淺談PVC-U型材混料工藝及影響

吳強(qiáng) 杜正富

（安徽公元科技發(fā)展有限公司， 安徽宣城，242200）

1.前言

PVC型材加工流程主要有混料、擠出、真空冷卻定型等三個步驟組成?；炝习ㄅ淞稀峄?、冷混等?；炝鲜巧a(chǎn)PVC型材的第一道工序，具有十分重要的作用。在擠出過程中，一般采用錐形雙螺桿擠出機(jī)，其正位輸送作用遠(yuǎn)大于對物料的混合作用，因此各種助劑的均勻混合和混煉主要由擠出之前的混料來完成。用于PVC混合的設(shè)備主要有以下三種：（1）轉(zhuǎn)鼓式混合機(jī)；（2）螺帶式混合機(jī)；（3）高速混合機(jī)。而由于高速混合機(jī)具有混料周期短，并具有排除小分子無機(jī)物和自動調(diào)節(jié)的功能，因而成為PVC-U加工廠的首選。就像德國某專家說：“好的混料設(shè)備可以補償塑化性能差的擠出機(jī)，但塑化性能再好的擠出機(jī)也不能彌補混料設(shè)備較差帶來的影響?！彼赃x擇混料設(shè)備也是很重要的。因為混合料的質(zhì)量將很大程度上影響到后期的生產(chǎn)是否能正常進(jìn)行，產(chǎn)品質(zhì)量是否良好。這些都對混料質(zhì)量提出了嚴(yán)格要求。因此，如何科學(xué)混料并做好混料質(zhì)量的監(jiān)控，是作為塑料制品生產(chǎn)企業(yè)必須重視的工作。本文將闡述混料作用和原理及混料工藝對混料效果的影響。

2.配料

配料就是嚴(yán)格按配方組分、用量的要求，采用不同精度的計量器具（用量較大的，可用精度為10g的電子秤計量；用量較小的，必須用精度為1g的電子秤計量），準(zhǔn)確對生產(chǎn)所需的各種原料進(jìn)行稱重、配比。配方組分、用量是經(jīng)過多次嚴(yán)格試驗得出的，用量過大會增加成本，用量過少會影響PVC型材的性能，因此如果配料工作出現(xiàn)差錯，對PVC型材質(zhì)量影響極大。

3.混料的作用及原理

PVC型材是把由PVC樹脂、穩(wěn)定劑、改性劑、填充劑、著色劑及其它助劑組成的多分散體系混合后應(yīng)用于成型加工的?；炝贤ǔＲ?jīng)過熱混和冷混兩個階段，混合好的混配料叫做干混料。熱混，是指將混合物加熱到軟化溫度或軟化溫度以上所進(jìn)行的摻混過程。熱混過程中的熱源通常是攪拌葉片高速剪切所產(chǎn)生的摩擦熱。分析熱混過程中原料狀態(tài)的具體變化過程是：在高速攪拌機(jī)的作用下，占絕對比例的PVC大顆粒被高速剪切作用所破碎，PVC顆粒比表面積增加形成較強(qiáng)的靜電吸附作用；另一方面，配方中低熔點的潤滑劑、加工助劑等也會在溫度上升過程中逐漸熔化，粘附于PVC顆粒周圍，起著PVC與無機(jī)小顆粒之間粘接劑的作用；再有，PVC顆粒在最初的破碎后，隨著溫度上升而逐漸膨脹，當(dāng)溫度超過其玻璃化溫度（Tg）87℃時，PVC顆粒從外到內(nèi)逐漸軟化，并達(dá)到一定的預(yù)塑化程度，變軟甚至微熔的PVC顆粒也有利于小粒徑無機(jī)顆粒的粘附，所有這些因素共同作用的結(jié)果就是：隨著混料過程的進(jìn)行，配方中的小粒徑組份碳酸鈣和鈦白粉顆粒將逐漸粘附并鑲嵌到PVC顆粒周圍，使得PVC顆粒的粒徑從破碎變小又逐漸增大，配方中大顆粒CPE的狀態(tài)變化類似PVC，最終使得配方中的小粒徑組份逐漸消失，不同粒徑的共混體最終變成粒徑較大而均勻的粉體。其過程中PVC物料各組分的變化過程為：顆粒細(xì)化--重新組合--粒徑增大--部分凝膠化--分散均勻的物料。

而冷混即熱混料在冷混鍋中，通過葉片低速攪動，其散發(fā)的熱量通過冷混鍋夾套中冷卻水帶走，直至將原料降到設(shè)定溫度以下的過程。冷混與熱混的工作原理有所不同。熱混一般不設(shè)外加熱設(shè)備，主要靠高速旋轉(zhuǎn)的槳葉帶動物料與物料相互碰撞以及物料與料筒的摩擦、剪切產(chǎn)生的熱能，使常溫物料變成熱混料。而冷混機(jī)的料筒帶夾層，夾層中流動著冷卻水；并且一般冷混機(jī)的容積是熱混機(jī)的2～3倍左右。進(jìn)入冷混機(jī)的熱混料在比較寬敞的環(huán)境和旋轉(zhuǎn)槳葉不停地攪拌、翻滾下，其熱量被料筒內(nèi)壁夾層中的冷卻水吸收，自身逐漸冷卻。PVC物料熱混后應(yīng)立即冷混，以防止熱混料長時間在高溫下存放而發(fā)生降解。同時，熱混料如不經(jīng)過冷混，在自然狀態(tài)下冷卻易重新吸收水分，對擠出造成不良影響。冷混不僅可以防止PVC物料在高溫下冷卻的吸水返潮現(xiàn)象，也是PVC物料在放熱過程中進(jìn)一步排出其分子間水分的過程。PVC物料的冷混出料溫度對保證干混料的質(zhì)量有很重要的作用。經(jīng)過熱混冷混的干混料，需靜置一段時間“熟化”后即可使用。

3.1 熱混和冷混的五個作用：

第一、使原料各組份在空間上均勻分布，取得一定的均一性，顯然這是各組分充分發(fā)揮作用的基礎(chǔ)；

第二、通過熱混，使PVC粒子有一個從原態(tài)到破碎微熔再到重新凝結(jié)聚集的過程，使干混料取得一定的預(yù)塑化效果，從混合狀態(tài)的描述法來說，即獲取一定的分散程度；

第三、使干混料經(jīng)過混料過程后，消除太小粒徑組份，使得干混料整體的粒徑分布相對較大而且集中，提高了干混料的表觀密度和流動性，這不僅利于干混料的穩(wěn)定輸送，同時也可提高產(chǎn)量。

第四、通過熱混，盡可能排除原料中的水份和低揮發(fā)組分，消除這些組份對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

第五、通過冷混，首先以防止熱混料長時間在高溫下存放而發(fā)生降解；其次防止PVC物料在高溫下冷卻的吸水返潮現(xiàn)象，也是PVC物料在放熱過程中進(jìn)一步排出其分子間水分的過程；第三可消除干混料的靜電反應(yīng)，防止發(fā)生“架橋”現(xiàn)象。

4.混料工藝對混料效果的影響

4.1 投料順序及其對混料效果的影響

根據(jù)各種原料的作用和相互之間的協(xié)同效應(yīng)，配方中各種原料的加入應(yīng)該分段加入。合理的投料順序是首先在低速攪拌下加入PVC；高速攪拌啟動后溫度升到60℃時加入穩(wěn)定劑與皂類穩(wěn)定劑（對復(fù)合顆粒狀穩(wěn)定劑適宜與PVC同時加入）；80℃度左右時，將加工助劑、內(nèi)潤滑劑、顏料以及抗沖改性劑 加入（如果潤滑劑復(fù)合在穩(wěn)定劑中則同穩(wěn)定劑一同加入）；當(dāng)溫度升到100℃左右時加入蠟類等外潤滑劑；110℃時，加入碳酸鈣與鈦白粉等無機(jī)物。首先加入PVC與穩(wěn)定劑，可以充分發(fā)揮穩(wěn)定劑對PVC的穩(wěn)定作用；內(nèi)潤滑早加入利于原料的初步凝膠化作用；然后加入加工助劑、抗沖改性劑等以利于其與PVC的混合；外滑劑稍后加入，是為了避免外滑劑作用影響到原料之間的摩擦和分散；碳酸鈣、鈦白粉等無機(jī)粒子最后加入，一方面避免了無機(jī)填料對潤滑劑的吸收，另一方面也減少這些較硬粒子對混料設(shè)備的磨損。這樣的加料順序?qū)⑹拐麄€混料更為科學(xué)。但是，這樣的加料方式工藝復(fù)雜，對設(shè)備與控制的要求更高，另外明顯延長混料周期，使混料效率下降。所以，實際生產(chǎn)時，很多廠家實行所有原料同時投入進(jìn)行混料的工藝。根據(jù)經(jīng)驗，同時投料進(jìn)行混合，只要有合適的混料工藝，其干混料一樣能很好地滿足生產(chǎn)需要。

4.2 熱混與冷混溫度對混料效果的影響

熱混溫度需要高于PVC的玻璃化溫度。其具體設(shè)定值要根據(jù)熱混的目的是否達(dá)到來定。如果熱混溫度偏低，首先是干混料中小粒徑組份仍有很多，干混料易產(chǎn)生靜電，不利于流動，甚至在管道輸送過程中容易出現(xiàn)原料分層的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量；其次是干混料的預(yù)塑化程度不夠，不利于后期生產(chǎn)取得較好的塑化水平，產(chǎn)品的材料性能受影響；第三是原料中的水份等揮發(fā)份沒除盡，使后期加工中析出增加，產(chǎn)品易出現(xiàn)氣泡、甚至降解等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品外觀和材料性能。如果熱混溫度設(shè)置太高，首先使部分PVC樹脂顆粒被打破，甚至個別顆粒已分解[1]；其次干混料預(yù)塑化程度過高，穩(wěn)定劑在混料時即消耗太多，影響后期生產(chǎn)時的工藝控制和產(chǎn)品的材料與外觀性能，甚至影響產(chǎn)品的耐候性。設(shè)定熱混溫度不僅要根據(jù)干混料本身的狀態(tài)來定，還需要根據(jù)配方和后期擠出機(jī)的塑化能力來進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。通常配方中小粒徑組份比例較高，或者后期擠出機(jī)的塑化能力不夠，則熱混溫度應(yīng)適當(dāng)高一些。反之亦然。通常情況下，u-PVC異型材配方的熱混溫度設(shè)定在115℃～120℃左右。冷混溫度的設(shè)定，根據(jù)經(jīng)驗通常設(shè)定在40～45℃。冷混溫度過高，干混料未充分冷卻即被儲放，將使中間部位原料受過多余熱影響，消耗過多穩(wěn)定劑，干混料甚至出現(xiàn)粉紅等降解現(xiàn)象。冷混溫度過低，不利于提高混料效率。

4.3 熱混料的投入量對混料效果的影響

熱混時每一鍋的熱混料的投料量通常以熱混鍋凈空間的65～75%為宜?；炝狭刻伲瑒t熱混時摩擦熱產(chǎn)生不足，干混料溫度上升緩慢，不僅延長熱混時間，還可能消耗太多的穩(wěn)定劑和潤滑劑；混料量太多，則原料不容易混合均勻，水氣等不易排盡，也最終影響到干混料質(zhì)量。

4.4 干混料靜置時間對混料效果的影響

經(jīng)過熱混和冷混的干混料需靜置一段時間，一般要在儲料罐中至少靜置12小時以上。如果干混料靜置時間太短或未經(jīng)靜置熟化的干混料直接進(jìn)入擠出機(jī)進(jìn)行加工，由靜電引起生產(chǎn)過程的波動，如電流不穩(wěn)、螺桿扭矩忽大忽小等，擠出時容易發(fā)生型材發(fā)喘（平行雙螺桿反應(yīng)尤甚）的情況，在喂料的設(shè)備上易發(fā)生“架橋”現(xiàn)象。試驗表明，靜置24小時后，混合料的表觀密度明顯增加。另外，如果能使用大容量的儲料罐放置干混料，在儲料罐中加入均化管，在通過自重取料時將對大批量的干混料再進(jìn)行一次均化作用，使物料中各組分的分布更均勻，利于加工與產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

4.5 冷卻速率對干混料的影響

除了上述條件對混料質(zhì)量的影響外，經(jīng)驗表明，冷卻速率對干混料的表觀密度影響也較大。冷卻速率越快，產(chǎn)品的表觀密度越大，更利于高速擠出冷混的冷卻水溫度通?？刂圃?3℃～15℃[2]。

4.6 排料過程中振動篩對擠出生產(chǎn)過程中的影響

在冷拌結(jié)束排料時，使用有振動篩的裝置進(jìn)行過濾干混料，可以將干混料中的大顆粒雜質(zhì)濾去，從而使擠出生產(chǎn)過程中減少型材制品中的雜質(zhì)量及卡料現(xiàn)象。

5.結(jié)語

要生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的PVC型材，保證其在擠出時獲得良好的塑化，進(jìn)而保障后期優(yōu)秀的各項性能，就必須有混合優(yōu)質(zhì)良好的干混料。該做到科學(xué)混料并做好混料質(zhì)量的監(jiān)控工作。

[1]王朝霞，王艷.淺談硬質(zhì)PVC混料工藝對加工行為的影響[A].2005年全國塑料門窗行業(yè)年會論文集[C].北京：中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會塑料門窗委員會，2005:90-93.

[2]常波.聚氯乙烯混料工藝研究[A].2003年全國塑料門窗行業(yè)年會論文集[C].北京：中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會塑料門窗委員會，2003:162-164.