軟質(zhì)PVC在異向平行雙螺桿上的工藝影響探究

余興興，胡尉博，任濟夫

(1 金發(fā)科技股份有限公司，廣東 廣州 510663；2 上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714)

聚氯乙烯(PVC)是一種具有無定形結(jié)構(gòu)的白色粉末狀聚合物，其因高強度、低收縮、易加工、低密度等特點而被廣泛的應(yīng)用于建材、包材、管材等領(lǐng)域。但由于其光熱穩(wěn)定性差，PVC材料在長時間處于100 ℃以上或陽光長期暴曬后會緩慢分解產(chǎn)生氯化氫(HCl)，并進一步促進其自催化分解，引起產(chǎn)品變色；在溫度高于170 ℃以后會出現(xiàn)劇烈分解；這兩類分解都會使得最終成品出現(xiàn)顏色偏移，物理機械性能急劇下降等不良影響。異向平行雙螺桿[1]是PVC產(chǎn)品制造流程中的常用設(shè)備之一，其異向旋轉(zhuǎn)、相互嚙合的特點使其在滿足自清潔要求的同時具備強烈的攪拌與剪切作用，有利于加工物料的均勻塑化。與同向平行雙螺桿擠出機類似，工藝參數(shù)對于材料的性能具有較大的影響，合適的工藝參數(shù)是高質(zhì)量產(chǎn)品順利制造的重要保證。擠出級軟質(zhì)PVC主要用于電纜護套，當(dāng)材料分散不均勻時易產(chǎn)生局部缺陷，成為誘發(fā)事故的安全隱患，因此其對產(chǎn)品的分散具有較高的要求，但過強的分散又會進一步的影響加工中的熔體溫度，導(dǎo)致局部溫度過高，PVC產(chǎn)生分解。這種分散與熔體溫度之間的矛盾關(guān)系使其對加工過程有著嚴格的研究，成品粒子需要經(jīng)歷片材擠出，并通過控制其“團聚點”個數(shù)的方式來實現(xiàn)質(zhì)量控制。[2]目前，“團聚點”的產(chǎn)生受到多方面的影響，其中加工工藝因素尤為重要，因而有必要對軟質(zhì)PVC在異向平行雙螺桿上的工藝影響因素進行探究。在此項研究中，我們比對了不同溫度、轉(zhuǎn)速對于擠出級軟質(zhì)PVC材料的工藝影響，探討其對顏色、外觀、力學(xué)性能連續(xù)生產(chǎn)穩(wěn)定性、“團聚點”數(shù)量的影響，并基于螺桿的設(shè)計提出工藝優(yōu)化的方向。

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

變頻式高混機(800 L體積，變頻調(diào)節(jié)0～50 Hz)，東莞市三優(yōu)塑料機械制造有限公司；可變頻式低混機(1500 L體積，可變頻調(diào)節(jié)0～25 Hz)，東莞市三優(yōu)塑料機械制造有限公司；異向平行雙螺桿擠出機(SMD-115Ⅱ，長徑比27:1)，東莞市三優(yōu)塑料機械制造有限公司；壓料式喂料機(球形規(guī)格)，東莞市三優(yōu)塑料機械制造有限公司；熱切切粒機(可調(diào)速0～2000 r/min)，東莞市三優(yōu)塑料機械制造有限公司；S-3400N掃描電子顯微鏡(SEM)，HITACHI公司；PolyLab OS轉(zhuǎn)矩流變儀，德國哈克。

PVC樹脂：PVC TL-1000，天津樂金渤海化學(xué)有限公司；增塑劑：對苯二甲酸二辛脂(DOTP)，廣州市威聯(lián)達增塑劑有限公司；潤滑劑：環(huán)氧大豆油(HM-01AD)，廣州市海珥瑪植物油有限公司；鈣鋅穩(wěn)定劑：DA-913A，東莞市振中塑膠有限公司；碳酸鈣填充粉體：AC-MLT02，東莞梅立泰化工有限公司；增韌劑：CPE-132C，杭州科利化工股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 軟質(zhì)PVC混料步驟

將PVC樹脂與鈣鋅穩(wěn)定劑按一定比例投入高混機中，低速混合90 s后加入增塑劑，隨后高速混合至物料升溫至130 ℃。加入碳酸鈣粉體后混合100 s至物料均勻，將物料放出至低混機中。在鍋壁隔層通有冷卻水的前提下，將物料置于低混機中攪拌，使其邊混合邊降溫，并在攪拌下達到均勻的溫度。

1.2.2 軟質(zhì)PVC擠出實驗

將低混機中攪拌均勻的物料喂入異向平行雙螺桿擠出機擠出造粒，其擠出加工工藝參數(shù)如表1所示。在物料擠出成型過程中，每個實驗均通過調(diào)節(jié)喂料與轉(zhuǎn)速，使其電流負載一致的情況下進行加工，并確保物料可以順利的從模頭處擠出成型并造粒。

表1 軟質(zhì)PVC材料的擠出工藝參數(shù)

1.3 擠出機軟質(zhì)PVC的評估方法

顏色與外觀測試：顏色測試遵循Lab色彩模型展開，外觀測試通過2個以上的測試人員進行肉眼觀察。

力學(xué)測試：沖擊測試遵循GBT1843標準開展，拉伸測試遵循ASTM D638標準開展，所有測試均同樣條件重復(fù)測試5次取平均值。

片材擠出測試：在哈克轉(zhuǎn)矩流變儀上開展片材擠出，通過連接單螺桿擠出單元進行擠出以獲取相應(yīng)工藝條件的成型件。片材擠出過程的溫度設(shè)定為160 ℃、165 ℃、170 ℃、170 ℃、170 ℃，擠出頻率為20 Hz，每次測量取連續(xù)1米的長度用于觀察片材表面“團聚點”的數(shù)量與狀態(tài)，以評估樣品的在不同工藝條件下的分散情況，“團聚點”數(shù)量小于等于每米3個則判定為合格。數(shù)碼照片通過智能手機拍攝得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝條件對于材料顏色與外觀的影響

對于光熱敏感的PVC材料來說，剪切的強弱會影響熔體的溫度[3]，進一步引發(fā)產(chǎn)品顏色的變化，因而需要考察擠出轉(zhuǎn)速對于PVC產(chǎn)品顏色及外觀的影響。如表2所示，在加工溫度和電流負載保持不變時(實驗1與2)，成品粒子b色彩通道數(shù)值隨著轉(zhuǎn)速的提高而提高，暗示材料因加工參數(shù)變化而出現(xiàn)了微弱的黃變，這表明較強的剪切作用會引起PVC材料的分解；在轉(zhuǎn)速和電流負載保持不變時(實驗1與3)，成品粒子b色彩通道數(shù)值隨著擠出溫度的提高而進一步的降低，暗示著材料在加工中產(chǎn)生的黃變現(xiàn)象更弱，這表明提高加工溫度能夠在提高材料的柔順性，降低加工過程的摩擦熱，降低局部高溫的可能，使物料受熱更均勻。對比不同轉(zhuǎn)速與加工溫度，溫度的改變表現(xiàn)出更大的色彩偏移，意味著PVC材料的顏色對擠出過程中的溫度具有更高的敏感性。不同轉(zhuǎn)速、溫度下，成品PVC粒子無起皺，麻點，整體外觀差異不明顯，表明轉(zhuǎn)速與溫度均不是影響物料外觀的主要因素，因而團聚點的產(chǎn)生更多的取決于混料階段物料混合的均勻性。

表2 軟質(zhì)PVC材料的擠出工藝參數(shù)

2.2 工藝條件變動對材料力學(xué)性能穩(wěn)定性的影響

工藝穩(wěn)定性對于擠出級PVC材料而言至關(guān)重要，可以通過連續(xù)定點采樣追蹤力學(xué)性能方法來做進一步評估。在實驗1、2、3的過程中，每隔10 min獲取樣品粒子50 g以用于樣品評估，共持續(xù)150 min，共計15個樣品點。如圖1所示，3輪不同的實驗過程中，材料整體的沖擊強度在30 J/m的均值線上下無規(guī)律波動，整體穩(wěn)定在20～50 J/m范圍內(nèi)；拉伸強度在18 MPa的均值線上下無規(guī)律波動，整體保持在10～30 MPa范圍內(nèi)。這表明，擠出造粒過程中工藝條件的變化并不會引起異向平行雙螺桿的加工下物料受熱的不均勻，不同工藝條件下整體塑化歷程相似，因而對物料性能的影響并不明顯，其主要性能特點已由配方組合決定，并主要受到加工前物料混合均勻性的影響。

圖1 長時間連續(xù)生產(chǎn)條件下材料力學(xué)性能的多次采樣評估

2.3 工藝條件對于成品擠片性能的影響

熔體片材擠出是用于評估加工后材料分散性的重要手段，常在轉(zhuǎn)矩流變儀中通過單螺桿擠出成型來實現(xiàn)。如圖2所示，從左至右分別為實驗1、實驗2、實驗3工藝條件所對應(yīng)的成品的片材擠出測試情況，依次命名為樣條1、樣條2、樣條3。可以清晰的發(fā)現(xiàn)，樣條1與樣條3表面光滑，而樣條2的表面則表現(xiàn)出略微的凸起(圈出)，即為分散不均勻引起的團聚點，這表明實驗2低轉(zhuǎn)速低加工溫度的條件下，碳酸鈣與PVC之間未能實現(xiàn)均勻的分散分布，熔體的分布不均勻，鈣粉自身團聚形成影響注塑件成品質(zhì)量的凸點。結(jié)合先前的實驗結(jié)果可知，加工溫度偏低時熔體間加劇的摩擦熱會引發(fā)擠出過程中出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象，PVC因此稀化或分解，樹脂與填料間的黏附作用減弱，相容性變差，從而使得碳酸鈣填充發(fā)生自我團聚，形成缺陷點。通過掃描電鏡對實驗2工藝條件下的成品粒子進行分析(圖3)可知，粒子中的組分全部團聚在一起，球狀團聚之間的間隔距離有較大差異，表明其分布均勻性較差；對球狀物局部進行放大后可知，分散體呈現(xiàn)緊湊的排列分布在樹脂表面，但其不均的尺寸說明碳酸鈣未能良好的分散在樹脂基體中。結(jié)合上述兩點的分析可知，工藝條件誘發(fā)的分散分布不均是片材擠出過程中團聚點產(chǎn)生的主要誘因。

圖2 實驗1、實驗2、實驗3工藝條件下成品粒子片材擠出后樣品的數(shù)碼照片

圖3 實驗2工藝條件下成品粒子的掃描電鏡圖與局部放大

2.4 螺桿結(jié)構(gòu)對于工藝過程的影響

在異向平行雙螺桿的加工過程中，螺槽容積隨著加工過程的深入逐漸變小，起到逐步壓縮建壓的作用，但是其螺槽容積的變化并非均勻線性的，而與螺桿構(gòu)型息息相關(guān)，因而對螺桿結(jié)構(gòu)研究有利于通過合理的螺桿設(shè)計強化粉體在熔體中的分散分布。為了充分的評估螺桿結(jié)構(gòu)對于工藝過程的影響，需要對螺桿每一節(jié)的尺寸做具體的測繪與分析，以進一步計算其螺槽容積。實驗中所用螺桿(實驗螺桿1)的螺片高度與螺槽寬度的測繪數(shù)據(jù)如表3所示。由于每一節(jié)螺桿的長度固定，螺片高度與螺槽寬度已知，因而可以用螺片高度與螺槽寬度的乘積來替代螺槽容積用于螺桿節(jié)與節(jié)之間的平行比對[4]。如圖4所示，螺片高度沿著螺桿擠出方向呈穩(wěn)定的下降趨勢，與異向平行雙螺桿擠出機的設(shè)計原理相一致；螺槽寬度在螺桿的第16節(jié)及以前保持基本不變，第17節(jié)時開始收窄，至第18節(jié)及以后穩(wěn)定在一個相對更窄的寬度；從螺槽體積切面面積隨螺桿節(jié)數(shù)的變化過程中可以看出，螺片高度與螺槽寬度相結(jié)合的轉(zhuǎn)變方式使得物料在進入螺筒后受到緩慢的壓縮，從17節(jié)開始受到更為劇烈的壓縮，強化物料間的摩擦，因而加工溫度較低時該區(qū)域會產(chǎn)生劇烈的摩擦熱，一方面引發(fā)PVC樹脂的熱降解，另一方面降低PVC樹脂的黏度加劇不相容現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而使得后續(xù)產(chǎn)品中出現(xiàn)大量的團聚點。

表3 實驗螺桿1每節(jié)元件的螺片高度、螺槽寬度測繪數(shù)據(jù)

圖4 實驗螺桿1的螺槽寬度、螺片高度與螺槽容積切面面積與螺桿節(jié)數(shù)的關(guān)系

進一步，為了考察壓縮比對于加工過程的影響，選取實驗螺桿2、實驗螺桿3作參照對象，其測繪數(shù)據(jù)如表4所示，壓縮比通過螺槽前端與后端的深度與寬度乘積的比值得到。在以往的經(jīng)驗中[5]，在擠出轉(zhuǎn)速與溫度不變的情況下，螺桿的生熱效率隨著壓縮比的增大而逐漸提升，小壓縮比的螺桿(實驗螺桿2)的生熱能力相對較弱，在不改變加工參數(shù)的情況下，其成品粒子的特性與實驗2相當(dāng)；當(dāng)使用大壓縮比的螺桿(實驗螺桿3)時，其生熱能力較強，易誘發(fā)產(chǎn)品塑化過度，使樹脂基體出現(xiàn)分解，影響產(chǎn)品的最終性能。因而在實際的加工過程中，不僅要考慮加工的工藝參數(shù)(溫度、轉(zhuǎn)速)，還要對螺桿的結(jié)構(gòu)，尤其是其壓縮比做深入的考量，以滿足不同產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量要求。

表4 實驗螺桿1、2、3前端與尾端的螺槽深度與寬度的測繪數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

本文對工藝參數(shù)對擠出級軟質(zhì)PVC材料做了工藝探究，分析其對材料性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1)轉(zhuǎn)速與溫度對于軟質(zhì)PVC材料的顏色具有一定影響，降低加工溫度或提高轉(zhuǎn)速都會加劇摩擦熱的產(chǎn)生，導(dǎo)致成品粒子出現(xiàn)略微的黃變，但整體顏色較為穩(wěn)定。

(2)工藝參數(shù)的調(diào)整對于成品的力學(xué)性能影響不大。

(3)成品擠出外觀的團聚點現(xiàn)象與材料加工過程中的分散分布有關(guān)，提高轉(zhuǎn)速能夠很好的改善填料在熔體中的分布。

(4)加工溫度的設(shè)定需要與螺桿結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在螺桿強壓縮段選擇較低的加工溫度易誘發(fā)局部過熱，進一步導(dǎo)致團聚點的產(chǎn)生。