讨论影响聚氯乙烯塑化质量的因素

王 英 刘红霞

（新疆天业股份有限公司塑料制品总厂，新疆石河子，832000）

讨论影响聚氯乙烯塑化质量的因素

王 英 刘红霞

（新疆天业股份有限公司塑料制品总厂，新疆石河子，832000）

探讨聚氯乙烯挤出加工成型的塑化过程中，影响塑化质量的混料、设备、模具、挤出工艺等因素。

聚氯乙烯加工；塑化质量；混料；设备；模具，挤出工艺

前言

高分子化合物中塑料、合成纤维、树脂等是近年来广泛地应用于各工业领域的重要有机聚合材料。聚氯乙烯（以下简称PVC）是五大通用塑料之一，其产量仅次于聚乙烯居第二位。PVC以其特有的阻燃、绝缘、耐磨损等优良的综合性能赢得了广阔市场，广泛应用于轻工、建材、农业、日常生活、包装、电力、公用事业等部门。尤其在建筑塑料、农用塑料、塑料包装材料、日用塑料等领域占用重要地位。

聚氯乙烯挤出加工成型过程中塑化质量将直接影响PVC塑料制品质量，因此研究聚氯乙烯挤出加工成型过程中塑化质量的影响因素是确保 PVC塑料制品质量的关键之一，对PVC塑料制品加工有着十分重要的意义。

1 聚氯乙烯挤出加工成型的塑化机理

挤出成型是塑料成型加工的一种方式，聚氯乙烯树脂在挤出机中的运动过程是一个塑化过程。在聚氯乙烯的生产过程中，产品质量与物料挤出塑化质量有直接关系。聚氯乙烯塑化质量，是指聚氯乙烯树脂经过挤出机的高热和剪切加工通过模具定型后，在PVC塑料制品质量上的反映。其塑化过程，从物料状态上看是一种转化，由玻璃态转化为高弹态，再转化为粘流态；从聚集态结构上看，是一种结构重组，从树脂颗粒被破碎到初级粒子被破碎，再到一级粒子的破碎，最后形成自由的大分子链。从一定意义上说，聚氯乙烯树脂的塑化质量就是PVC粒子被破坏的程度。

聚氯乙烯树脂在双螺杆挤出机机筒中的塑化分：固体输送段、熔融段、熔体输送段三个历程。

在固体输送段，PVC粒子被致密地压实后，形成在螺槽上滑动的固体床或固体塞。固体塞运动是依靠机筒表面与固体塞之间的摩擦力，而螺杆与固体塞之间的摩擦力却阻止固体塞运动。所以在机筒内，造成PVC粒子不在同一个方向前进，而是不时地翻滚，打滑，随螺杆旋转、“架桥”，在“桥”后堆积起来，再突破“桥”，随着PVC物料的挤出，物料在机筒内的流动，过程反复进行。在这个区域，良好的塑化质量，从状态上看，PVC大分子由玻璃态转化为高弹态；从聚集态结构看，50～60%的PVC树脂颗粒被破碎变成初级粒子，各种助剂粒子的表面与初级粒子表面充分接触、扩散。

在熔融段，PVC粒子在被挤压致密的同时，建立了相当大的压力，这些压力与周围介质的软化作用一起，把压实的颗粒变成密实的膏状固体。这时的膏状固体是由一部分高弹态PVC树脂、一部分玻璃态PVC树脂和少量的粘流态PVC树脂组成的混合状态。膏状固体具有螺旋形螺槽的形状并且在螺槽内滑动。由于这种相对运动，在膏状固体和机筒表面之间的熔膜内便产生了速度分布。于是，熔膜中的熔体开始向螺纹推进、流动，当它遇到螺棱时，螺棱便将熔体从机筒上“刮下”，并且聚集在推进螺纹前方的螺槽后部的熔池中。当膏状固体沿着螺槽移动时，越来越多的熔料被带入熔池，膏状固体被逐渐破坏而成为粘流态向前输送。良好的塑化质量，从状态上看，PVC大分子状态由高弹态转化为粘流态；从聚集态结构看，PVC树脂颗粒基本破碎，有60～70%PVC初级粒子破碎变化为一级粒子，各种助剂分子表面与PVC一级粒子表面接触，形成物理与化学的结合。

熔体输送段，熔体大分子在剪切作用下与各种助剂进一步反应，被均化。连续PVC物料粘流体不断地定量挤出，形成熔体压力，保证了聚氯乙烯最终成型产品的密实度。在这个区域，良好的塑化质量，从状态上仍保持PVC大分子粘流态，从聚集态结构看，是PVC一级粒子与少量初级粒子共同组成结晶体，这部分初级粒子可以提高最终材料的强度、韧性。当含有这种结晶体材料被挤出、冷却后，在外力的作用下，初级粒子能够阻碍一级粒子的运动，达到强度提高；又由于初级粒子表面积大，在受到冲击时可以吸收部分冲击能，韧性提高。

2 影响聚氯乙烯挤出加工成型塑化质量的因素

要真正实现PVC树脂在这三段塑化过程中顺利转化，达到满意的塑化质量并不是件容易的事，必须在挤出工艺温控系统、配方系统、设备精度等方面同时给以保证才能实现。在这里不讨论配方系统，因为配方体系经过多年来的生产并不断的优化，已经被证明其能很好的达到国标要求。那么我们就从以下几方面来讨论影响聚氯乙烯塑化质量的因素。

2.1 聚氯乙烯混料质量

混料重量是影响聚氯乙烯塑化质量重要因素之一。混料质量中最重要的应是物料的均匀分散和挥发物的挥发问题。物料分散不均匀，在挤出时就会出现产品性能不稳定；易挥发物挥发不彻底，挤出产品易起泡，进而影响产品性能。PVC粉料在高速混合搅拌下，既有颗粒细化、重新结合，粒径增大，均化的形态变化，又有表观密度增大和部分凝胶化的功效。颗粒的增大，会起到致密作用，提高挤出产量；重新结合和均化，有利于挤出成型过程的均匀塑化；部分凝胶化，可加快物料挤出时的塑化进程。在110—130℃范围内，会使PVC粉料颗粒均匀化，部分颗粒出现凝胶化和大部分助剂熔化。因此，一般来说混料温度在115—125℃为宜。

首先，易挥发物挥发时易在高混机顶盖内侧凝结，逐渐形成液滴，与树脂粉、碳酸钙及其他物料形成颗粒。这些颗粒在挤出生产时易产生塑化质量不好的“白点”，对制品性能产生不良影响；因此，注意易挥发物的排除及混料机顶盖内侧的清洁，是十分必要的。其次，通过观察干混料的颜色（可以用肉眼对比或白度仪检测）来控制其物料的高混质量。再次，加强配混料现场环境，尽量努力将其生产现场变成封闭式的操作车间，并严格控制原材料干净无杂质地进入，以此避免在挤出生产中经常出现的脏料。最后，对于配混料所使用的设备必须频繁地检查，并对各控制点进行测试，以保证其正常、精确地运转。

当然，影响混料质量最重要的还是人，因为所有的这一切都是由人来完成的，对员工的教育和正确引导是必不可少的。建议通过以下几点来保证高质量的干混料：①操作人员要熟悉机器各组成部分，熟悉操作规程，严格按照操作规程进行操作，严禁没到温度就放料；②定期对测温热电藕进行校正，并对测温探头处积料进行清理，确保测温准确；③定期清理热混机排潮收尘装置处的粉尘，确保挥发份的正常排出，否则极易造成PVC塑料制品发泡；④定期检查混料机放料口的密封性能，防止物料从热混设备漏入冷混设备或从冷混设备漏出，而导致不正常挤出的发生；⑤定期检查混料机桨叶，当原材料、混料工艺不变，混料设备正常时，达到设定温度混料时间延长很多，达十几分钟时，为保证PVC塑化质量，应考虑更换搅拌桨叶，严重时甚至要更换混料设备。

2.2 聚氯乙烯生产设备与模具

挤出设备螺杆的设计参数，直接影响物料塑化时的背压和塑化度。对于通用双螺杆挤出机，主要取决于螺杆与机筒等间隙，所以，螺杆与机筒的装配精度对PVC物料挤出塑化质量有很大的影响。装配精度主要表现在双螺杆挤出机的四种间隙上，这四种间隙是二个螺杆相对位置的间隙、螺杆螺棱之间的间隙、螺杆与机筒的间隙、螺杆尖部与机筒机头断面的距离。对于螺杆与机筒的配合间隙一般在10—60个丝，根据螺杆直径不同间隙不同，随着直径增大间隙增加，但是间隙不能过大或螺杆外圆各点与机筒间隙不能相差太大。间隙过大，容易引起漏料回流，影响塑化；间隙过小，容易产生过塑化。总之，不管间隙过大、过小还是螺杆外圆各点与机筒间隙相差太大，都会使PVC物料挤出塑化质量下降。

模具设计，供料量数据和压缩比数据十分关键。合理的供料量和压缩比，有利于供料稳定、塑化均匀、制品密实。另外，芯棒支架越小越光滑，合缝线对塑料制品性能的影响就越少。

2.3 聚氯乙烯挤出工艺

合理的挤出工艺是PVC物料挤出塑化的条件，调整工艺的目的也是在于调整塑化度。挤出工艺涉及到机筒温度设定、主机转速、喂料转速等参数，这些直接影响PVC物料的挤出塑化质量。塑化质量可以用塑化度表示。当PVC未塑化或塑化度低时，PVC初级粒子未解体或解体很少；塑化度达到100%时，塑化过度，所有初级粒子解体、融合，制品冷却后形成了均匀分布，贯穿整个制品的结晶网络。这二种情况都会造成PVC物料挤出塑化质量不好，反映到型材上使其物理性能不好。最佳的PVC塑化度在60%～70%，此时PVC大部分初级粒子解体、融合，但仍然有少数PVC初级粒子存在，制品冷却后的内部非结晶网络与结晶网络相互交错，反映到型材上使其物理性能就好。一般来说，提高温度、提高螺杆转速、提高喂料转速均可提高塑化质量，但有一个三者最佳组合点。

2.3.1温度控制

聚氯乙烯塑化的条件之一是必须有热源。因其塑化质量是通过挤出机分区分部加热、剪切挤压来实现的。所谓分区加热，即挤出机机筒分1区、2区、3区、4区、合流芯五个区进行加热；所谓分部加热，即按机筒、螺杆芯部、模头三部分加热。剪切挤压大小是通过挤出机螺杆的转速及喂料的转速来实现的。良好的塑化质量的实现以良好的工艺温控范围为前提；而良好的温控范围是一个曲线区间，这种曲线是以挤出机各机筒区间实际温度为基础而定的，而且各机筒区间温度是相互联系的，不是简单的各机筒区间的正负偏差。挤出工艺温控范围对于不同制品断面结构和不同挤出设备是不一样的，但挤出工艺温控曲线走势是一样的。有利于聚氯乙烯塑化质量的挤出工艺温控曲线较平缓，一般成马鞍型，这较适应不良导热体PVC塑料的塑化历程。工艺温控曲线各点调整，应从挤出温控系统来综合考虑，符合挤出工艺温控曲线走势最好。因为PVC树脂在挤出设备机筒中各个加热区的所需热量是不一样的。在机筒1区，PVC塑化的主要热源靠外来热（机筒和螺杆芯部加热），一般温度设定要高一些；在机筒2区，PVC塑化的热源主要是来自外来热量和部分螺杆剪切热，一般温度设定比1区低一些；在机筒3区，PVC塑化的热源主要来自螺杆剪切热和大部分外来热量，一般温度设定要比2区低一些；在机筒4区，PVC塑化的主要热源来自螺杆剪切热和部分外来热量，一般温度设定比3区低一些。在合流芯部位，热源主要来自外部，是起稳定PVC熔体温度的作用，温度设定比4区低一些，在高速挤出或挤出量大时，此处的温度要比普通挤出时高一些，以促进熔料在此处的流动；而模头温度应该比4区高，以保证产品的成型。当然，正如前面所述，不同的挤出机生产线和不同模具其温控工艺是不一样的，这要从日常的生产中总结积累。

需要指出的是，这里的工艺温控曲线是挤出设备机筒或模头的温控表实际显示的温度曲线，不是熔体的工艺温控曲线。从异型材的力学性能最终结果看，这种挤出工艺温控曲线可以控制异型材的塑化质量。

2.3.2喂料及螺杆转速

由于双螺杆挤出机有强制给料的特点，所以正常工作时采用饥饿喂料；即加料口可见螺杆的螺槽深度的1/3，排气口不冒料，物料塑化好为宜。加料速度过快，物料受到过分挤压，会产生冒料现象，严重时会引起分解发泡；加料速度不够，背压低，物料塑化不良，且密实度不足；另外，还容易导致螺杆非正常磨损和扫膛现象的发生。

提高螺杆转速，物料在机筒中的剪切作用增强，物料升温加快，有利于物料的迅速塑化，转矩也会相应增高；同时单位时间产量也随之增高。随着螺杆转速的提高，剪切速率增加，熔体表观粘度下降，也有利于物料的均化；同时由于塑化良好，使分子间作用力增大，机械强度提高，在较高转速下（15～25r/min）硬质聚氯乙烯的抗冲击强度、抗弯曲强度、拉伸强度等机械性能均会有所提高。但转速过快，剪切速率过高，会使物料受到强的剪切作用而使温度“跑高”，会产生过大的离模膨胀，使制品表面质量下降。此外，料筒内物料流动时产生过多的漏流量和逆流，增加了挤出设备电力消耗，加快了螺杆的磨损。所以为了提高产量而过分加大转速也是不合适的。如果螺杆转速太低，物料在料筒及模头中停留的时间加长，会使物料中的稳定剂、抗冲剂等被分解、消耗的量增加，不利于型材生产后的使用寿命。一般情况下12～25r/min的转速是可行的。螺杆转速选定后必须保持稳定，否则会造成物料挤出量不均匀，制品壁厚、形状的不稳定。

这两者的转速要按实际情况合理配比，可以调整物料在螺杆中的充满状态，控制压力，缩短塑化时间，增加产品的密实度。一般来说，两者的配比为1.5～2.5为宜。

2.3.3主机真空

主机真空度的调整是为了保证挤出过程中能完全排出干混料所含的水分及低分子挥发物，一般真空度为0.06MPa～0.08MPa。真空度过大，会将未完全塑化的小块状物料吸出，造成真空管道的堵塞和原材料的浪费；真空度过小，水分及低分子挥发物不能被充分吸出，达不到排气效果，造成制品表面麻点及加热后起泡，影响制品外观质量和内在强度。

结束语

良好的聚氯乙烯塑化质量，来自于良好的干混料质量保证；来自于良好的挤出工艺温控曲线区域；来自于适合的配方体系，特别在稳定剂、抗冲击剂、加工助剂厂家与用量的确定方面，以及原料的稳定方面；来自与挤出机设备的装配精度。另外，影响聚氯乙烯塑化质量的因素还有混料水温。总之，我们要认真选择原材料、选择生产设备，认真、不断地研究聚氯乙烯塑化质量的机理，在生产实际中不断地观察、分析、总结，加强异型材挤出工艺温控曲线的控制，才能不断提高聚氯乙烯挤出加工成型过程中的塑化质量。

⑴ 乔辉等译[美著] ．聚氯乙烯手册．北京：化学工业出版社，2008

⑵ 王贵斌主编．硬质聚氯乙烯制品及工艺．北京：化学工业出版社，2008

⑶ 刘芳，李杰．聚氯乙烯塑料助剂与配方设计技术．北京：中国石化出版社，2006

⑷ 段予忠，谢林生．材料配合与混炼加工（塑料部分）．北京：化学工业出版社，2001

⑸ 蓝凤祥等编著．聚氯乙烯生产与加工应用手册．北京：化学工业出版社，1996

Discussion of the factors that affect the quality of PVC plastics

Wang ying Liu Hongxia
(Xinjiang Tianye Plastics Factory Co., Ltd, Shihezi, 832000)

Discuss the process of plasticized PVC extrusion molding，the quality of the mixture of plastics, equipment, tooling, extrusion and other factors.

PVC processing；Quality plastics；Mixture；Equipment；Mold; Extrusion process

王英 1971.9～ 从事塑料加工17年，参加项目并取得发明专利2个，分别为“聚氯乙烯(PVC)滴灌带”、申请专利号200610106559.8和“纳米材料改性PVC输水软管”申请专利号200710137583.2；实用新型专利1个，为“一次性塑钢托盘”、专利号ZL 200920003100.4。