討論影響聚氯乙烯塑化質(zhì)量的因素

王 英 劉紅霞

（新疆天業(yè)股份有限公司塑料制品總廠，新疆石河子，832000）

討論影響聚氯乙烯塑化質(zhì)量的因素

王 英 劉紅霞

（新疆天業(yè)股份有限公司塑料制品總廠，新疆石河子，832000）

探討聚氯乙烯擠出加工成型的塑化過程中，影響塑化質(zhì)量的混料、設(shè)備、模具、擠出工藝等因素。

聚氯乙烯加工；塑化質(zhì)量；混料；設(shè)備；模具，擠出工藝

前言

高分子化合物中塑料、合成纖維、樹脂等是近年來廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域的重要有機(jī)聚合材料。聚氯乙烯（以下簡(jiǎn)稱PVC）是五大通用塑料之一，其產(chǎn)量?jī)H次于聚乙烯居第二位。PVC以其特有的阻燃、絕緣、耐磨損等優(yōu)良的綜合性能贏得了廣闊市場(chǎng)，廣泛應(yīng)用于輕工、建材、農(nóng)業(yè)、日常生活、包裝、電力、公用事業(yè)等部門。尤其在建筑塑料、農(nóng)用塑料、塑料包裝材料、日用塑料等領(lǐng)域占用重要地位。

聚氯乙烯擠出加工成型過程中塑化質(zhì)量將直接影響PVC塑料制品質(zhì)量，因此研究聚氯乙烯擠出加工成型過程中塑化質(zhì)量的影響因素是確保 PVC塑料制品質(zhì)量的關(guān)鍵之一，對(duì)PVC塑料制品加工有著十分重要的意義。

1 聚氯乙烯擠出加工成型的塑化機(jī)理

擠出成型是塑料成型加工的一種方式，聚氯乙烯樹脂在擠出機(jī)中的運(yùn)動(dòng)過程是一個(gè)塑化過程。在聚氯乙烯的生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品質(zhì)量與物料擠出塑化質(zhì)量有直接關(guān)系。聚氯乙烯塑化質(zhì)量，是指聚氯乙烯樹脂經(jīng)過擠出機(jī)的高熱和剪切加工通過模具定型后，在PVC塑料制品質(zhì)量上的反映。其塑化過程，從物料狀態(tài)上看是一種轉(zhuǎn)化，由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化為高彈態(tài)，再轉(zhuǎn)化為粘流態(tài)；從聚集態(tài)結(jié)構(gòu)上看，是一種結(jié)構(gòu)重組，從樹脂顆粒被破碎到初級(jí)粒子被破碎，再到一級(jí)粒子的破碎，最后形成自由的大分子鏈。從一定意義上說，聚氯乙烯樹脂的塑化質(zhì)量就是PVC粒子被破壞的程度。

聚氯乙烯樹脂在雙螺桿擠出機(jī)機(jī)筒中的塑化分：固體輸送段、熔融段、熔體輸送段三個(gè)歷程。

在固體輸送段，PVC粒子被致密地壓實(shí)后，形成在螺槽上滑動(dòng)的固體床或固體塞。固體塞運(yùn)動(dòng)是依靠機(jī)筒表面與固體塞之間的摩擦力，而螺桿與固體塞之間的摩擦力卻阻止固體塞運(yùn)動(dòng)。所以在機(jī)筒內(nèi)，造成PVC粒子不在同一個(gè)方向前進(jìn)，而是不時(shí)地翻滾，打滑，隨螺桿旋轉(zhuǎn)、“架橋”，在“橋”后堆積起來，再突破“橋”，隨著PVC物料的擠出，物料在機(jī)筒內(nèi)的流動(dòng)，過程反復(fù)進(jìn)行。在這個(gè)區(qū)域，良好的塑化質(zhì)量，從狀態(tài)上看，PVC大分子由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化為高彈態(tài)；從聚集態(tài)結(jié)構(gòu)看，50～60%的PVC樹脂顆粒被破碎變成初級(jí)粒子，各種助劑粒子的表面與初級(jí)粒子表面充分接觸、擴(kuò)散。

在熔融段，PVC粒子在被擠壓致密的同時(shí)，建立了相當(dāng)大的壓力，這些壓力與周圍介質(zhì)的軟化作用一起，把壓實(shí)的顆粒變成密實(shí)的膏狀固體。這時(shí)的膏狀固體是由一部分高彈態(tài)PVC樹脂、一部分玻璃態(tài)PVC樹脂和少量的粘流態(tài)PVC樹脂組成的混合狀態(tài)。膏狀固體具有螺旋形螺槽的形狀并且在螺槽內(nèi)滑動(dòng)。由于這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在膏狀固體和機(jī)筒表面之間的熔膜內(nèi)便產(chǎn)生了速度分布。于是，熔膜中的熔體開始向螺紋推進(jìn)、流動(dòng)，當(dāng)它遇到螺棱時(shí)，螺棱便將熔體從機(jī)筒上“刮下”，并且聚集在推進(jìn)螺紋前方的螺槽后部的熔池中。當(dāng)膏狀固體沿著螺槽移動(dòng)時(shí)，越來越多的熔料被帶入熔池，膏狀固體被逐漸破壞而成為粘流態(tài)向前輸送。良好的塑化質(zhì)量，從狀態(tài)上看，PVC大分子狀態(tài)由高彈態(tài)轉(zhuǎn)化為粘流態(tài)；從聚集態(tài)結(jié)構(gòu)看，PVC樹脂顆?；酒扑椋?0～70%PVC初級(jí)粒子破碎變化為一級(jí)粒子，各種助劑分子表面與PVC一級(jí)粒子表面接觸，形成物理與化學(xué)的結(jié)合。

熔體輸送段，熔體大分子在剪切作用下與各種助劑進(jìn)一步反應(yīng)，被均化。連續(xù)PVC物料粘流體不斷地定量擠出，形成熔體壓力，保證了聚氯乙烯最終成型產(chǎn)品的密實(shí)度。在這個(gè)區(qū)域，良好的塑化質(zhì)量，從狀態(tài)上仍保持PVC大分子粘流態(tài)，從聚集態(tài)結(jié)構(gòu)看，是PVC一級(jí)粒子與少量初級(jí)粒子共同組成結(jié)晶體，這部分初級(jí)粒子可以提高最終材料的強(qiáng)度、韌性。當(dāng)含有這種結(jié)晶體材料被擠出、冷卻后，在外力的作用下，初級(jí)粒子能夠阻礙一級(jí)粒子的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到強(qiáng)度提高；又由于初級(jí)粒子表面積大，在受到?jīng)_擊時(shí)可以吸收部分沖擊能，韌性提高。

2 影響聚氯乙烯擠出加工成型塑化質(zhì)量的因素

要真正實(shí)現(xiàn)PVC樹脂在這三段塑化過程中順利轉(zhuǎn)化，達(dá)到滿意的塑化質(zhì)量并不是件容易的事，必須在擠出工藝溫控系統(tǒng)、配方系統(tǒng)、設(shè)備精度等方面同時(shí)給以保證才能實(shí)現(xiàn)。在這里不討論配方系統(tǒng)，因?yàn)榕浞襟w系經(jīng)過多年來的生產(chǎn)并不斷的優(yōu)化，已經(jīng)被證明其能很好的達(dá)到國標(biāo)要求。那么我們就從以下幾方面來討論影響聚氯乙烯塑化質(zhì)量的因素。

2.1 聚氯乙烯混料質(zhì)量

混料重量是影響聚氯乙烯塑化質(zhì)量重要因素之一?；炝腺|(zhì)量中最重要的應(yīng)是物料的均勻分散和揮發(fā)物的揮發(fā)問題。物料分散不均勻，在擠出時(shí)就會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品性能不穩(wěn)定；易揮發(fā)物揮發(fā)不徹底，擠出產(chǎn)品易起泡，進(jìn)而影響產(chǎn)品性能。PVC粉料在高速混合攪拌下，既有顆粒細(xì)化、重新結(jié)合，粒徑增大，均化的形態(tài)變化，又有表觀密度增大和部分凝膠化的功效。顆粒的增大，會(huì)起到致密作用，提高擠出產(chǎn)量；重新結(jié)合和均化，有利于擠出成型過程的均勻塑化；部分凝膠化，可加快物料擠出時(shí)的塑化進(jìn)程。在110—130℃范圍內(nèi)，會(huì)使PVC粉料顆粒均勻化，部分顆粒出現(xiàn)凝膠化和大部分助劑熔化。因此，一般來說混料溫度在115—125℃為宜。

首先，易揮發(fā)物揮發(fā)時(shí)易在高混機(jī)頂蓋內(nèi)側(cè)凝結(jié)，逐漸形成液滴，與樹脂粉、碳酸鈣及其他物料形成顆粒。這些顆粒在擠出生產(chǎn)時(shí)易產(chǎn)生塑化質(zhì)量不好的“白點(diǎn)”，對(duì)制品性能產(chǎn)生不良影響；因此，注意易揮發(fā)物的排除及混料機(jī)頂蓋內(nèi)側(cè)的清潔，是十分必要的。其次，通過觀察干混料的顏色（可以用肉眼對(duì)比或白度儀檢測(cè)）來控制其物料的高混質(zhì)量。再次，加強(qiáng)配混料現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，盡量努力將其生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)變成封閉式的操作車間，并嚴(yán)格控制原材料干凈無雜質(zhì)地進(jìn)入，以此避免在擠出生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的臟料。最后，對(duì)于配混料所使用的設(shè)備必須頻繁地檢查，并對(duì)各控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，以保證其正常、精確地運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)然，影響混料質(zhì)量最重要的還是人，因?yàn)樗械倪@一切都是由人來完成的，對(duì)員工的教育和正確引導(dǎo)是必不可少的。建議通過以下幾點(diǎn)來保證高質(zhì)量的干混料：①操作人員要熟悉機(jī)器各組成部分，熟悉操作規(guī)程，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，嚴(yán)禁沒到溫度就放料；②定期對(duì)測(cè)溫?zé)犭娕哼M(jìn)行校正，并對(duì)測(cè)溫探頭處積料進(jìn)行清理，確保測(cè)溫準(zhǔn)確；③定期清理熱混機(jī)排潮收塵裝置處的粉塵，確保揮發(fā)份的正常排出，否則極易造成PVC塑料制品發(fā)泡；④定期檢查混料機(jī)放料口的密封性能，防止物料從熱混設(shè)備漏入冷混設(shè)備或從冷混設(shè)備漏出，而導(dǎo)致不正常擠出的發(fā)生；⑤定期檢查混料機(jī)槳葉，當(dāng)原材料、混料工藝不變，混料設(shè)備正常時(shí)，達(dá)到設(shè)定溫度混料時(shí)間延長(zhǎng)很多，達(dá)十幾分鐘時(shí)，為保證PVC塑化質(zhì)量，應(yīng)考慮更換攪拌槳葉，嚴(yán)重時(shí)甚至要更換混料設(shè)備。

2.2 聚氯乙烯生產(chǎn)設(shè)備與模具

擠出設(shè)備螺桿的設(shè)計(jì)參數(shù)，直接影響物料塑化時(shí)的背壓和塑化度。對(duì)于通用雙螺桿擠出機(jī)，主要取決于螺桿與機(jī)筒等間隙，所以，螺桿與機(jī)筒的裝配精度對(duì)PVC物料擠出塑化質(zhì)量有很大的影響。裝配精度主要表現(xiàn)在雙螺桿擠出機(jī)的四種間隙上，這四種間隙是二個(gè)螺桿相對(duì)位置的間隙、螺桿螺棱之間的間隙、螺桿與機(jī)筒的間隙、螺桿尖部與機(jī)筒機(jī)頭斷面的距離。對(duì)于螺桿與機(jī)筒的配合間隙一般在10—60個(gè)絲，根據(jù)螺桿直徑不同間隙不同，隨著直徑增大間隙增加，但是間隙不能過大或螺桿外圓各點(diǎn)與機(jī)筒間隙不能相差太大。間隙過大，容易引起漏料回流，影響塑化；間隙過小，容易產(chǎn)生過塑化?？傊?，不管間隙過大、過小還是螺桿外圓各點(diǎn)與機(jī)筒間隙相差太大，都會(huì)使PVC物料擠出塑化質(zhì)量下降。

模具設(shè)計(jì)，供料量數(shù)據(jù)和壓縮比數(shù)據(jù)十分關(guān)鍵。合理的供料量和壓縮比，有利于供料穩(wěn)定、塑化均勻、制品密實(shí)。另外，芯棒支架越小越光滑，合縫線對(duì)塑料制品性能的影響就越少。

2.3 聚氯乙烯擠出工藝

合理的擠出工藝是PVC物料擠出塑化的條件，調(diào)整工藝的目的也是在于調(diào)整塑化度。擠出工藝涉及到機(jī)筒溫度設(shè)定、主機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料轉(zhuǎn)速等參數(shù)，這些直接影響PVC物料的擠出塑化質(zhì)量。塑化質(zhì)量可以用塑化度表示。當(dāng)PVC未塑化或塑化度低時(shí)，PVC初級(jí)粒子未解體或解體很少；塑化度達(dá)到100%時(shí)，塑化過度，所有初級(jí)粒子解體、融合，制品冷卻后形成了均勻分布，貫穿整個(gè)制品的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)。這二種情況都會(huì)造成PVC物料擠出塑化質(zhì)量不好，反映到型材上使其物理性能不好。最佳的PVC塑化度在60%～70%，此時(shí)PVC大部分初級(jí)粒子解體、融合，但仍然有少數(shù)PVC初級(jí)粒子存在，制品冷卻后的內(nèi)部非結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)與結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)相互交錯(cuò)，反映到型材上使其物理性能就好。一般來說，提高溫度、提高螺桿轉(zhuǎn)速、提高喂料轉(zhuǎn)速均可提高塑化質(zhì)量，但有一個(gè)三者最佳組合點(diǎn)。

2.3.1溫度控制

聚氯乙烯塑化的條件之一是必須有熱源。因其塑化質(zhì)量是通過擠出機(jī)分區(qū)分部加熱、剪切擠壓來實(shí)現(xiàn)的。所謂分區(qū)加熱，即擠出機(jī)機(jī)筒分1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)、合流芯五個(gè)區(qū)進(jìn)行加熱；所謂分部加熱，即按機(jī)筒、螺桿芯部、模頭三部分加熱。剪切擠壓大小是通過擠出機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)速及喂料的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。良好的塑化質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)以良好的工藝溫控范圍為前提；而良好的溫控范圍是一個(gè)曲線區(qū)間，這種曲線是以擠出機(jī)各機(jī)筒區(qū)間實(shí)際溫度為基礎(chǔ)而定的，而且各機(jī)筒區(qū)間溫度是相互聯(lián)系的，不是簡(jiǎn)單的各機(jī)筒區(qū)間的正負(fù)偏差。擠出工藝溫控范圍對(duì)于不同制品斷面結(jié)構(gòu)和不同擠出設(shè)備是不一樣的，但擠出工藝溫控曲線走勢(shì)是一樣的。有利于聚氯乙烯塑化質(zhì)量的擠出工藝溫控曲線較平緩，一般成馬鞍型，這較適應(yīng)不良導(dǎo)熱體PVC塑料的塑化歷程。工藝溫控曲線各點(diǎn)調(diào)整，應(yīng)從擠出溫控系統(tǒng)來綜合考慮，符合擠出工藝溫控曲線走勢(shì)最好。因?yàn)镻VC樹脂在擠出設(shè)備機(jī)筒中各個(gè)加熱區(qū)的所需熱量是不一樣的。在機(jī)筒1區(qū)，PVC塑化的主要熱源靠外來熱（機(jī)筒和螺桿芯部加熱），一般溫度設(shè)定要高一些；在機(jī)筒2區(qū)，PVC塑化的熱源主要是來自外來熱量和部分螺桿剪切熱，一般溫度設(shè)定比1區(qū)低一些；在機(jī)筒3區(qū)，PVC塑化的熱源主要來自螺桿剪切熱和大部分外來熱量，一般溫度設(shè)定要比2區(qū)低一些；在機(jī)筒4區(qū)，PVC塑化的主要熱源來自螺桿剪切熱和部分外來熱量，一般溫度設(shè)定比3區(qū)低一些。在合流芯部位，熱源主要來自外部，是起穩(wěn)定PVC熔體溫度的作用，溫度設(shè)定比4區(qū)低一些，在高速擠出或擠出量大時(shí)，此處的溫度要比普通擠出時(shí)高一些，以促進(jìn)熔料在此處的流動(dòng)；而模頭溫度應(yīng)該比4區(qū)高，以保證產(chǎn)品的成型。當(dāng)然，正如前面所述，不同的擠出機(jī)生產(chǎn)線和不同模具其溫控工藝是不一樣的，這要從日常的生產(chǎn)中總結(jié)積累。

需要指出的是，這里的工藝溫控曲線是擠出設(shè)備機(jī)筒或模頭的溫控表實(shí)際顯示的溫度曲線，不是熔體的工藝溫控曲線。從異型材的力學(xué)性能最終結(jié)果看，這種擠出工藝溫控曲線可以控制異型材的塑化質(zhì)量。

2.3.2喂料及螺桿轉(zhuǎn)速

由于雙螺桿擠出機(jī)有強(qiáng)制給料的特點(diǎn)，所以正常工作時(shí)采用饑餓喂料；即加料口可見螺桿的螺槽深度的1/3，排氣口不冒料，物料塑化好為宜。加料速度過快，物料受到過分?jǐn)D壓，會(huì)產(chǎn)生冒料現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起分解發(fā)泡；加料速度不夠，背壓低，物料塑化不良，且密實(shí)度不足；另外，還容易導(dǎo)致螺桿非正常磨損和掃膛現(xiàn)象的發(fā)生。

提高螺桿轉(zhuǎn)速，物料在機(jī)筒中的剪切作用增強(qiáng)，物料升溫加快，有利于物料的迅速塑化，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)增高；同時(shí)單位時(shí)間產(chǎn)量也隨之增高。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，剪切速率增加，熔體表觀粘度下降，也有利于物料的均化；同時(shí)由于塑化良好，使分子間作用力增大，機(jī)械強(qiáng)度提高，在較高轉(zhuǎn)速下（15～25r/min）硬質(zhì)聚氯乙烯的抗沖擊強(qiáng)度、抗彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等機(jī)械性能均會(huì)有所提高。但轉(zhuǎn)速過快，剪切速率過高，會(huì)使物料受到強(qiáng)的剪切作用而使溫度“跑高”，會(huì)產(chǎn)生過大的離模膨脹，使制品表面質(zhì)量下降。此外，料筒內(nèi)物料流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過多的漏流量和逆流，增加了擠出設(shè)備電力消耗，加快了螺桿的磨損。所以為了提高產(chǎn)量而過分加大轉(zhuǎn)速也是不合適的。如果螺桿轉(zhuǎn)速太低，物料在料筒及模頭中停留的時(shí)間加長(zhǎng)，會(huì)使物料中的穩(wěn)定劑、抗沖劑等被分解、消耗的量增加，不利于型材生產(chǎn)后的使用壽命。一般情況下12～25r/min的轉(zhuǎn)速是可行的。螺桿轉(zhuǎn)速選定后必須保持穩(wěn)定，否則會(huì)造成物料擠出量不均勻，制品壁厚、形狀的不穩(wěn)定。

這兩者的轉(zhuǎn)速要按實(shí)際情況合理配比，可以調(diào)整物料在螺桿中的充滿狀態(tài)，控制壓力，縮短塑化時(shí)間，增加產(chǎn)品的密實(shí)度。一般來說，兩者的配比為1.5～2.5為宜。

2.3.3主機(jī)真空

主機(jī)真空度的調(diào)整是為了保證擠出過程中能完全排出干混料所含的水分及低分子揮發(fā)物，一般真空度為0.06MPa～0.08MPa。真空度過大，會(huì)將未完全塑化的小塊狀物料吸出，造成真空管道的堵塞和原材料的浪費(fèi)；真空度過小，水分及低分子揮發(fā)物不能被充分吸出，達(dá)不到排氣效果，造成制品表面麻點(diǎn)及加熱后起泡，影響制品外觀質(zhì)量和內(nèi)在強(qiáng)度。

結(jié)束語

良好的聚氯乙烯塑化質(zhì)量，來自于良好的干混料質(zhì)量保證；來自于良好的擠出工藝溫控曲線區(qū)域；來自于適合的配方體系，特別在穩(wěn)定劑、抗沖擊劑、加工助劑廠家與用量的確定方面，以及原料的穩(wěn)定方面；來自與擠出機(jī)設(shè)備的裝配精度。另外，影響聚氯乙烯塑化質(zhì)量的因素還有混料水溫?？傊?，我們要認(rèn)真選擇原材料、選擇生產(chǎn)設(shè)備，認(rèn)真、不斷地研究聚氯乙烯塑化質(zhì)量的機(jī)理，在生產(chǎn)實(shí)際中不斷地觀察、分析、總結(jié)，加強(qiáng)異型材擠出工藝溫控曲線的控制，才能不斷提高聚氯乙烯擠出加工成型過程中的塑化質(zhì)量。

⑴ 喬輝等譯[美著] ．聚氯乙烯手冊(cè)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008

⑵ 王貴斌主編．硬質(zhì)聚氯乙烯制品及工藝．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008

⑶ 劉芳，李杰．聚氯乙烯塑料助劑與配方設(shè)計(jì)技術(shù)．北京：中國石化出版社，2006

⑷ 段予忠，謝林生．材料配合與混煉加工（塑料部分）．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001

⑸ 藍(lán)鳳祥等編著．聚氯乙烯生產(chǎn)與加工應(yīng)用手冊(cè)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996

Discussion of the factors that affect the quality of PVC plastics

Wang ying Liu Hongxia
(Xinjiang Tianye Plastics Factory Co., Ltd, Shihezi, 832000)

Discuss the process of plasticized PVC extrusion molding，the quality of the mixture of plastics, equipment, tooling, extrusion and other factors.

PVC processing；Quality plastics；Mixture；Equipment；Mold; Extrusion process

王英 1971.9～ 從事塑料加工17年，參加項(xiàng)目并取得發(fā)明專利2個(gè)，分別為“聚氯乙烯(PVC)滴灌帶”、申請(qǐng)專利號(hào)200610106559.8和“納米材料改性PVC輸水軟管”申請(qǐng)專利號(hào)200710137583.2；實(shí)用新型專利1個(gè)，為“一次性塑鋼托盤”、專利號(hào)ZL 200920003100.4。