生产优质塑料异型材的十大要素

优胜编程龚老师

生产优质塑料异型材的十大要素：

生产优质塑料异型材需要配方、原料、混料机、挤出机、工艺、模具等因素整体优化，有机协调。配方的职能是和工艺共同促进塑化，给型材提供门窗所需要的各类工作性能；设备和工艺的职能是确保物料在一定温度和剪切作用下均衡塑化，抑制物料过热分解；模具的职能是决定物料在均衡塑化条件下良好成型和定型，加工成为达到设计所要求的塑料异型材制品。概括起来决定和制约塑料异型材质量水平的要素共计有十项。　　生产优质塑料异型材的十大要素　　

1.型材标准规格和壁厚　　要点：设计型材模具时，应严格执行JB/T176-2005《塑料门窗及型材功能结构尺寸》标准指标。实测值指标应大于或等于设计值指标。　　优质塑料异型材首先必须按塑料门窗及型材功能结构尺寸指标进行设计，各项设计参数应达到JG/T180-2005《未增塑聚氯乙烯（PVC-U）塑料门》与JG/T140-2005《未增塑聚氯乙烯（PVC-U）塑料窗》及《门窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）彩色型材》等标准的要求。以上标准对平开和推拉门窗型材壁厚和焊接角最小破坏力指标都有明确规定。　　据计算型材可视面壁厚小于2.8或2.5毫米，腔体高度低于50毫米窗框，低于64毫米门框，低于57毫米内外开门扇，低于23毫米内开扇，低于31毫米外开扇计算的焊接角最小破坏力均会低于标准值。为从源头上保证平开门窗质量，设计型材模具时，应严格执行JB/T176-2005《塑料门窗及型材功能结构尺寸》标准指标。　　在生产检验中，实测值指标应大于或等于设计值指标。如果设计值小于标准值，说明型材规格或壁厚有问题，如果实测值小于设计值，说明型材配方、型材截面结构存在挤出及焊接工艺问题。尤其是推拉扇型材焊接角最小破坏力设计值仅有1400N，为所有主型材最小值，除承担本身和玻璃载重外，还承受动态开启载荷和室内外温度、风荷载及外力作用，受力状态相对比较复杂。随着建筑节能政策实施，现在门窗大都采用真空或中空玻璃，重量较重，又大多在冬季最寒冷气候安装，如果购置扇型材壁厚偏离标准规定的2.2毫米，仅有1.6-1.8毫米，且规格偏小，高度低于58毫米，不仅焊接角最小破坏力值更小，且聚集很大拉伸内应力，抵御承重和外力的性能更低，在门窗工程中发生焊缝开裂和型材破裂几率会很高。　　

2.原料组分良好分散性　　要点：关注混料程序和每锅加料量；料体积不超过混料罐的55-75%；留意热混罐出料阀门是否泄漏。　　塑料异型材混料工段有两个基本职能：一是通过混料机桨叶高速旋转，对物料进行扩散、对流、剪切，降低各物料组分之间的浓度差，使各类物料能均匀分散；二是促进物料胶凝化。　　热冷混料温度、出料时间，加料程序及每锅原料最大容量等技术指标是否符合要求关系到物料分散性和胶凝化是否良好。若上述指标达不到所规定技术指标，会使混合料组分不均匀，影响物料凝胶化。这样的混合料即使挤出机挤出塑化程度再高，都无法生产出质量优质的塑料异型材。　　
目前除自动化程度较高的大型企业外，一般采取人工加料的中小型型材企业普遍对混料程序和每锅料加料量有所忽视。大部分依然采取“一锅烩”加料方式。由于热稳定剂未提前加入，不能充分发挥对PVC树脂的热稳定作用；内润滑剂未提前加入，则会影响物料的初步凝胶化和分散效果；加工助剂过早加入会优先吸收铅盐稳定剂，使PVC接受量减少，导致混料稳定性下降；钛白粉过早加料会影响制品表面光洁度和色泽，且对混料罐磨损较大；碳酸钙过早加料，不仅对混料罐磨损较大，而且会优先吸收内润滑剂；外润滑剂加料过早会使混料摩擦与剪切热降低，影响混料效果与稳定剂分散性能；色母料加料过早会影响彩色型材色泽等。因此，为保证混合料质量，至少应分三步加料，第一步混料机启动后首先加入树脂、稳定剂、内滑剂；混料到达60℃时再行加入加工助剂和冲击改性剂；混料至85-90℃时再加入钛白粉、碳酸钙及色母料。使混合料能达到充分分散和一定程度的凝胶化，又能有效延长混料机工作寿命。　　混料机设计时一般都设计有最大加料量，每锅料体积不得超过混料罐的55-75%。若超过这个量，则会造成混料时物料搅拌不均，局部物料升温过快，物料尚未凝胶化，便从热混罐排出，影响混合料质量和分散性。少于这个量，混合料得不到充分搅拌，摩擦与剪切，同样影响混合料质量。因此混料时一定要严格控制每锅料的加料量，严防加料过多或过少。　　此外热混罐出料阀门是否泄漏，往往被人所忽视，致使热混时，部分物料提前排出热混罐，未能达到充分分散效果。因此混料时，应严格关注热混料阀门的泄漏情况，及时处理。　　


3.韧性和刚性指标的平衡　　要点：不同档次的型材抗冲击改性剂和碳酸钙有不同的平衡条件，标准型材、低标型材两者平衡条件差别很大。随碳酸钙剂量增加，冲击改性剂也需相应加大。　　型材“新国标”性能指标共计15项，除型材外观性能指标外，涉及型材物化性能的指标共10项。按功能分，除老化性能、150℃加热后状态外，大致可分为刚性指标与韧性指标两大类。其中弯曲弹性模量、维卡软化点、可视面加热后尺寸变化率、两可视面加热后尺寸变化率之差大致属于刚性指标范畴；低温落锤冲击、简支梁冲击强度、拉伸冲击强度大致属于韧性指标范畴，其中可焊性同时属于刚性和韧性两大指标范畴。　　在挤出生产时，型材刚性和韧性两项指标互为作用和影响，刚性过高，必然会影响韧性；韧性过高，必然又会影响刚性。并不是哪项指标越高越好，而是在满足门窗杆件承受外力时，既不发生塑性变形又不破裂，两项指标相互平衡为基准。　　事关型材韧性和刚性指标平衡的功能类助剂主要是抗冲击改性剂和碳酸钙。不同档次的型材抗冲击改性剂和碳酸钙有不同的平衡条件。经笔者多年研究验证：标准型材、低标型材两者平衡条件差别很大。随碳酸钙剂量增加，冲击改性剂也需相应加大。当冲击改性剂增加至一定程度进入平台期时，即决定了碳酸钙的最大加量。譬如要保证1.5米低温落锤冲击、拉伸冲击、简支梁冲击等项指标达标，碳酸钙最佳加量为16-25份，超过这个量，以上三项韧性指标很难达标，尤其是采用自动化混料和输送的大型企业，由于碳酸钙加量过大，混合料在输送过程中易发生组分重新分离，更是如此；即使韧性和刚性对应平衡从理论上弄清楚了，但在生产实践中要真正实现对应平衡，还是一个未知数，绝非一朝一夕之功。就像老中医开药方一样，哪道药应抓多少，应该辨证施治。譬如为确保型材质量，随碳酸钙剂量增加，抗冲改性剂也须对应增加。但增加到什么幅度，最有效？增加到什么幅度，作用不明显或不起作用？还需要经过长期生产检验摸索确诊，每个环节都不能忽视，不断总结经验才得以实现。　　随原材料涨价，一些中小型生产企业虽然型材规格、壁厚达标、工艺上也采取一些优化措施，型材碳酸钙加量到40-45份，也能保证型材1米低温落锤冲击和焊接性能合格，但1.5米低温落锤冲击和拉伸冲击、简支梁冲击等韧性指标则会相差很远。鉴于这些企业均不具备以上质量性能检验条件，因此未能引起应有的重视。该类型材充其量仅能算是低标型材；目前市场上碳酸钙填充量达到80-90份的型材，可以说没有任何质量性能而言，无疑纯属于非标型材范畴。　　其余功能类助剂钛白粉、紫外线吸收剂、抗氧剂等均是和型材抗老化性能有关的助剂。对于PVC-U型材挤出而言，这些无机物或有机物均会影响塑化。因为其价值昂贵，企业一般都不会过多添加。但若加量偏少，则会影响型材老化性能。　　企业要想型材达到国家标准指标，务必要通过功能类助剂组分的优化调整，使型材韧性和刚性指标相对平衡，其性能与成本之间也能达到最优化匹配。　　
4.加工润滑和摩擦的平衡　　要点：若稳定剂加量不足，即使配方中功能类助剂再好且加量再足，也无济于事。润滑剂是配方的核心技术，不容忽视。　　配方中加工类助剂中热稳定剂、加工助剂、内外润滑剂等也对型材塑化质量有很大影响。加工类助剂和挤出工艺相协调，重点解决的是物料塑化问题。型材所具备的各项性能都是以在一定熔压条件下，良好塑化为前提的。要保证物料良好塑化，在塑料异型材加工中必须添加稳定剂，并经热稳定试验，确定其添加份数。生产实践证明：若稳定剂加量不足，即使配方中功能类助剂再好，加量再足，也无济于事。大量事实证明：目前塑料门窗工程安装或竣工期间发生的框扇泛黄、变色问题，除增白剂与群青的褪色因素外，也和配方中添加的稳定剂质量和剂量有关。　　润滑剂和加工助剂是型材挤出中添加的微量加工类助剂，但在型材中发挥着不可取代的重要作用。其中硬脂酸是以内滑为主兼有外滑作用的滑剂，熔点为70-71℃，其加量和碳酸钙品种和剂量密切相关，型材配方中若采用轻钙，须采用硬脂酸活化处理，可适当多加，剂量大致为0.5-0.8份；若采用活化钙，可随钙加量对应填加。例如钙含量大致为20份以下，其剂量大致为0.1-0.2左右；钙含量在30份以上，其剂量大致为0.3-0.4份；石蜡为外润滑剂，熔点为50-60℃，属于前期外滑剂，额定用量为0.05-0.2份，当挤出机供料段与压缩段“过塑化”，表现为真空孔熔体过分光滑，内壁出现粘壁或挂料现象，可适当多加；硬脂酸铅为外滑兼内滑润滑剂，熔点105-112℃，额定用量一般是0.1-0.4份，当挤出机熔融段与计量段熔体“过塑化”，表现为挤出时型坯内筋发泡弯曲，可适当多加；PE蜡为中后期润滑剂，熔点为105-115℃，当挤出机熔融段与计量段熔体“过塑化”，表现为型坯挤出时内筋发泡弯曲，可适当多加。型材光亮度是熔体良好塑化结果。　　除功能性助剂使用外，润滑剂在配方中，技术含量较高，调整难度较大，是配方核心技术，对型材质量影响不可低估。务必要根据润滑剂不同润滑作用，优化匹配，对应平衡，适量添加。　　

5.挤出机所供热量与型材所需热量的平衡　　要点：要实现挤出机所供热量与型材塑化所需热量平衡，必须兼顾设定温度和挤出/给料速度比的平衡。　　鉴于PVC-U加工既需要一定温度熔融成型，对温度又特别敏感。单位体积的物料由玻璃态转化为熔融态所需的热量应基本一致。过多或过少都不利于其成型和内在性能。因此挤出机挤出时所提供的热量应和其加工成型所需要的热量相平衡。挤出所提供的热量有两种，一种是外热，一种是挤出机剪切作用所产生的内热。挤出机设定温度仅能控制加热圈所提供的外热，内热由挤出速度和给料速度比所决定。要实现挤出机所供热量与型材塑化所需热量平衡，必须兼顾设定温度和挤出/给料速度比的平衡。　　挤出机各段设定温度区域有不同的工作职能，其中给料段和压缩段为加热区；熔融段和计量段为恒温区，机头合流芯、过渡段、口模等为保温区。给料段和压缩段是为加速物料塑化服务的，温度设定应高一些。熔融段和计量段是为防止熔体加热分解服务的，温度设定应低一点，主要是适时停止外加热，并实施冷却作用；机头合流芯、过渡段、口模是为保护熔体本身热量不受损失，保证熔体最佳温度状态下挤出成型，温度设定应高一些。型材挤出操作应对应、合理、优化设定工艺参数，即使挤出机运行出现异常，也便于及时发现并处理，保证物料良好塑化，有效延长挤出机工作寿命。　　

6、适当的塑化熔压　　要点：熔体压力主要由加料速度决定，加料速度应以真空孔的物料形态为基准，当真空孔内物料处于1/2或2/3时给料速度适宜，反之应予以调整。　　熔体压力主要由加料速度决定，除配方中加工类助剂和工艺温度外，熔体压力也是为促进型材塑化服务的。型材塑化所需要的剪切热除螺杆结构外，还和加料量直接相关，加料量越大，剪切热越高，会加速物料塑化，提高挤出效率，但会增加对挤出机磨损；剪切热越低，推迟物料塑化进程，降低挤出效率。加料若过少，易造成螺杆扫膛现象，影响挤出机工作寿命。　　在挤出速度一定前提下，加料速度是否适宜？应以真空孔的物料形态为基准。视挤出机螺杆结构而定，当真空孔内物料处于1/2或2/3时，说明给料速度适宜，反之应予以调整。在真空孔不存在“冒料”前提下，亦可依据加热区或恒温区显示温度情况，协助调整物料塑化进程。例如加热区显示温度低于设定温度时，可适当提高加料速度，当恒温区显示温度高于设定温度时，可适当降低给料速度。充分发挥给料速度调整物料塑化的职能。应该指出：调整加料速度时，应以既定的挤出速度为参照物，在各段设定温度不变情况下进行。否则没有基准，调整是没有意义的，甚至会导致生产条件混乱。如变动挤出速度，可根据挤出机真空孔物料塑化情况和挤出型材各项性能是否达到标准指标为基准，与给料速度同步调整。　　

7、型材截面所需物料和模具流道所供物料平衡　　要点：需要模具内壁和形式各异的分流锥均匀将物料均匀分配到型材截面各部位，实现型材截面所需物料和模具流道所供物料平衡。　　型材截面所需物料和模具流道所供物料平衡是依赖模具完成的。由于塑料异型材截面比较复杂，呈不对称结构，截面各部位持物量差异很大，而PVC-U物料又流动性较差。目前各个企业采用的配方和原料又有很大不同，不同配方原料在一定温度下，流动性与收缩膨胀率亦不同。如何使不同配方原料，不同截面结构型材，能按照模具设计的形状和轨道，在一定熔压作用下，准确、均匀成型和定型，需要模具内壁和形式各异的分流锥，将物料均匀分配到型材截面各部位，实现型材截面所需物料和模具流道所供物料平衡。　　在我国当前模具设计理论还不成熟的情况下，模具截面设计完成后，主要是依赖大量试模工作来实施的，因此试模工作极为重要。　　不过，当前试模工作存在一种极为错误的倾向：当型材规格和壁厚达不到标准及既定指标与各可视面壁厚不均时，不是通过修理口模予以处理，而是“以调代修”，错误采用牵引速度和口模温度等工艺方法处理。比如不按设计型材壁厚调试，为达到所需要型材壁厚，任意采用提高或降低牵引速度进行操作，导致型材加热后尺寸变化率超标；为了型材各个可视面壁厚一致，不对应调整模具，而采取任意提高或降低口模各个面设定温度，致使型材相邻两个面尺寸变化率差值超标。由于加热后尺寸变化率及其差值超标，在同样配方条件下，低温落锤冲击性能和焊接性能和其他型材相比有很大差距；为片面提高挤出生产率，任意提高挤出速度，导致型材从口模挤出后发生膨胀，不仅影响型材成型质量，也影响到型材加热后尺寸变化率、低温抗冲击、焊接性能等项指标。因此型材企业在加工新模具时，务必把好设计和试模关。在试模时，一定要坚持先调试工艺、在确定工艺前提下，再行粗调模具，模具粗调完成型材各项内在性能达标基础上，再行精调模具。正常生产时一定要严格按试模时制定的各项工艺参数生产，以保证型材成型和各项内在质量达到所需要的质量标准。　　

8、型材密实度　　要点：给料速度的快慢不能提高或降低型材密实度。型坯压力直接关系到型材的密实度。若使用的模具在同样配方条件下生产型材密实度较低，型材各项内在性能难以达标，可在口模与机头部位增设多孔板。　　型材密实度是除型材规格、壁厚外，另一个关系到型材的内在质量性能的重要指标。至于型材密实度是怎样形成的？目前业界所发表的文献还有争论。一种观点是依赖加料速度形成的，一种是依赖口模及多孔板所产生的反作用力形成的。　　笔者管见：实际上在挤出过程中存在两种压力，一种是熔体压力，一种是型坯压力。所谓熔体压力主要指物料在挤出机内由玻璃态向粘流态转化时的压力，不是一个恒定值，而是随螺杆结构与给料速度、挤出速度而变动。平常所谓用给料速度调整的仅是熔体压力。熔体压力大小可以有效调整剪切热和物料的塑化程度，但不能调整型坯压力。熔体压力在各个不同功能段，随螺槽容积与头数不同，差别很大，压力最高的是压缩段，最低的是熔融段，然后经过计量段又逐渐上升。即使给料速度较快，导致熔融段熔体压力较高，超过口模与过度盘的反作用力，即挤出口模外；给料速度较慢，致使熔融段熔压压力较低，当低于口模与过度盘的反作用力时，无法挤出机外，因双螺杆挤出机有正位移输送作用，强制给料的特点随螺杆转动，熔体压力增加，当高于口模与多孔盘的反作用力时，也必然挤出机外。给料速度的快慢仅能一定程度决定塑化程度与挤出速度的快慢，不能提高或降低型材密实度。型坯压力是由口模与过度盘的反作用力，即由模具设计时确定的口模内壁流道和分流锥压缩比及平直段长度所决定，直接关系到型材的密实度。　　若使用的模具在同样配方条件下生产型材密实度较低，型材各项内在性能难以达标，可在口模与机头部位增设多孔板。多孔板不仅起提高型坯压力的职能，同时也发挥均化熔体压力，消除熔体通过机头、过渡段、口模时的界面摩擦热损失。熔体从挤出机挤出，截面温度与熔压在多孔板作用下，经历一个相互交汇、分流、聚合、均衡，重新分配与调整的过程，避免了物料从挤出机挤出时，因截面各部位温度、流速与压力不尽均衡，脱离口模后，弹性恢复不一致，导致型坯严重变形。另外多孔板也可有效过滤熔体杂质，对维护与延长模具寿命有一定作用。　　因此笔者认为凡主型材，口模设计时均应增设多孔板。　　

9、定型模所供冷量与型材定型的平衡　　要点：要实现型材定型模所供冷量平衡，应依据环境温度、挤出效率、型材截面各部位所持物料量大小等因素予以调整。　　型材成型是由口模决定的，定型却是由定型模提供的真空和冷却所决定的。型坯从口模挤出进入定型模后，一方面受到定型模真空吸附、冷却、定型，一方面在牵引机牵引力作用下缓缓向前移动。过去一段时期，不少模具厂家设计定型模为干式定型和逆向换热冷却模式（即冷却水和型材不直接接触，全部为间接冷却。冷却水从定型模尾部进入其内腔夹层，从其头部排出）。迄今大部分模具厂设计定型模均为干湿混合定型和顺向换热模式（即定型模由干式定型模和涡流式水箱两部分组成，由干式定型模完成型坯由熔融态向高弹态的转化过程，且冷却水由干式定型模头部进入，由尾部排出，再进入水箱，通过涡流运动，完成型坯由高弹态向玻璃态的转化过程）。　　之所以如此改动，主要原因是随挤出速度提高，处于熔融态的型坯进入定型模后若不能快速冷却定型，即刻转换为玻璃态，在定型模径向真空吸附和牵引机轴向牵引两种外力作用下，仍处于弹性态型坯很容易发生变形。同时高温型坯从口模挤出后，即强制冷却，可以减少摩擦阻力，有效提高型材光洁度。前一种定型模长度较长，大约三组500-600毫米长度，摩擦力较大，型坯由熔融态向玻璃态转换一步完成，虽然是逆向换热，但型材在定性过程中，依然受到很大的拉伸应力。后者干定型部分长度较短，摩擦力较小，且型坯定型分两步完成，型坯完全侵泡在水箱中，冷却比较彻底。虽然采取正向换热，型材外部物料急剧冷却收缩会对内部材料产生挤压应力。但通过安装在定型台尾部的紫外线加热器，可松弛，缓解型材外部对内部的挤压应力予以弥补。　　要实现型材定型模所供冷量平衡，应依据环境温度、挤出效率、型材截面各部位所持物料量大小等因素予以对应调整。譬如环境温度低时，定型模所提供的真空度和冷却水量要小一些；挤出速度高时，真空度和冷却水量要大一些；型材截面持料量多，则设计有功能性沟槽部位冷却水量要大一些，真空度要小一些，以加强冷却效果，减少局部摩擦阻力，使各截面承受的阻力均衡一致，反之依然。以保证定型模所提供的真空和冷却水量能满足型材能按设计尺寸准确定型，不变形，尺寸达标为基准，既不可过大，也不可过小。　　

10、型材最小内应力　　要点：要消除和减少型材截面集中应力，工艺调整往往效果不大，应尽量通过修模予以处理；要消除或减少型材轴向拉伸内应力，应从模具设计、修理及工艺着手解决。　　型材内应力也和模具及工艺条件有关。型材内应力大致可分为温度应力和结构应力。温度应力和熔体截面温度不均有关，是由工艺温度设置或控制不当所致；结构应力又分为截面集中应力和轴向拉伸应力。模具内筋和外壁存在直角，壁厚不均，不光滑过渡属于截面集中应力；牵引速度过快或过慢，沿型材轴向方向所聚集的应力均属于轴向拉伸应力。这些内应力存在会对加热后尺寸变化率、冲击性能及焊接性能产生不良影响。　　要消除和减少型材截面集中应力，工艺调整往往效果不大，应尽量通过修模予以处理；要消除或减少型材轴向拉伸内应力，应从模具设计、修理及工艺着手解决。尤其是型材壁厚是由口模模唇间隙所决定的，不能通过牵引速度任意调整。工艺操作时，牵引速度和挤出速度控制要适当，以生产的型材经过检测，加热后尺寸变化率及差值最小为基准。口模温度设定要合理，截面温差不宜过大。试模时，口模各个方向温度设定应基本一致，当型材截面出料不均时，尽量修模内壁和分流锥角度，使之出料均匀为基准。　　
以上十项技术要素是生产优质塑料异型材的基本保证。目前行内不少中小型企业生产的塑料异型材质量性能之所以差距很大，主要原因是在生产经营中存在型材规格、壁厚不标准，型材韧性指标和刚性指标不相平衡，物料组分分散性不好、熔体稳定性不足、塑化不良等弊端，并不是一些重大技术欠缺，而是存在一些技术盲点和误区，使这些微观细节问题被忽视所造成的。企业产品之间的竞争，往往都是产品细节的较量，细节解决成败。一个企业若以生产优质产品为宗旨，就需要在影响产品质量性能的整个系统，实行微细优化管理，把技术工作做到极致化。