PVC木塑复合微孔发泡材料挤出成型技术研究
PVC木塑复合微孔发泡材料挤出成型技术研究
摘要:实际结合理论系统的在原料选择、配方确定、工艺要求等方面介绍了PVC木塑复合微孔发泡材料挤出成型的生产技术及一些注意事项。
木塑复合材料具有木材和塑料的双重特性,并且这种材料有耐腐蚀、耐磨、不翘曲、尺寸稳定、机械性能良好、外观与木材相似的优点。以木塑复合材料来代替木材,不仅可减少对木材的需求量,节约森林资源,而且通过对废弃资源的综合开发利用,变废为宝,有很高的经济与社会效益。尽管木塑复合材料具有许多优点,但由于树脂与木粉的复合,一方面其韧性、冲击强度和弯曲强度等力学性能相对未填充的塑料会有所降低,另一方面相对天然木材来说,密度是木制品的两倍左右,不能作为理想的木材替代品,因此其应用领域受到了一些限制。向木塑复合材料的原料中加人发泡剂进行发泡挤出,经发泡后的木塑复合材料存在良好的泡孔结构,可钝化裂纹并有效阻止裂纹的扩张,从而显著提高了材料的抗冲击性能和韧性。制品密度接近于木材,而机械强度高于木材,这使其可作为良好的木材替代品,而且产品成本降低,从而进一步拓宽了木塑复合材料的应用范围。本文从原料、配方、工艺等方面,实际结合理论系统的介绍了PVC木塑复合微孔发泡材料挤出成型的生产技术。
1配方设计
1.1原辅材料的选择
材料配方设计是PVC木塑复合微孔发泡的关键步骤之一,PVC中加入木纤维其熔体粘度、刚度都有所增加,难以获得高的孔隙率。另一方面由于木粉具有较强的吸水性,且极性很强,而PVC树脂
为非极性的,具有疏水性,所以两者之间的相容性较差,界面的粘结力很小,需加入适当的添加剂来提高木粉与PVC树脂之间的界面亲和能力。同时也需要加人各种助剂来改善其加工性能及其成品的使用性能。
1.1.1PVC树脂和木粉
通常选用SG5、SG7型树脂,木粉处理至45目左右,含水率在3%以下(木粉中含水高会导致泡孔尺寸不均匀,影响制品表面质量)。
1.1.2稳定剂
一个理想的稳定体系应是几种稳定剂的合理搭配,木塑复合发泡材料加工工艺控制的关键之一就是防止混炼和成型加工过程中塑料及木粉的热降解。木粉热稳定性较差,其中的纤维素和木质素容易分解,有氧存在时190℃左右即发烟变色。同时由于聚氯乙烯的加工温度和分解温度很接近,在加工中必须添加足量的热稳定剂,以提高其降解温度。在PVC木塑复合微孔发泡材料生产中采用较多的是复合铅稳定剂、有机锡稳定剂、钙锌稳定剂等。
1.1.3增塑剂
PVC树脂的熔融流动粘度比较高,与木粉复合时常常需要添加增塑剂来改善其加工性能。加人增塑剂可以降低加工温度,增塑剂分子结构中含有极性和非极性两种基团,在高温剪切作用下,它能进人聚合物分子链中,通过极性基团互相吸引形成均匀稳定体系,而它较长的非极性分子的插人减弱了聚合物分子的相互吸引,从而使加工容易进行。在
PVC木塑复合发泡材料中常用的增塑剂有:邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、癸二酸二辛酯(DOS)等。随着增塑剂含量的增加,木塑复合发泡材料的断裂伸长率增加而拉伸强度降低。增塑剂的用量与增塑剂本身的极性以及增塑剂对材料中的各组分作用有着很大的联系,存在一个更佳用量,增塑剂用量太小,增塑剂起不到很好的增塑作用,增塑剂用量太大,对泡孔形态有影响。
1.1.4偶联剂
偶联剂是两种不同物质界面之间的分子桥,它能使塑料与木粉表面之间产生较强的界面结合,提高木粉与塑料的相容性及分散性,能明显提高复合材料的力学性。常用有钛酸酯类、铝酸酯类偶联剂。
1.1.5润滑剂
润滑剂是PVC木塑复合发泡材料挤出的重要影响因素,需要加人合适的润滑剂来改善流动性和挤出制品的表面质量,润滑剂又是颜料在复合材料中的良好分散剂。润滑剂对模具、料筒、螺杆的使用寿命、制品表面的光洁度及低温冲击性能都有一定的影响。润滑剂按作用分为内润滑剂和外润滑剂。内润滑剂的选择与所用的树脂有关,它必须与树脂在高温下具有很好的相容性,降低树脂内分子间的内聚能,以达到降低树脂熔融粘度、改善熔融流动性的目的。外润滑剂在塑料成型加工中起了树脂与木粉之间界面润滑的作用,其主要作用是促进树脂粒子的滑动。通常一种润滑剂往往兼备内、外两种润滑性能,配方中要注意润滑剂的内、外平衡。润滑剂用量太大时,造成塑化困难,材料的力学性能下降。使熔体流动变得不稳定,处于过渡润滑状态。润滑剂用量太少,体系润滑不足流动性差,物料阻力增大引起机头连接处冒料。PVC木塑复合微孔发泡材料中常用的润滑剂有:聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸铅、石蜡、氧化聚乙烯蜡等。
1.1.6着色剂
通过合理的着色剂选用与搭配,可以生产出仿黑胡桃、红胡桃、樱桃木等木塑复合发泡材料,所以着色剂在木塑复合发泡材料生产中也有着较为广泛的应用,它能使制品有木材般均匀稳定的颜色。
1.1.7紫外线稳定剂
紫外线能使复合材料中聚合物发生降解或力学性能下降,如制品在户外使用时常加入光稳定剂和紫外线吸收剂
1.1.8发泡剂
通常说木塑复合发泡材料中的气泡尺寸小而泡孔密度大才是理想的材料。根据使用场合和功能要求的不同,发泡率有高有低。PVC木塑复合制品的密度通常大约为1.3g/㎝3,发泡的PVC木塑复合制品密度可降至0.5 g/㎝3左右。装饰型材一般采用相对较高的发泡率,如0.6g/㎝3。用作门窗构件的型材则采用较小的发泡率,大约为0.9g/㎝3。通常用的发泡剂有AC发泡剂、CO2、N2等。发泡剂用量应控制合理,过少发泡效果不好,过多会导致材料分解变色,不但不能通过发泡降低密度,提高材料的抗冲击性能和韧性,反而会使材料变脆,影响内外质量。
1.2加工配方
PVC:100份;稳定剂:4~5份;润滑剂:2~3份;增塑剂:8~16份;着色剂:2~2.5份;改性剂:8~12份;发泡剂:0.3~1份;偶联剂:1~1.5份;木粉:50~80份;超细碳酸钙:6~8份;其它:1~2份。
2成型加工工艺
2.1加工工艺流程
2.2主要设备
①GRH-200混合机;
②65型木塑用锥形双螺杆挤出机;
③成型模具:由于木塑复合微孔发泡材料的特殊性,成型模具设计有许多特殊的要求。一方面由于木塑复合材料的流动性差,在模具强度足够的情况下,尽量减少支架筋的数量和尺寸。另一方面应取较大的压缩比以增加挤出压力,以利于发泡成型。一般情况下,木塑复合微孔发泡材料模头压缩比取6~11。针对木塑复合材料的热敏感性,应合理安排机头的加热装置,提高其温度控制精度。
2.3混料过程
干燥后的木粉在高速混合机中与碳酸钙混合,温度升高到50℃时加入偶联剂并搅拌均匀,再加入PVC树脂、增塑剂、发泡剂、稳定剂等,最后加入润滑剂。这样就避免了偶联剂与增塑剂直接接触而发生酯交换反应,保证了偶联剂的效果。加入碳酸钙的目的一方面是提高木粉的耐热性,另一方面部分碳酸钙吸附于木粉的表面,有利于改善挤出材料的表面光洁度。
2.4挤出过程
2.4.1螺杆转速
木塑复合微孔发泡材料挤出加工过程中螺杆转速的控制应特别注意,PVC和木粉都是热敏性的,过高的螺杆转速会导致物料降解。同时,螺杆转速还影响着挤出压力和物料的发泡。所以实际生产中应根据设备状况、材料配方等尽快找到一个更佳转速,并保持稳定。
2.4.2加料
木塑复合微孔发泡制品生产过程中,由于原材料中的木质纤维结构蓬松,加料过程中常会出现"架桥"现象,在挤出机加料段螺杆中打滑以至于难喂料,同时塑料基体与填料之间并不能形成理想的混合体并均匀地加人到挤出机中,特别是木粉中含有较多的水分时,这一现象就更为明显。加料的不稳定直接导致挤出波动,影响挤出质量。同时由于加料中断,物料在机筒内停留时间加长也会导致部分物料烧焦变色。因此必须对加料方式和加料量作严格的控制,一般采用强制加料装置,以保证挤出的稳定。
2.4.3挤出温度控制
木塑复合发泡材料挤出加工过程中,挤出机的温度控制十分重要。如温度过低会使PVC树脂塑化不良,不能充分包裹木粉,从而使制品的强度受到影响。而挤出温度过高,物料易降解,同时过高的温度会使熔体的粘度降低,挤出压力不足,造成制品表面粗糙、强度低,影响发泡质量和挤出质量。实际加工过程中温度控制见表2。
4结论
影响木塑复合微孔发泡制品挤出的因素很多,它涉及原料、配方、工艺等因素,实际生产过程中应根据设备工艺特性合理的控制配方及温度、速度、压力等工艺条件,才能生产出合格的制品。
