硬質(zhì)PVC低發(fā)泡材料一直是木材的理想替代品，其中碳酸鈣的使用非常廣泛，青島賽諾聚乙烯蠟小編著重探討CaCO3在硬質(zhì)PVC結(jié)皮低發(fā)泡擠出產(chǎn)品中對(duì)發(fā)泡效果及加工性能等方面的影響。

一、概述

硬質(zhì)PVC低發(fā)泡材料從其密度、性能、二次加工(刨、鋸、釘、膠接等)及保溫、隔音、防潮、防蟲、阻燃等性能上看，都是木材的理想替代品。其配方由PVC(K值56～60)、穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑、發(fā)泡調(diào)節(jié)劑、成核劑等組成，混合后主要以結(jié)皮發(fā)泡(Celuca)方式擠出成型。其中成核劑一般為粒徑較小的無機(jī)填料，如碳酸鈣(CaCO3)、二氧化鈦等。由于二氧化鈦成本高，一般僅在著色或用于室外抗紫外線時(shí)才使用。而CaCO3價(jià)格低，來源廣，穩(wěn)定性好，添加到產(chǎn)品中不但可以降低成本，而且還能起到成核劑的作用。因此，在硬質(zhì)PVC低發(fā)泡加工中，CaCO3的使用非常廣泛，其添加量根據(jù)產(chǎn)品的具體要求、配方體系及所用CaCO3性能的不同而變化。硬質(zhì)PVC產(chǎn)品加工中常用的CaCO3有兩種，即輕質(zhì)CaCO3和重質(zhì)CaCO3。前者通過化學(xué)方法制得，后者通過粉碎和研磨等物理方法制成。在國內(nèi)，輕質(zhì)CaCO3的加工及處理技術(shù)較為成熟，因此，較多的采用輕質(zhì)CaCO3。而歐洲對(duì)重質(zhì)CaCO3的開發(fā)及研究時(shí)間較長，形成了比較成熟的加工及處理技術(shù)，因此，重質(zhì)CaCO3的使用比輕質(zhì)CaCO3更為普遍。本文著重探討CaCO3在硬質(zhì)PVC結(jié)皮低發(fā)泡擠出產(chǎn)品中對(duì)發(fā)泡效果及加工性能等方面的影響。

二、試驗(yàn)部分

1.CaCO3對(duì)發(fā)泡效果的影響

1.1CaCO3品種對(duì)發(fā)泡效果的影響

選取3種不同CaCO3進(jìn)行擠出試驗(yàn)。試驗(yàn)配方為鉛鹽穩(wěn)定劑體系，基本配方如表1所示。試驗(yàn)的3個(gè)配方中除CaCO3品種不同，其余成份及添加量均保持不變，限于試驗(yàn)設(shè)備、模具和工藝相同。這3種CaCO3分別為國產(chǎn)輕鈣(A)、進(jìn)口重鈣(B)及國產(chǎn)重鈣(C)，3種CaCO3平均粒徑均為2μm，均經(jīng)硬脂酸包覆處理。

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，使用輕鈣及進(jìn)口重鈣擠出時(shí)，發(fā)泡板材表面光滑，結(jié)皮及色澤均勻，表面硬度適中(HD65以上)，斷面泡孔均勻；而用國產(chǎn)重鈣配方擠出時(shí)，板材表面結(jié)皮不均勻，有的部位表面光滑，結(jié)皮好，硬度正常，有的部位顏色淺，表面破孔較多，結(jié)皮不好，硬度不夠(HD低于30)，且斷面泡孔也不均勻。通過對(duì)顏色淺的部位進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其沒有致密的結(jié)皮層，表層密度低，顏料相對(duì)含量少，顏色變淺。Celuca法表層結(jié)皮的原理是物料熔體擠出口模后，立刻進(jìn)入冷卻定型套進(jìn)行冷卻定型，其表層在熔體發(fā)泡膨脹前就冷卻變硬，使泡孔無法膨脹擴(kuò)大，從而產(chǎn)生結(jié)皮層(致密層)。由此推斷，在正常擠出及冷卻條件下，產(chǎn)品表層未結(jié)皮是由于其對(duì)應(yīng)的熔體在擠出口模之前就已經(jīng)形成氣泡(也叫提前發(fā)泡)，此時(shí)，無論怎樣冷卻，其表層也不可能形成結(jié)皮層。

提前發(fā)泡的因素包括：發(fā)泡調(diào)節(jié)劑過少、加工溫度過高、物料在機(jī)筒內(nèi)停留時(shí)間過長、機(jī)頭壓力過小等。對(duì)比試驗(yàn)的配方中只有CaCO3的品種變化，其余條件完全一樣，結(jié)果在產(chǎn)品表面出現(xiàn)未結(jié)皮或結(jié)皮不好的現(xiàn)象。因此，提前發(fā)泡的原因可以排除發(fā)泡調(diào)節(jié)劑添加量或加工工藝等因素。為了進(jìn)一步分析產(chǎn)生提前發(fā)泡的根本原因，必須明確CaCO3在PVC發(fā)泡中的成核機(jī)理。塑料制品的發(fā)泡過程要經(jīng)過3個(gè)階段，即氣泡核的形成、氣泡的生長、氣泡的定型。由于CaCO3在物料中傳熱快，容易分散到熔體中形成熱點(diǎn)，這些熱點(diǎn)可以降低局部區(qū)域的粘度和表面張力，從而在發(fā)泡劑分解時(shí)容易吸附氣體形成氣泡核，在外部壓力足夠大或熔體強(qiáng)度足夠大時(shí)，該氣泡核在熔體中不會(huì)膨脹擴(kuò)大。當(dāng)外部壓力下降或熔體強(qiáng)度降低時(shí)，氣泡將膨脹擴(kuò)大，使氣泡內(nèi)部壓力與外部壓力及熔體強(qiáng)度達(dá)到平衡。也就是說，即使機(jī)頭壓力保持不變，熔體的強(qiáng)度降低后，也會(huì)提前發(fā)泡。因此，使用國產(chǎn)重鈣配方出現(xiàn)提前發(fā)泡的原因是由于其包覆處理不好，在物料中分散不良，形成聚集體，使局部過熱，進(jìn)而使熔體強(qiáng)度降低而提前發(fā)泡。

1.2CaCO3粒徑對(duì)發(fā)泡倍率的影響

將表1中的CaCO3換成同一品種不同粒徑，平均粒徑分別為013μm，113μm，310μm，510μm，在相同試驗(yàn)條件下，按3種螺桿轉(zhuǎn)速進(jìn)行擠出，分析粒徑與發(fā)泡倍率的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

在選定的這幾種粒徑中，在3種不同的螺桿轉(zhuǎn)速條件下，CaCO3粒徑在113μm時(shí)，試樣的發(fā)泡倍率均最大，效果最佳，當(dāng)粒徑較大或較小時(shí)，發(fā)泡倍率反而下降。這是由于當(dāng)CaCO3粒徑越大，單位質(zhì)量顆粒數(shù)目越少，分散在熔體中的“熱點(diǎn)”(也就是成核點(diǎn))也越少；并且顆粒越粗，氣體不容易以其為中心形成氣泡核。而CaCO3粒徑過小，容易聚集在一起，形成粗的粒子，從而影響其分散性，造成氣泡核減少。另外，有學(xué)者研究表明[4]：當(dāng)發(fā)泡劑的用量一定時(shí)，成核劑濃度增加10倍，氣泡的數(shù)量將增加4倍，每個(gè)氣泡體積下降到原來的1/50。因此，有效的成核劑數(shù)量是影響產(chǎn)品發(fā)泡倍率的關(guān)鍵因素。

1.3CaCO3添加量對(duì)發(fā)泡倍率的影響

固定表1中其他組分、比例及CaCO3品種和粒徑，只改變CaCO3的添加量，分別為1phr，3phr，5phr，7phr，9phr，15phr，在相同加工條件下，按3種螺桿轉(zhuǎn)速進(jìn)行擠出試驗(yàn)，分析CaCO3添加量與發(fā)泡倍率的關(guān)系。試驗(yàn)使用的CaCO3平均粒徑為2μm。

當(dāng)CaCO3的添加量為5phr時(shí)，試樣的發(fā)泡倍率最大。當(dāng)CaCO3添加量較少時(shí)，其在熔體內(nèi)沒有足夠的成核“熱點(diǎn)”，從而不能形成更多的氣泡，產(chǎn)品的發(fā)泡倍率偏低；而當(dāng)CaCO3的用量過多時(shí)，盡管CaCO3質(zhì)點(diǎn)多，能形成更多氣泡核，但由于CaCO3與PVC的相容性較差，熔體強(qiáng)度大大降低，當(dāng)熔體擠出口模發(fā)泡時(shí)，容易產(chǎn)生破泡，從而減少了氣體的有效利用，同樣導(dǎo)致產(chǎn)品的發(fā)泡倍率降低。

2.CaCO3添加量對(duì)加工性能的影響

試驗(yàn)配方如表2所示，其中CaCO3為硬脂酸包覆輕鈣，平均粒徑為2μm。應(yīng)用轉(zhuǎn)矩流變儀(brabender，型號(hào)W50EHT-3Zones)分析CaCO3添加量對(duì)加工性能的影響。轉(zhuǎn)矩流變?cè)囼?yàn)條件為：160℃、轉(zhuǎn)速35r/min、加入量60g。

這是由于CaCO3用硬脂酸包覆處理，其粒徑僅2μm，比PVC粒子小很多，無機(jī)CaCO3和有機(jī)PVC之間相容性很差，當(dāng)物料均處于固體形態(tài)時(shí)，CaCO3有類似外潤滑的作用，能使PVC大粒子之間易于滑動(dòng)，扭矩變小。一般說來，CaCO3會(huì)使物料塑化延遲。配方中加入了較多發(fā)泡調(diào)節(jié)劑ACR，ACR能增加物料的粘流性，提高熔體強(qiáng)度，又能加快物料塑化速度。ACR加入量愈多，其促進(jìn)塑化的作用愈強(qiáng)，抵消了CaCO3對(duì)塑化的影響，物料很快達(dá)到塑化階段。隨著物料塑化及物料的溫度進(jìn)一步升高，發(fā)泡劑迅速分解，熔體的粘度再次增大。隨著發(fā)泡劑完全分解及物料混合均勻，擠出趨于穩(wěn)定，扭矩趨于平衡。

三、結(jié)論

(1)CaCO3的包覆質(zhì)量不好或分散性差，容易產(chǎn)生局部提前發(fā)泡，從而使對(duì)應(yīng)部位的表面無法結(jié)皮；

(2)CaCO3的粒徑為1.3μm左右時(shí)，發(fā)泡倍率較為理想，同時(shí)可以使產(chǎn)品的密度降低；

(3)粒徑為2μm左右并進(jìn)行包覆處理的輕質(zhì)CaCO3，在添加量為5phr時(shí)，可以獲得理想的發(fā)泡倍率及制品密度；

(4)在PVC低發(fā)泡配方中，CaCO3含量在一定范圍時(shí)，對(duì)塑化時(shí)間和發(fā)泡時(shí)間影響不大，只是對(duì)物料塑化的扭矩有一定影響。

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文章來源：青島賽諾      編輯：青島賽諾

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