PVC板材生產過程中的常見問題及處理分析
生產結皮低發泡PVC塑料制品與其它塑料擠出制品相比，除需要在一定熔壓下良好塑化成型外，同時還對發泡孔的大小、數量和均勻程度以及結皮厚度、硬度、亮度、光潔度等有相應的技術要求。發泡體質量不僅與配方、原材料相關，也直接受擠出機螺桿的剪切性能、熔體壓力、溫度、擠出(牽引)速度、口模模唇間隙、定型模板間隙、冷卻水溫度等因素的影響和制約。因此，結皮發泡塑料制品與其他擠出塑料制品相比，具有一定的技術難度，從實踐和理論上有許多未解的課題值得行業技術人員進行研究和解決。
1 結皮發泡PVC塑料板材的生產技術及其特點
結皮發泡PVC塑料制品生產的技術難點是發泡。發泡是熔體黏度上升和擴張，發泡劑產生的氣體壓力和大氣壓力共同作用的結果。
發泡過程一般要經歷3個階段：
(1)發泡氣體在擠出機內一定的溫度、壓力下溶入已塑化均勻的混合料熔體中并達到飽和狀態，形成氣泡核；
(2)熔體從口模擠出，隨壓力釋放、過飽和的溶解氣體成核、膨脹、析出，在定型模板間隙內生成均勻、密集的泡孔；
(3)在定型裝置冷卻作用下，發泡制品固化定型。質量優異的結皮發泡PVC塑料制品具有泡孔多而密，小而均勻，密度與厚度符合要求，外表平整，硬度及亮度高等特點。
2 結皮發泡PVC塑料板材質量影響因素
直接影響塑料泡孔結構質量的主要原料是發泡劑與發泡協調劑。穩定劑、潤滑劑、碳酸鈣等原料及擠出工藝控制對發泡質量有一定促進與協調作用。由于發泡制品在擠出生產過程中熔體的塑化溫度必須略低于發泡劑的分解溫度，PVC樹脂平均聚合度越低，熔體塑化所需要的加工溫度也就越低。要得到發泡充分的發泡塑料制品，采用的樹脂黏度不宜過高。同時結皮發泡塑料板材與其它發泡制品相比，因板材成型橫截面較寬，從擠出機頭進入口模要分布到一個1.3 m左右的寬度，為了有利于氣泡的分散與膨脹，板材整個橫截面壓力應協調一致，對熔體流動性要求較高，其選用的樹脂分子量一般較小，如SC-7或SC-8型懸浮法疏松型樹脂比較適宜。
2.1 原材料對發泡質量的影響
2.1.1發泡劑
發泡劑與PVC樹脂混合均勻后，隨樹脂熔融、塑化、擠出的同時，發泡劑分解，釋放出氣體，促使制品成微孔結構。發泡劑的單位發氣量與用量直接決定了發泡制品的密度。發泡劑用量越多，在熔體內形成的泡孔數量越多、孔徑越小，制品密度越低。發泡劑大致可分為吸熱型、放熱型與放熱平衡型。偶氮二甲酸銨(簡稱AC)屬放熱型發泡劑，發泡率高，為190～260 ml/g，分解速度快、放熱極大，但發泡時間短，突發性強。當AC發泡劑用量過多時，發氣量過大，會在局部產生較大的氣泡和空穴，固體殘留物也增多，對于厚板擠出時可能會因內部過熱而產生燒焦現象。而無機發泡劑碳酸氫鈉(NaHCO3)屬吸熱型發泡劑，雖發泡率較低，但發泡時間長，和AC型發泡劑并用，可以起到互補和平衡的作用。放熱型發泡劑提高了吸熱型發泡劑的發氣能力，吸熱型發泡劑又可使前者冷卻、穩定和均衡釋放氣體，抑制厚板內部過熱降解，減少殘留物析出，并有增白作用。在不影響發泡率的前提下，適當多添加吸熱型發泡劑，取代部分放熱型發泡劑，能抑制多添加放熱型發泡劑帶來的副作用，延長生產周期。比如用0.4份AC發泡劑和0.8份NaHCO3，會比單純添加0.8份AC發泡劑產生更佳的發泡效果。但如加入過量的NaHCO3會使制品泡孔變粗，而影響產品斷面的細密性。發泡劑1232或BLA-616屬放熱與吸熱平衡型發泡劑，分解無誘導期，分解速率快，10min左右即可達到最大發氣量，放氣緩和無突發，最大發氣量達156 ml/g，其分解溫度介于PVC加工溫度范圍?？捎糜诔叽巛^厚，形狀復雜的制品動態成型過程，以保證發泡性能的穩定。
發泡劑的用量應和發泡倍率，即定型模板間隙與口模間隙比相適應，發泡體容積應略大于定型模板所提供的空間。若發泡容積小于定型模板所提供的空間，泡孔數量少，制品密度大，并會因缺料，使板面不平整，出現橫向凹槽；若發泡容積過大，在定型模板間隙作用下，隨熔體壓力增加，發泡受限，會產生破泡或串泡，制品的密度同樣也會增大。
2.1.2發泡調節劑
發泡調節劑的作用機理類似于加工助劑，物料在發泡過程中，發泡劑分解的氣體在熔體中形成氣泡，這些氣泡存在體積小的泡孔向體積大的泡孔擴展的趨勢。氣泡的大小和數量不但與發泡劑的添加量有關，還與聚合物的熔體強度有關。發泡調節劑的長分子鏈纏繞粘附在PVC的分子鏈上，形成一定的網狀結構。一方面促進物料塑化，另一方面提高PVC的熔體強度，使發泡過程中泡孔壁能夠承受泡孔內氣體的壓力，不致因為強度不足而破裂。發泡調節劑可以使產品泡孔小而多，泡孔結構更均勻、合理，從而降低發泡體的密度。但若使用過多的發泡調節劑，由于熔體強度太大，使得熔體中的氣泡無法擴展，而使產品密度提高。在硬質PVC低發泡擠出配方中，發泡調節劑的用量一般為4%～8%，可根據發泡調節劑的效率、制品密度和截面是否存在破孔等情況進行調整。發泡制品的密度不但與發泡調節劑的添加量有關，也與發泡調節劑的分子量有關。分子量越大，其作用越大，相應的加入量亦可減少。一般發泡制品除ACR401外，還需要添加分子量更大的發泡調節劑，如HL100或HL530等，或者用HL100或HL530等取代ACR401，以利于進一步促進塑化和增強熔體強度，改善產品表面質量。
2.1.3穩定劑
穩定劑在結皮發泡PVC板材的生產中除起熱穩定作用外，還起著降低發泡劑分解溫度與調節發泡速度的雙重作用，亦稱為AC發泡劑的活化劑(促進劑)。純AC發泡劑的分解溫度為210℃左右，加入穩定劑后，其分解溫度及發氣量會隨之下降。分解溫度越低，發氣量越大。不同穩定劑對AC發泡劑分解溫度的影響見表1。
由于物料中的AC發泡劑消耗了部分穩定劑，為了保持相同的熱穩定性，在含AC發泡劑的配方中，對AC發泡劑有促進作用的穩定劑用量也必須相應增加。穩定劑用量增加，有利于增加發氣量，但過多添加穩定劑，又會致使發泡劑在擠出機內提前分解，致使發泡氣體從加料孔與真空孔散失。反之，穩定劑不足，則會導致制品表面泛黃、脆性很大。
2.1.4潤滑劑
在含發泡劑的PVC熔體中，因氣體分子在PVC分子間起隔離、潤滑的作用，在相同的溫度和剪切條件下，含有發泡劑的PVC熔體比不含發泡劑的PVC熔體黏度小，但由于發泡體比非發泡體在壁面上滑動性差，黏度對剪切速率的敏感性比不含發泡劑的PVC熔體大。因此，PVC低發泡制品的潤滑與PVC不發泡制品有所不同。在PVC低發泡制品的擠出成型過程中，熔體從擠出機進入橫截面較寬的F1模型腔，以形成表面光滑平整、密度一致、厚度均稱、不易破裂的制品。潤滑劑對熔體的流動性、發泡制品表面的光潔度、發泡氣體的混合與分布都有影響。根據熔體流動性，生產結皮發泡板材應采用內外潤滑平衡、多種潤滑劑復合為宜。外潤滑可以提高制品外觀光潔度，利于脫模。但若外潤滑劑用量過多，會導致發泡制品塑化不良、模具內結垢和在制品表面析出，也會在制品表面出現某些缺陷；若外潤滑劑用量太少，擠出機5區溫度不易控制，易超溫，從而致使合流芯溫度過高，板材中間出現大泡、串泡、發黃及板材表面粗糙等缺陷。添加內潤滑劑有利于物料均勻分散，均衡塑化和熔體的流動性。內潤滑劑用量不足，物料分散性不好，塑化不均，制品厚度難以控制，表現為板材中間厚，兩面薄，同時，還有可能出現粘附或局部過熱現象；內潤滑劑用量過多，會使發泡制品發脆，耐熱性能下降，并在一定溫度和熔壓作用下，轉化為外潤滑，致使潤滑失衡。發泡板材擠出過程中板面出現的縱向與橫向槽溝即是典型的潤滑失衡表現。由于外潤滑劑過剩，推遲了塑化，隨流動速度提高，口模出料過快，板面上會呈現縱向槽溝，當槽溝積累到一定程度，在定型模板阻力作用下，板面又會呈現橫向槽溝。
2.1.5碳酸鈣
硬質PVC板材加工中常用的CaCO3有2種，即輕質CaCO3，和重質CaCO3。前者采用化學方法制得，后者是采用粉碎和研磨等物理方法制成。輕質CaCO3的粒子比重質CaCO3細，純度高，含無機雜質少。在同樣用量下，填充輕質CaCO3的制品表面劃傷和折彎白化比填充重質CaCO3的小。輕質CaCO3的最大特點是具有補強作用，可以提高制品的抗沖擊強度，還可以提高發泡質量，使泡孔更均勻、細密。另外，CaCO3在PVC分解時還可吸收部分HC1，從而使產品的阻燃性和抑煙性能有所提高。
在結皮低發泡PVC制品配方中加入CaCO3，除起降低成本、增加剛度外，同時也起成核劑的作用。適用于結皮低發泡PVC板材生產的CaCO3 ，(及鈦白粉)，其粒徑一般均在5 m以下，加工時，它們能均勻地分散到熔體中形成“熱點”(成核點)，這些“熱點”可以降低局部區域的黏度和表面張力，在發泡劑分解時容易吸附氣體形成氣泡核。因CaCO3，本身剛性較大，具有減緩熔體變形和移動的能力，可以抑制泡孔過大而影響泡孔數量。CaCO3 的加入能增強發泡效果、改善泡孔質量、提高發泡制品強度。
CaCO3 的粒徑大小及添加量對發泡都有影響。其粒徑越大，在相同添加量下分散在熔體中的“熱點”也越少，并且顆粒越粗，氣體不容易以其為中心形成氣泡核；CaCO3 粒徑太小，容易聚集，形成粗粒子，從而影響其分散性，造成氣泡核減少。CaCO3，粒徑在1-2 um時，產品的發泡倍率可以達到較大。有研究表明，當發泡劑的用量一定時，成核劑濃度增加10倍，氣泡的數量增加4倍，每個氣泡體積下降到原來的2%CaCO3 用量不足時，在熔體內沒有足夠的成核“熱點”，從而不能形成更多的氣泡，使得產品的發泡倍率偏低；CaCO3加量太多時，雖然能形成更多氣泡核，但由于熔體強度降低，熔體中的氣泡擴展時容易產生破泡，減少了氣體的有效利用。且因CaCO3本身密度較大，用量過多，反而不利于降低制品密度。
綜上所述，發泡劑與發泡調節劑、CaCO3，等原料用量都有一個限值和相互制約問題。在生產實踐中一定要經過反復試驗，充分發揮各類原料協調效應，找到最佳平衡點，實施最優化配比，充分提高熔體發泡效率。
2.2 擠出工藝對發泡體質量的影響
在發泡塑料制品的成型過程中，塑料熔體中會出現大量均勻的氣泡，氣泡還要經歷膨脹和固化定型的過程。氣液相并存的體系是極不穩定的，氣泡出現后可能膨脹、破泡，也可能塌陷。影響氣體發泡、膨脹、破泡和塌陷的因素很多，除發泡劑、調節劑等原料因素外，還直接受成型工藝影響。熔體的熱穩定性、熔體強度、潤滑和分散性等除與配方有關外，還與工藝控制密切相關。尤其是熔體壓力、溫度、擠出速度、牽引速度、口模唇間隙與定型裝置模板空隙都對發泡制品質量有重要影響。
因泡沫體比非泡體物質的流動性差，要使制品既有泡孔密集、均布的內芯，又有堅硬、密實的面層，必須具有3個基本條件：
(1)擠出機與口模腔能提供持續的高壓力，使發泡劑不斷溶解在熔體中，熔體壓力越高，發泡率越高，面層越密實，熔體強度越高。一般用于生產結皮發泡塑料板材的80/156型錐形雙螺桿擠出機的熔壓以20-22MPa為宜?？谀４接蜏卦谝欢ǔ潭壬弦舶l揮調控口模唇熔壓和發泡制品表面硬度的作用。油溫低一些，對提高熔壓和制品表面硬度有利。判斷熔體強度是否合適，直觀的方法可用手指按壓1:3模與模板之間的制品表面，如果按壓后，能立即彈起，說明熔體強度好，反之，說明熔體強度差；
(2)定型模板間隙要適當，既要為發泡提供足夠的空間，又要給發泡熔體施加適當的壓力；
(3)出模唇口后的熔體壓力應降得很低，使熔體一離開模頭，就氣熔兩相分離，在較小阻力下，立即形成大量氣泡。否則也會影響發泡效率。
2.2.1溫度的影響
熔體溫度對氣泡結構、發泡制品密度及表面質量影響很大。而熔體溫度又受PVC樹脂的黏度、配方和螺桿剪切力的影響。當熔體溫度較低時，熔體黏度高，不僅影響塑化，也會使發泡不完全，且會因含氣體的熔體混合不均，成核少以及分散不均勻而形成大泡，使發泡密度增大；溫度升高到一定值時，物料混合均勻，塑化較好，氣體在熔體內溶解度增大且成核數量增多，因而可獲得孔徑、密度小的發泡體；但如果熔體溫度過高，熔體黏度過低，會導致氣泡過大，熔體因強度太低而被撕裂，大部分氣泡消失，使制品表面殘缺，密度增大，表面有可能泛黃。
在擠出發泡過程中，溫度設定的基本原則是：在擠出機內各區段溫度由高到低。1、2區溫度宜高一些，以利于促進塑化，但不能高于發泡劑的分解溫度，否則熔體會在排氣孔內提前發泡，并從真空孔逸出，影響發氣量；3～5區溫度宜逐步降低，保持熔壓穩定升高，防止在擠出過程中因熔壓變化，導致熔體在機內分解、發泡。熔體到達?？跁r，熔體溫度應達到發泡劑分解溫度范圍，并且為兩頭高，中間低。即偏離中心越遠的部位溫度越高，以利于模唇整個橫截面內的熔體流速協調一致。合流芯溫度宜低于以上各區溫度，較低的合流芯溫度，隨擠出機頭壓力增加，發泡點移向模唇，有利于發泡；溫度過高，發泡點遠離模唇口，致使過早產生氣體；若合流芯溫度過低，熔體得不到外熱的補充，處于外冷內熱狀態，隨熔體沿模壁的流動阻力增加，使發泡體表面粗糙。結皮低發泡PVC板材的擠出溫度設定參考值見表2。
主機電流是衡量熔體塑化程度的一個重要參數。但影響電流的因素很多，擠出溫度過高或過低、給料速度過慢或過快，都會引起電流變化。單獨從電流變化，難以得到準確結果。應通過排氣孔觀察物料形態來分析判斷：當熔體未呈橘皮狀態，底部有粉料存在，說明“欠塑化”，宜適當提高1區與2區的設定溫度；當熔體雖然呈橘皮狀態，卻溢滿螺槽，并發生真空冒料，說明加料過多，宜適當減少給料速度；螺槽內物料很少，幾乎看不見料，說明加料過少，宜適當提高給料速度；當提高給料速度，螺槽內依然不見持料量增加，同時加料孔卻出現冒料，說明熔體摩擦性能不足，已發生“滑壁”現象，需更換或增加配方中加工助劑的用量；當熔體過分光滑并緊緊抱緊螺桿，說明“過塑化”，宜適當降低1區與2區的設定溫度；當排氣孔觀察-切正常，但和正常電流比，依然偏高，可能是熔體黏度過高，宜適當減少加工助劑或增加潤滑劑用量。
2.2.2擠出/牽引速度的影響
在相同的工藝條件下，主機轉速與牽引速度應適宜并相互匹配。擠出速度過快或牽引速度過慢，會妨礙發泡，使制品密度過大，牽引機拉不動板材，導致定型模板堵料。擠出與牽引速度過快，熔體在機內停留時間過短，發泡劑分解程度較低，此時相應的氣體與核的比例也較小，但成核率卻較大，即密度增大；降低擠出與牽引速度，可增加氣體與核的比例，有效提高發泡率；在擠出速度一定的條件下，適當提高牽引速度，可減少模唇口阻力，明顯降低制品密度；擠出速度過慢或牽引速度過快，制品在牽引強拉力作用下，使發泡受阻，也會降低發泡率，并致使型材表面不平，尺寸過小，尺寸變化率過高，制品冷卻定型后內應力過大，影響其力學性能，甚至在壓力較低的部位出現條形褶皺或塌陷。
2.2.3口模唇與定型裝置模板間隙的影響
口模唇與定型裝置模板問隙不僅決定板材的厚度，也影響發泡倍率。一般口模唇間隙為板材厚度的1/4(僅指低發泡制品)。當擠出熔體未充滿第1道定型裝置模板之間空間時，應以牽引速度為基準，采取調整擠出速度大小來調節模板之間的飽滿程度；每道定型模板之間間隙差對板材的成型很重要。第1道板到第2道板，第2道板到第3道板之間的間隙勻遞減0.2～0.5mm比較適宜。如果第1道定型模板與其它模板之間間隙差過大，不僅可能會導致堵?，F象，還可能導致板材出第1道定型模板后，進其余定型模板時，因發泡制品承受過大的壓力，密度增大或制品截面出現破泡現象。比如生產18mm壁厚板材，模唇間隙以模中心為準，為4.5mm，橫向兩側偏離中心部位可漸次增加0.2mm，以保持偏離中心部位熔體流量與橫截面中心相一致，避免中間厚，兩邊薄。第1道定型模板間隙為19.6～19.8mm，第2道定型模板間隙為19.0～19.2mm，第3道定型模板間隙為18.4～18.6mm，第4道定型模板間隙依據板材的密度和硬度而定，生產密度和硬度較高的制品時，由于制品承受定型模板的壓力較大，經過牽引，在外力撤除，板材回復自由狀態后有一個繼續膨脹的過程，故間隙應稍小于18mm；生產密度和硬度較低的制品時，因發泡塑料制品的熱傳導率較低，制品定型后，芯部有一個繼續冷卻，“后收縮”的過程，故間隙應略大于18mm。具體差值應經過生產實踐確定?？傊?，每道定型模板都應對制品有適當的壓力，以充分發揮其定型作用。定型模板冷卻也應依距離口模先后次序，逐級強化。使定型在發泡完成后能立即、持續進行，有效保證發泡倍率在可控范圍，防止泡沫破裂，提高板材表面光潔度。
一般設備生產廠家為使發泡制品表面和定型模板接觸更緊密，提高制品硬度和厚度，確保外形尺寸精確，外觀光亮，并阻止尚未固化的泡沫塌陷，生產的發泡擠出設備第1道定型模板都設計有真空定型裝置。實踐證明，發泡板材不同于異型材，表面積較大，橫截面很寬，且十分平整，只要發泡熔體有足夠的膨脹和泡孔率，和定型板之間貼得很緊，就沒有必要使用真空吸附。而定型模版內真空槽孔的存在，會滯留析出物，并隨析出物增多逸出，將發泡制品表面拉毛，減少有效生產時間。
2.3 注意事項
發泡劑和熔體混合是否均勻，氣體在熔體中是否達到飽和，成核劑的數量、粒徑大小、分布和效率以及發泡劑的蒸發熱和氣體壓力，發泡劑在熔體中的溶解度等均對發泡體質量有一定的影響。
應該指出，對于生產結皮低發泡PVC板材，還應特別注意混料以及儲放過程中的密閉與防潮。在潮濕天氣，干混料中的水汽會對擠出發泡過程產生較大影響，使泡孔不均勻，還會增加析出，在板材表面產生凹坑；混料量不得超過熱混罐容積的75%，熱混溫度應達到105～110℃時卸料，冷混溫度應在45℃卸料。
發泡制品的結皮厚度與硬度主要由定型裝置和口模唇之間間距以及定型裝置的冷卻強度所決定。在確保結皮發泡制品冷卻定型裝置和口模唇無間隙情況下，主要靠調節冷卻水溫度或流量來調節。尤其是定型裝置第1道的冷卻溫度極其重要，直接影響板材結皮的硬度與厚度。采用冷凍機處理過的冷凍水有利于提高結皮層的硬度與厚度。結皮層厚度與牽引速度有一定關系，結皮層較厚時，可適當提高牽引速度；當結皮層較薄時，可適當降低牽引速度。在定型模板間隙一定時，密度與硬度呈反比，發泡倍率越高，硬度越低。要提高制品表面結皮硬度與光亮度，可減少模唇間隙與定型模板間隙比值；要降低制品密度，可增加模唇間隙與定型模板間隙比值。此外，發泡制品的表面光潔度還與配方中的后期外潤滑和定型裝置的表面光潔度有關，與表皮的硬度和厚度無關。
3 結語
結皮低發泡塑料板材擠出生產中，影響發泡結皮的每一個環節中各個工藝參數相輔相成，單獨調整某一個參數，難以達到預期效果。應綜合考慮各個相關因素，進行適時、對應調節方能奏效。調整時應遵循“先減量、后加量”，“先調工藝、機械，后調配方”的程序進行，例如熔體“欠塑化”，應先減潤滑劑，后加加工助劑；如制品局部薄厚不均，應先調溫度、口模間隙，再調整配方。以期用最快捷的方式，最小的代價，取得最佳效果。
