屬皂及石蠟烴復合潤滑劑、脂肪酰胺與其它潤滑劑復合物、以褐煤蠟型為主體的復合潤滑劑、穩(wěn)定劑 與潤滑劑復合體系等。
1.5 加工助劑
PVC用高分子加工助劑分子量一般為1.2×105-2.5×106，現(xiàn)有的PVC用高分子加工助劑有ACR、MBS、ABS、E／VAC、PE-C、PVC-VC等，其中最有效的是ACR。
PVC加工助劑的開發(fā)趨勢是高效、功能多樣化，當今應市的產品不僅有促進樹脂熔融和流變改性的功能，還兼具其它一些性能，比如耐沖擊性能、熱穩(wěn)定性能 等。國內PVC加工助劑的產量及品種數(shù)量都明顯低于國外發(fā)展水平，目前國內有上海珊瑚、蘇州安利、山西省化工研究所、北京市化工研究所、湖南寶慶化工廠等 科研生產基地。
1.6 填料
近年來，隨著填料制備技術的不斷發(fā)展，超細的無機填料可同時提高塑料的剛性及韌性這一特點正越來越受到重視。提高填充PVC-U韌性的另一種很有效的方法是用偶聯(lián)劑處理填料。工業(yè)上常用的偶聯(lián)劑按化學結構可分為硅烷類、鈦酸酯類、鋁酸酯類、鋯類等幾大類。
1.7 著色劑
PVC-U門窗異型材用著色劑，除了應具備的基本性能(顏色、著色力、遮蓋力、耐光性和耐候性)外，還應考慮擠出加工條件的穩(wěn)定性。異型材高速擠出已成 為目前的發(fā)展潮流，高速擠出物料的溫度大幅度上升，達到原來部分可溶性有機著色劑能完全溶解的溫度，從而引起顏料顏色的變化。例如，PVC的溫度上升，可 使顏色從紅色變?yōu)槌壬蛘邚某壬優(yōu)辄S色。
PVC-U門窗異型材以白色的耐候性和耐老化性最好。在常見的白色顏料中，二氧化鈦 的折射率最大，著色力最強，應用最為廣泛。金紅石型二氧化鈦密度較高，折射率較大，兼有屏蔽紫外線的功能，不僅著色力好，還能有效提高PVC-U門窗異型 材的耐候性和耐熱性；銳鈦型二氧化鈦著色力較小，耐候性較差，應用受到限制。實踐表明，二氧化鈦著色力最好的粒徑范圍為0.25-0.30μm。
1.8 其它特種助劑
(1)化學發(fā)泡劑
化學發(fā)泡劑常用偶氮二甲酰胺(AC)。AC與PVC的相容性、分散性雖好，但分解溫度較高，在實際使用時必須添加一些發(fā)泡促進劑，如穩(wěn)定劑等。常用穩(wěn)定劑所起活化作用的順序是：三鹽基性硫酸鉛＞二鹽基性亞磷酸鉛＞硬脂酸鉛＞硬脂酸鋇＞硬脂酸鈣。
最近化學發(fā)泡劑的發(fā)展趨勢是將吸熱和放熱型化學發(fā)泡劑復合以獲得最佳性能。放熱型化學發(fā)泡劑提供低密度所需的氣體體積和壓力，而吸熱型化學發(fā)泡劑則賦予制品穩(wěn)定、細密、規(guī)整的泡孔結構。
(2)阻燃消煙劑
阻燃劑雖能有效提高PVC-U的阻燃性，卻往往帶來煙霧和有毒氣體釋放量的增加。
目前我國PVC建材用低煙難燃級產品開發(fā)的新動向是在阻燃體系中同時考慮阻燃和消煙的雙重要求。四川消防科學研究所采用多種金屬氧化物，輔以PVC改性 劑制得SSH-93N阻燃消煙劑，它對PVC有較好的阻燃和消煙作用。汕頭大學采用Sb2O3、CaCO3和金屬氧化物制成了阻燃消煙體系。總后勤部軍需 裝備研究所經過實驗發(fā)現(xiàn)，氧化鋅和氧化鎂的固相熔體是一種較好的阻燃消煙劑，其加入量為2％。北京理工大學研制了兩種高效抑煙劑--鉬化合物和鎂-鋅復合 物，加入2-5份時，可使PVC發(fā)煙量減少30％-50％。鄭州輕工學院以AL(OH)3為主體并配有多種無機阻燃劑，研制成無機復合阻燃劑，它具有添加 量少、阻燃性好、低煙、無毒、價格低等特點。山西省化工研究所開發(fā)成功復合阻燃PVC抑煙劑FZY-14及FZY-21，當用量為7％-10％時，可使 PVC-U達到阻燃消煙性能指標。惠州大學制備出了用于PVC-U的難燃抑煙的FR-X阻燃消煙劑。
2 配方設計及評價
PVC-U門窗異型材的配方設計是一項復雜的工作，必須考慮制品的性能指標、成型設備、成型工藝、各類原材料的性能、用量以及價格等因素。PVC-U門窗異型材的主要性能要求是應具有良好的力學性能和加工性能，耐熱、耐寒、耐燃、耐老化。
2.1 配方設計方法
PVC-U異型材材料由PVC、穩(wěn)定劑、加工助劑、抗沖擊改性劑、潤滑劑、填料等多種添加劑混配而成，這些原料的種類、生產廠家、批次，以及用量都會影響制品的性能。為了最少的實驗次數(shù)獲得最優(yōu)配方，可采用正交優(yōu)化試驗方法。
2.2 PVC及添加助劑的選用依據(jù)
選用PVC及添加助劑主要根據(jù)制品的性能要求與原材料的特性之間的關系確定。
加工性能 純PVC的成型溫度和分解溫度很接近，成型很困難。PVC的分子量、加工助劑、潤滑劑、抗沖擊改性劑及穩(wěn)定劑等都會影響其流動性能。合理的配方應保證PVC-U具有適宜的流動溫度和良好的成型加工性。
光、熱穩(wěn)定性 改善PVC熱穩(wěn)定性的主要方法是加入熱穩(wěn)定劑，選用熱穩(wěn)定劑時要從熱穩(wěn)定性能(包括在加工初期、和加工中后期的穩(wěn)定作用)、毒性、價格等方面綜合考慮。二 鹽基亞磷酸鉛不僅具有熱穩(wěn)定作用，而且對紫外線有較強的吸收作用，因此在使用鉛鹽作為PVC-U門窗異型材的熱穩(wěn)定劑的場合，往往配合使用一定量的二鹽基 亞磷酸鉛。無機填料金紅石型二氧化鈦具有優(yōu)異的抗紫外線功能。此外，紫外線吸收劑也可提高PVC制品的光穩(wěn)定性，但應注意金紅石型二氧化鈦與紫外線吸收劑 具有相互抵消作用。
耐沖擊性能 純PVC的耐沖擊性能差。沖擊強度一般隨PVC分子量增加、抗沖擊改性劑用量的增加而提高。但無機填料的加入一般會降低制品的沖擊強度。但最近的研究表 明，納米CaCO3填充PVC的沖擊強度反而會提高。應注意潤滑劑的種類和用量有時也會影響制品的沖擊強度。
2.3 配方中各組分之間的關系
PVC-U門窗異型材配方中各組分的作用是相互關聯(lián)的，在選擇助劑時應全面考慮各方面因素。比如在ACR改性PVC體系中，如潤滑劑選擇和配合不當，可 使抗沖擊改性劑的作用全部失效；為了提高PVC的耐沖擊性，可添加橡膠或彈性高聚物，但這同時會引起彈性模量、剛性、耐熱性的下降；若選用金屬皂為熱穩(wěn)定 劑，則應適當減少潤滑劑的用量，否則會影響正常的擠出。
2.4 配方評價
PVC-U門窗異型材配方的評價應以GB8814-1998"門、窗框用PVC-U型材"規(guī)定的指標為主。當然，可用模塑料制成標準試樣來試驗，但用模塑料得到的指標一般要優(yōu)于用同樣配方擠出型材的指標。
PVC-U的加工過程通常由配料、塑化、成型、定型等步驟組成。GB 8814-1998是對制品的最終性能進行檢測。運用毛細管流變儀、轉矩式流變儀等可對PVC配混料的加工性能進行測試，可在PVC加工成制品前對配方的 優(yōu)劣作出初步評價。加工性能測試的核心是物料的塑化特性和熔體的流變性。
評價加工澇能的設備主要有雙輥開煉機、毛細管流變儀、轉矩流變儀、實驗單螺桿擠出機、小型雙螺桿擠出機等。
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