使用鈣鋅穩(wěn)定劑生產(chǎn)PVC-U型材時遇到的問題及解決方法

張留網(wǎng) 朱慧偉 賴 萍 蔣華庭

(華之杰塑料建材有限公司，湖州，313200)

PVC是五大通用塑料之一，廣泛應用于工業(yè)、建筑、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。然而其本身存在著一些難以克服的缺點，即熱穩(wěn)定性極差，其熱分解導致產(chǎn)品顏色變深，各項性能下降，需要使用熱穩(wěn)定劑改善其熱穩(wěn)定性。

目前中國市場上使用的大多為鉛鹽類穩(wěn)定體系，其特點是：熱穩(wěn)定效果高，電絕緣性好，有一定的耐候性，價格便宜。但由于其具有毒性，在人體內(nèi)有累積效應，危害人體健康。2017年7月1日起，中國已實施了GB/T33284-2017標準，標準中規(guī)定了PVC-U型材中重金屬及兩類物質(zhì)限量要求，其中鉛含量≤100 mg/kg，鎘含量≤100 mg/kg，六價鉻含量≤1000 mg/kg，汞含量≤1000 mg/kg,氯乙烯單體≤10 mg/kg，鄰苯二甲酸二（2-乙基）酯含量≤1000 mg/kg。

鈣鋅復合穩(wěn)定劑是以鈣、鋅等金屬皂類和鹽類為主體，配以亞磷酸酯等其他助劑而生成的復合穩(wěn)定劑，由于其不含有鉛、鎘等重金屬，是一種環(huán)保穩(wěn)定劑。目前PVC-U環(huán)保型材的生產(chǎn)主要采用鈣鋅復合穩(wěn)定劑，由于鈣鋅復合穩(wěn)定劑是以硬脂酸鈣和硬脂酸鋅為主體，在PVC-U型材生產(chǎn)過程中，主要存在以下缺點：①生產(chǎn)過程中存在定型模入口處針狀析出 （噴霜）及第一節(jié)定型模軟析出，光澤度下降明顯，同時產(chǎn)品異性結(jié)構(gòu)（皮條口）等生產(chǎn)穩(wěn)定性變差；②出現(xiàn)定型模硬析出，影響產(chǎn)品表面質(zhì)量，導致產(chǎn)品表面出現(xiàn)較多凹線；③鈣鋅產(chǎn)品生產(chǎn)中出現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)腔熔接不好，易出現(xiàn)斷筋問題。一套模具采用鈣鋅體系生產(chǎn)型材，平均每48 h左右需要清理一次定型模和口模，開機和停機過程中產(chǎn)生了大量的廢料，造成了極大的浪費。

由于鈣鋅穩(wěn)定劑中存在一定的潤滑成分，在型材擠出過程中，型材出口模時溫度較高，在200℃左右，進入定型模時，定型模的溫度為20℃左右，兩者的溫差相差較大，造成了潤滑成分的析出，析出物的產(chǎn)生影響了產(chǎn)品的表面平整度，當析出物過量時會堵塞真空口，對產(chǎn)品的成型造成了不良影響。

本文主要研究了如何在不改變產(chǎn)品原有性能的前提下，減少使用鈣鋅穩(wěn)定劑生產(chǎn)PVC型材時口模產(chǎn)生的析出物，主要從原材料及生產(chǎn)工藝兩方面進行考慮，一種方案是采用低潤滑的鈣鋅穩(wěn)定劑，一種方案是采用新的預冷卻工藝，比較不同配方或工藝的型材產(chǎn)品的性能以及生產(chǎn)時析出物的多少和模具的連續(xù)生產(chǎn)時間。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PVC，SG-5，新疆天業(yè)（集團）有限公司；輕質(zhì)碳酸鈣，宣城銀魚鈣業(yè)有限公司；鈦白粉，南京鈦白化工有限公司；CPE，威海金泓高分子有限公司；ACR，泰州五一化工有限公司；鈣鋅穩(wěn)定劑，江蘇聯(lián)盟化學有限公司；XJC-10B，落錘沖擊試驗機，承德市金建檢測儀器制造廠。

1.2 實驗儀器

錐形雙螺桿擠出機（65/120），上海巨遠塑料機械有限公司；試驗模具，HMST8202，銅陵中發(fā)三佳科技股份有限公司；CM-2300d，分光測色計，柯盛行（杭州）儀器有限公司；MN60型光澤度儀，天津其立科技有限公司；TG328A，分析天平，上海天平儀器廠；RM-200A轉(zhuǎn)矩流變儀，哈爾濱哈普電氣技術(shù)有限責任公司。

1.3 實驗配方

該試驗采用3種方案，其中：方案1為常用鈣鋅穩(wěn)定劑正常工藝；方案2為低潤滑鈣鋅穩(wěn)定劑正常工藝；方案3為常用鈣鋅穩(wěn)定劑預冷卻工藝。實驗配方見表1。

表1 實驗配方Tab.1 Formulas of different experimental schemes 份

1.4 實驗設(shè)計

采用相同的配方，采用不同的鈣鋅穩(wěn)定劑，一種為常用鈣鋅穩(wěn)定劑，一種為穩(wěn)定劑廠家特制的低潤滑鈣鋅穩(wěn)定劑，比較不同方案生產(chǎn)的產(chǎn)品的顏色、光澤度、密度以及抗沖擊性能，同時比較分別采用正常工藝與預冷卻工藝時析出物的多少以及生產(chǎn)的持續(xù)時間。

預冷卻工藝，是在型材生產(chǎn)過程中，在模頭和定型模之間設(shè)立一個裝置，通過該裝置，在型材進入定型裝置前進行微冷卻，在定型裝置中不會造成驟冷后產(chǎn)生析出物現(xiàn)象。預冷卻裝置見圖1。

圖1 預冷卻裝置Fig.1 A planar graph of a precooling device

通過可控制水量的水管連接進水口，控制冷卻水進水量，可以控制微冷卻時的出水量，水管可以直接連接在定型臺的冷卻水出口上，直接利用現(xiàn)有設(shè)備；冷卻水出水裝置：通過寬度為0.2 mm的出水孔，對產(chǎn)品表面進行微冷卻，減少產(chǎn)品的表面析出。

2 結(jié)果和討論

2.1 實驗工藝比較

在相同擠出機上進行長期實驗，三種方案的螺桿轉(zhuǎn)速、加料轉(zhuǎn)速以及溫度設(shè)定都相同，3種不同方案生產(chǎn)時工藝見表2。

表2 實驗工藝Tab.2 Parameters of experimental schemes

由表2可以看出，三種方案中，溫度設(shè)定、喂料速度及螺桿轉(zhuǎn)速都相同，方案1和方案3由于采用了同種穩(wěn)定劑，扭矩、熔溫及熔壓都一樣，方案2采用了低潤滑的鈣鋅穩(wěn)定劑，扭矩升高，同時熔溫升高，熔壓升高。

取方案1和方案2的干混料各62 g，使用RM-200A轉(zhuǎn)矩流變儀進行混煉試驗，溫度設(shè)為180℃，試驗載荷為5 kg，試驗時間為330 s。兩種方案的流變曲線對比見圖2。

從圖2可以看出，低潤滑鈣鋅穩(wěn)定劑體系比常用鈣鋅穩(wěn)定體系塑化速度更快，扭矩更高，料溫更高。因此在擠出過程中，低潤滑鈣鋅穩(wěn)定體系混合料塑化后在料筒里停留的時間過長，會導致混合料過塑，產(chǎn)品的顏色偏黃偏綠。

2.2 產(chǎn)品顏色比較

使用CM-2300D分光測色計對三種方案的產(chǎn)品的可視面進行顏色檢測，三種方案的產(chǎn)品顏色比較見表3。

圖2 方案1和方案2流變曲線Fig.2 Rheology cures of schemes 1 and schemes 2

表3 型材產(chǎn)品顏色Tab.3 Colours of products from three schemes

從表3可以看出，使用低潤滑鈣鋅穩(wěn)定劑正常工藝進行生產(chǎn)時，產(chǎn)品顏色偏黃偏綠，與產(chǎn)品色相標準相差較大，與方案1和方案2流變曲線的對比結(jié)果相同，所有方案2需要在配料過程中另外添加硬脂酸、PE蠟等潤滑劑。

2.3 產(chǎn)品光澤度比較

使用MN60型光澤度儀對三種方案的產(chǎn)品的可視面進行光澤度檢測，檢測時數(shù)值取可視面三個不同地方的光澤度的平均值，三種方案的產(chǎn)品光澤度比較見表4。

表4 型材產(chǎn)品光澤度Tab.4 Glossiness of products from three schemes

從表4可以看出，采用低潤滑鈣鋅穩(wěn)定劑正常工藝生產(chǎn)時，型材產(chǎn)品的光澤度會偏低，采用常用鈣鋅穩(wěn)定劑預冷卻工藝，對型材產(chǎn)品光澤度影響較小。

2.4 產(chǎn)品密度比較

從三種方案的產(chǎn)品上取一小段，按照GB/T 1033.1-2008中的A法進行檢測，三種方案的產(chǎn)品密度比較見表5。

表5 型材產(chǎn)品密度Tab.5 Densities of products from three schemes

從表5可以看出，三種方案的產(chǎn)品密度相近，說明鈣鋅穩(wěn)定劑的不同及工藝的不同不影響產(chǎn)品的密度，產(chǎn)品的密度與配方中添加的助劑的多少（如碳酸鈣、鈦白粉等）有關(guān)。

2.5 產(chǎn)品抗沖擊性能比較

由于生產(chǎn)的產(chǎn)品為美式型材，產(chǎn)品的抗沖擊性能檢測采用ASTM：D4226中的方法B進行檢測，檢測方法為：選用C125錘頭（錘頭頂部半球的半徑0.3175 cm，質(zhì)量為8磅即3.6 kg），落錘高度為151×產(chǎn)品壁厚（mm），樣片寬度不小于20 mm，沖擊間距不小于25 mm，沖擊次數(shù)為10次，脆性破壞≤5次為合格 。實驗儀器為XJC-10B落錘沖擊試驗機。HSMT8202的壁厚為1.65 mm，落錘高度應為151×1.65=249 mm。三種方案的抗沖擊性能比較見表6。

表6 型材產(chǎn)品抗沖擊性能Tab.6 Impact resistances of products from three schemes

從表6可以看出，三種方案的抗沖擊性能相近，說明方案2和方案3的不同對產(chǎn)品抗沖擊性能影響不大，型材產(chǎn)品的抗沖擊性能主要與配方中抗沖改性劑（如CPE）的添加份數(shù)有關(guān)。

2.6 口模析出物的多少與生產(chǎn)持續(xù)時間比較

對三種方案生產(chǎn)產(chǎn)品的連續(xù)時間進行記錄，比較三種方案生產(chǎn)型材時口模的析出物的多少，口模析出物的多少與生產(chǎn)持續(xù)時間比較見表7。

表7 析出物與生產(chǎn)持續(xù)時間Tab.7 Educts and producing duration time of products from three schemes

從表7可以看出，采用低潤滑鈣鋅穩(wěn)定劑可以有效減少析出物的產(chǎn)生，但由于穩(wěn)定劑的性能比常用鈣鋅穩(wěn)定劑差，連續(xù)生產(chǎn)會出現(xiàn)因生產(chǎn)不穩(wěn)造成的堵?，F(xiàn)象，所有方案2的生產(chǎn)持續(xù)時間略微提升；采用常用鈣鋅穩(wěn)定劑預冷卻工藝，可以在確保產(chǎn)品性能及生產(chǎn)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上大幅減少析出物的產(chǎn)生，同時大大提升了生產(chǎn)的持續(xù)時間。

3 結(jié)論

（1）采用低潤滑鈣鋅穩(wěn)定劑正常工藝生產(chǎn)，可以減少生產(chǎn)時析出物的產(chǎn)生，生產(chǎn)持續(xù)時間可以略微提升，但產(chǎn)品的顏色比常規(guī)鈣鋅穩(wěn)定劑生產(chǎn)時更綠更黃，產(chǎn)品顏色差異較大，需要添加適量的潤滑劑，生產(chǎn)成本比采用常用鈣鋅穩(wěn)定劑更高，從生產(chǎn)穩(wěn)定性及經(jīng)濟的角度考慮，不予以采用。

（2）采用預冷卻工藝，可以在確保產(chǎn)品性能的前提下，明顯減少析出物的產(chǎn)生，同時明顯提高鈣鋅體系生產(chǎn)PVC型材時每套模具持續(xù)生產(chǎn)的時間，減少了清理定型裝置時產(chǎn)生的停機和開機廢料，減少了人力物力的浪費。該方案可以充分利用原有的生產(chǎn)設(shè)備，成本較低，從生產(chǎn)穩(wěn)定性及經(jīng)濟的角度考慮，都是最佳方案。

型材預冷卻工藝已通過專利審批，獲得實用新型專利授權(quán)。由于該技術(shù)的實施，可以用鈣鋅穩(wěn)定劑取代鉛鹽穩(wěn)定劑，避免了重金屬污染，滿足人們對健康的需求。析出物的減少為無鉛化進程提供了有力的保障。