聚氯乙烯树脂
本篇包括型材挤出中所涉及的主要原材料,包括PVC树脂、CPE、热稳定剂、钛白粉、ACR加工助剂、碳酸钙等。
2.1.1树脂总论
PVC树脂属于高分子材料,具有多层次结构:链段、大分子链和聚集态。挤出加工时,聚集态结构会熔融成不同物理状态的分子链结构。相比链段的键能,大分子链间的作用要弱很多,因此决定PVC制品性能的主要因素是大分子链间的作用。PVC大分子链有杂乱的无定型区、较有序的微晶区两种结构单元,本质上是宏观无序、微观有序的玻璃态结构体。型材制品中树脂的最终结构单元分为无定型、微晶区、凝胶区三种,其中后两种结构单元的多少影响制品的力学性能。不同的配方、设备、加工工艺,树脂具有不同的流动单元和最终固态结构单元,具有很高的加工依赖性。
PVC树脂的合成影响树脂颗粒形态、外表包膜结构和粘数,进而影响PVC加工和制品性能。
树脂颗粒形态的比表面积大小和外层包膜结构,影响树脂与树脂以及其它原材料间表面的摩擦力大小和树脂加工过程中的管道传输、混料预塑化、挤出中的塑化快慢,进而影响树脂颗粒的最终破坏、熔融、流动和PVC分子链的重排及各组份的分散等因素,最终影响制品性能。树脂粘数表征分子链的长度,影响加工中熔体的流动性、膨胀度,最终也影响制品的性能。
型材力学性能测验中,主要荷载结构单元是PVC连续相,其它助剂如改性剂和加工助剂、稳定剂等作为分散相,主要起改善或降低、避免承载结构在加工中受到破坏的作用。如改性剂在受到外冲击时,主要作用是应力引发和应力的终止,中间受力单元是PVC连续相。如拉伸屈服强度受力单元是PVC连续相,碳酸钙的加入主要影响树脂分子链间的作用,降低其作用力而降低屈服强度。
本人大学所学的是高分子材料加工专业,与大沽化和LG树脂厂技术人员接触过,在常州化工厂参观过,对PVC的合成知识大多源自书籍和个人推测,仅供参考。具体参考书籍如下:塑料工业手册聚氯乙烯(潘祖仁主编)、聚氯乙烯手册(查尔斯主编)、聚氯乙烯工艺技术(邴涓林主编)。
本文主要讲型材用聚氯乙烯树脂为通用悬浮SG5型树脂。
悬浮SG5型PVC树脂为白色粉末状无定型聚合物,含有510%熔点175℃的微晶区。VCM单体C2H3Cl分子量62.5。粘数VN为107118,K值(平均分子量)原来6668,平均聚合度在1000左右,重均分子量Mw(平均聚合度P*单体分子量)在6.3万~7万。
85℃以下呈玻璃态,85175℃呈粘弹态,无明显熔点,175190℃为熔融态,190200℃属粘流态。脆化点50到60℃,软化点75到85℃,玻璃化转变温度在80℃左右,100℃以上开始分解,180℃以上快速分解,200℃以上剧烈分解并变黑。
悬浮SG5型树脂物化性质
外观 | 白色粉末状无定型聚合物,含有510%熔点175℃的微晶区 | |||
1.45 | 表观密度 | 0.450.55 | 折射率 | 1.521.55 |
3563Mpa | 聚合温度 | 58℃ | 粘数VN | 107118 |
6668 | 平均聚合度P | 10061124 | 吸水率 | 0.05per/24h |
>530℃ | 燃烧性 | 可燃,自熄 | 氧指数 | 4549 |
D7585 | 热线性膨胀系数/K | 58×106 |
注:PVC多孔结构和表面包膜层(聚乙烯醇)的亲水性,使其具有一定的吸水率。
2.1.2氯乙烯VCM单体、聚氯乙烯PVC树脂的聚合工艺简介
聚氯乙烯树脂是由VCM单体聚合而成。乙烯法和电石法是VCM单体合成的两种路径。聚合是个复杂的工艺,树脂的质量不能简单的与单体合成路线挂钩。
VCM氯乙烯的物化性质和毒性
项目 | 指标 | 项目 | 指标 | 项目 | 指标 |
CH2=CHCl | 分子式 | C2H3Cl | 分子量 | 62.5 |
对眼睛有刺激的无色气体,具有乙醚香味,微溶于水。 | ||||
与空气混合可爆炸,体积比在3.533%。 | ||||
0.5%以上吸入引起头晕、头痛、心神不安、胸闷、嗜睡、行动迟缓等中毒症状;2040%可引起急性中毒。及时脱离现场吸入新鲜空气即可恢复。皮肤接触流体VCM,可出现麻木、红肿等症状,需要大量清水冲洗。空气中最高容许量应在5×105 mg/m3 | ||||
引发慢性中毒和诱发多系统致癌 |
国内部分厂家的VCM合成路线简单对比091228
齐鲁石化 | 大沽化工 | 北元 | 英力特 |
经济法 | 电石法 | |
C2H4+Cl2—EDC C2H4+1/2O2+HCl—EDC+H2O EDC裂解成VCM和HCl |
1.进口价廉VCM 2.电石便宜时,采用电石法生产VCM |
电石生产乙炔 C2H2+2HCl—VCM |
消耗氯气和氧气,HCL是中间产物,需要精制 | 用乙炔消耗EDC副产物HCL | 消耗氯碱工业生成的HCL(氯气的后续产物) |
粒径粗 | ||
0.540.55 | 0.480.52 | |
好 | 一般 | 优 |
112 | 111 | 112 |
塑化快,熔体膨胀中,生产合格率一般 | 塑化慢,熔体膨胀小,生产合格率高 | |
中等 | 低 | |
总结: 1树脂要求黏数高、表观密度适中、干流性佳。 2树脂黏数高时,物理性能好,熔体膨胀小,加工稳定性高,聚合温度偏低,冷却能耗大制造成本高。 3树脂表观密度大,塑化快,干流性差。树脂表面包膜剂响干流性。因而可以看到尽管齐鲁石化的树脂表观密度高,但是干粉流动性较好。 4 电厂法的树脂成本=电石成本*1.5+400元/吨的氯气消耗+1000元/吨的其它费用。(080805吉兰泰) 注:EDC表示二氯乙烷,VCM表示氯乙烯单体,技术指标仅是右上角日期的检测数据 |
聚氯乙烯树脂聚合工艺简介091230
1 | 加去离子水到清洁的反应釜中,可以将悬浮剂撒在水面上,或者配成溶液加入 |
加入催化剂在密封的反应釜中,抽真空以便脱去反应釜上层空间以及加入物料而带入系统的氧气 | |
理想条件下,反应釜真空度抽到等于水的蒸发压,以便降低氧的浓度,避免反应阻滞、诱导延长反应时间 | |
加入单体乳液,搅拌 | |
5 | 升温反应液或者直接加入热水 |
反应开始到70%左右,压力下降,反应终止,去除未反应单体 | |
将浆料打到真空汽提槽中 | |
升温闪蒸,除去单体及其它挥发物后,用泵将浆液送到常压贮槽中,遭到其它料均化处理 | |
离心脱水后,将半干物送到旋转干燥器中干燥 | |
干燥物过筛脱去粗颗粒 |
型材制品使用的树脂采用悬浮法工艺生产,其颗粒形态是外有皮膜,内部由团聚颗粒聚集在一起,颗粒之间有孔隙。
PVC在VCM中的高度不溶特性是制备多孔树脂颗粒的关键。在聚合初期,VCM相中生成的不溶解PVC以小颗粒形态沉淀出来并且团聚,形成树脂的多孔结构。VCM在PVC中是可溶解的,溶解度约为30%。聚合后期PVC颗粒中含有熔解的的VCM。溶解在PVC中残留的VCM可能会自聚,影响树脂孔隙率和分子量均匀度,同时具有毒性。树脂聚合是放热反应。
影响树脂粒径大小的因素:分散剂、聚合温度和桨叶搅拌速度。其悬浮聚合工艺大体如下:
a.通过浆叶搅拌,将在去离子水中的液态VCM单体搅拌成水乳二相;
b.加入分散剂,降低VCM单体与水之间的界面张力,从而使大量反应热被水带走成为可能,并且VCM单体形成稳定的一定尺寸的液滴,平均约40微米左右,在5150微米区间波动;
c.引发聚合。亚微级PVC颗粒生成,并被吸附到液滴表面,形成皮膜。在水相中,少量溶解的VCM单体和PVA接枝聚合物沉积到液滴的外侧,形成PVCPVA为主成份的细胞皮膜,增加皮膜层的厚度,阻止VCM渗透进液滴中,防止出现实心颗粒的生成;
d.液乳液相中,VCM聚合生成PVC与HCL沉积到液滴的内侧;
e.液滴的内部,沉积团聚的PVC初级粒子之间形成孔隙。
f.完全反应后的浆料通过汽提工艺脱去残余VCM,然后脱水过滤,沸腾烘干工艺,得到干燥的树脂。详细工艺过程参考聚氯乙烯工艺技术(邴涓林著)。
过大的液滴可能聚合出较大的树脂颗粒,除去PVC颗粒内部溶解的残余VCM,可能是个较长的过程,从而造成树脂中VCM单体超标。通常VCM单体要求8工作小时低于1ppm的暴露量。而且后续的自聚带来的反应热降低树脂的热稳定性,使树脂孔隙率偏低,给后期制品加工塑化均匀度带来麻烦。树脂颗粒表观密度通常控制在0.55左右。
聚合反应温度较低时,聚合速度较快,树脂粘数偏大,单位树脂能耗也较大。较高聚合温度下,树脂粘数较低。
聚合工艺对制品指标的影响
孔隙率 | 1.水与单体比在1.3到2.0之间,太大时孔隙率高; 2. 孔隙率大时,表观密度也大。 |
1.控制孔隙率 2.控制制品表观密度 3.分散聚合物和单体的载体 4.稳定反应体系温度 |
1.降低水液间的界面张力,生成稳定尺寸的液滴 2.生成皮膜,控制颗粒尺寸 |
通过快速将反应器中的浆料移到真空汽提器中,随着温度的迅速提升,树脂颗粒突然膨胀,颗粒变得更加疏松 |
1.反应温度低时,分子量大; 2.链传递剂也控制分子量的成长 |
取决于粒度、粒度分布,以及水与单体配比 |
1.保持系统清洁,防止树脂粘反应壁 2.某些引发剂能促进鱼眼的生成 |
1.树脂过热,水单体比太小,热传导不良,树脂热爆聚; 2.后期干燥工艺温度太高 |
与引发剂、抑制剂和防老剂有关 |
2.1.3树脂颗粒结构单元
树脂的颗粒结构单元与树脂的加工性能和制品的力学性能有关,通常是颗粒大小及外表影响加工,而粘数影响制品性能。PVC树脂结构分宏观和微观两种,基本上呈现宏观无序和部分微观有序。
2.1.3.1树脂颗粒结构单元
1976年Geil总结关于PVC形态、术语的讨论,成为PVC颗粒结构命名的系统基础。
悬浮法聚合PVC颗粒结构单元(尺寸由大到小)
术语 | 尺寸 μm | 说明 |
范围 | 平均 | |
50250 | 130 | 自由干流粉中可辨部分,由一个以上单液滴构成。均三个液滴构成 |
厚度0.55 | PVC沉淀在薄膜上形成的树脂颗表皮 | |
10150 | 40 | 单液滴构成。平均三个液滴构成一个颗粒。 |
210 | 5 | 聚合早期由均7个初级粒子(12μm)聚并而成 |
0.60.8 | 0.7 | 由初级粒子核长大而成,在低转化阶段小于2%,先由原始微粒聚并成核,然后长大。树脂熔融过程的流动单元。 |
0.10.2 | 0.2 | 含约1000个原始微粒,只在低转化阶段或机械加工后出现。该术语只用来描述约0.1的物种,开始长大后就变成初级粒子。 |
0.010.02 | 0.02 | 目前可鉴别最小物种,约50个大分子键聚集而成。 |
树脂加工相关的微观结构单元
特征 | 尺寸 | 描述 |
0.010.02μm | 树脂固有的晶区会在170220℃熔融,呈片层状,轴向完美度较差,横向高度有序排列,加工时要在较高剪切和温度下,大分子熔融重排才会形成微晶区 |
0.01μm | 部分熔融后重新生成的晶体,是能够熔化的原因 |
00.6ml/g | 初级粒子间的空洞间隙 |
树脂宏观结构图和微观示意图
图 | 说明 | |
外表有皮膜,凸凹不平,由三到五个亚颗粒组成 | ||
树脂切片 | d:表层e:初级粒子f:初级粒子聚集体 | |
由外围的贯穿缨状微晶束的系带分子,将数个缨状微晶束和无定型区域缠绕组成 | ||
三维网状交联结构,可能以阳离子为核、烯端基交联、硅氧交联等,少量交联结构不能显著提高制品拉伸强度,制品缺口敏感性下降 |
北元树脂外观10010003000倍电镜图
大沽化树脂10010003000倍电镜图
2.1.3.2树脂微观多层次结构
聚氯乙烯制品的理论性能与其分子量及相同聚合度下规整结构有关,而配方和加工工艺影响分子链的规整程度。树脂的多层次结构:大分子链、分子链聚集和树脂颗粒。
a) 链结构
PVC链结构以头尾链接为主,加少量引发剂端基。而商品化的PVC树脂中,大约一半以上的端基含有双键。还有少量短支链,主要是氯甲基。氯甲基的极性可能是树脂吸水性的一个原因。分子链的立体规整随着温度的变化略变化。
聚合反应动力学表明,平均聚合度是反应温度的函数,温度上升,平均聚合度下降。温度过高,可能出现问题:反应压力过大;树脂形态变差,可能出现玻璃体,加工性差;热稳定性下降。因而低聚合度型号树脂是在相对高温下,添加链转移剂来实现。
b) 聚集态结构
以自由基引发,温度在4060℃制备的普通PVC树脂是无定形的聚合物,存在510%少量的缨状微晶区结构,尺寸约0.01μm。这些微晶体大部分为层片状,,轴向完美度较差,横向高度有序排列,是由PVC间规立构分子链段局部规则排列而成的。PVC中的少量微晶结构对其性能有重要的影响。
树脂加工中主要是将无定型区熔融、取向成有序结构的过程。
树脂在加工中,可能形成一定的凝胶区或者交联区,都是不溶不融结构。这种三维网状交联结构,能有效降低制品的缺口敏感性,提高制品的低温韧性和尺寸稳定性。PVC过度降解,多烯之间会形成一定的交联网络结构,因此过塑化的型材通常焊接强度较高,低温韧性较好。采用少量有机硅氧烷交联的型材制品,具有较低的收缩率和较好低温冲击性能,焊接强度有的断面明显提高,有的略有提高。交联型树脂如消光树脂也有类似现象。
c) PVC树脂颗粒
型材采用通过悬浮法PVC树脂,具有表层包膜的35个内部多孔状亚颗粒粘合在一起的颗粒。亚颗粒间作用力较弱,而亚颗粒内树脂结构较密实。在冷挤压下,树脂颗粒会破碎成亚颗粒结构,由于亚颗粒较弱的作用,制品力学性能较差。
2.1.3.3树脂结构单元与力学性能的关系
PVC的拉伸强度范围在3563MPa。PVC制品力学性能主要依赖于微晶区(尺寸约0.010.02μm)和三维凝胶区。
树脂颗粒和亚颗粒之间由于表层包膜的结构,力学性能不佳。PVC树脂在低温挤压下,颗粒会破碎成亚颗粒结构,表面有少量部分会熔融,这种以亚颗粒和少量表面熔融为相主体结构的材料,具有很低的力学性能,表现在焊接测试时,会延焊缝光滑的破坏,且焊接强度很低。
颗粒或亚颗粒熔融后,不会形成微晶区,只有初级粒子核和部分低分子初级粒子的熔融流动,冷却重排,才会生成微晶区,具有较好的力学性能。微晶区受热可以重新熔融,冷却后重排,是PVC制品焊接力学性能的主要来源。凝胶区由于已经交联化,其无法熔融。交联的本质是通过三维网络结构,将不同的大分子链化学连接,表现为分子量增大,明显降低制品的应力敏感,提高制品力学性能。
树脂聚合过程中生成片状二维结构的510%的微晶区,而不存在凝胶区。型材中其它的微晶区来源于树脂中9095%无定型区经过加工、熔融、大分子链重排规整化生成,凝胶区是加工中共轭多烯歧化以及配方中偶联剂、烯端基等产生的三维网络结构。
PVC树脂本身微晶区较少,制品微晶区大部分依赖于剪切加工取得,具有很强的加工依赖性。不同的加工流动单元,制品的性能不同。
2.1.3.4树脂塑化与焊接强度的关系
树脂在加工成型材过程中,仅有30%左右的树脂相表面可以检测到助剂的痕迹,其余内部70%的结构单元检测不到助剂,这间接说明大部分PVC树脂在加工中处于热隔离状态,也是热稳定剂高效的根源。也就是说加工中,树脂只有表面30%左右会被熔融,而核心区域保持原有状态,制品力学性能完全依赖30%相单元之间的作用。这反映出,PVC加工是塑化为主因素的过程。PVC相的不均匀性导致材料应力敏感较大。缺口冲击试验可以看出,剪切比加热对树脂粒子的破碎作用更加明显。对于同样设备,新螺杆加工的缺口性能比老螺杆高很多,也是类似的道理。
PVC树脂颗粒在剪切和热作用下破碎熔融的过程称为塑化。在设备固定的前提下,只能依赖温度和调整熔体压力和摩擦来调节塑化。低于一定温度如160℃,型材制品的力学性能较低,焊接强度较差。而随着塑化的提高,如提高加工温度和剪切,型材制品力学性能明显上升,焊接强度大幅度提高。型材加工过塑化时,制品力学性能反而下降,焊接强度明显较低。
制品的性能与塑化有直接的关系,具有加工依赖性。塑化与焊接强度的关系是呈现抛物线关系。只有恰当塑化的制品,焊接性能才最高。最佳塑化度与配方和加工设备、工艺有关,通常在65%左右。为什么塑化度控制在65%左右制品性能最佳?理论上树脂在完全熔融,分子链重排时,均匀相结构性能最佳。实际挤出加工中,在较大的剪切和热作用下,PVC会大量降解,形成较多孔洞,熔体呈现干酪式状态,降低了熔体和制品的强度,使得制品的力学性能较低。在实际挤出加工中,塑化度仍然是主要矛盾。通常塑化好,制品焊接性能高,低温韧性好。
塑化度与焊接强度的关系
塑化度 | 焊接面破坏形式 | 焊接强度 | 原因 |
光滑不粘的平面破坏 | 很低 | 树脂颗粒亚颗粒之间作用较小 |
延焊缝开一点转向侧面 | 中 | 初级粒子作用较大 |
延焊缝一点点撕裂 | 高 | 聚集粒子贯穿,可焊性高 |
气泡很多,较涩,延焊缝开平面 | 低 | 树脂降解,大量气泡孔增加了应力敏感性,降低了制品的力学性能 |
2.1.4树脂加工流变性
PVC加工流变性比较复杂。PVC型材热挤出加工中,主要受剪切和热两种作用,具有初期塑化较慢,而后期塑化很快,熔体流动单元多样化的特点。PVC热加工与其它烷烃解聚不同,是脱氯化氢反应,并且具有天然热不稳定性,加之PVC本身的低温脆性和熔体较差的流动性等性能和加工方面的其它要求,造成需要配方来进行组合。稳定剂、润滑剂、加工助剂、改性剂、填料、颜料等多组份复杂的配方和使得其流变性能影响因素众多。
PVC树脂挤出加工,基本流动行为属于假塑性流体,其粘度随着剪切速率的上升而降低。即所谓的切力变稀。实际挤出中,挤出机的同步调大,挤出量也增大,原先较硬的型胚逐渐软化,电流先短暂上升,平衡时电流降低。不同挤出机的挤出量与螺杆结构有关,如65/120的螺杆挤出较厚的型材时,由于主机转速可能达到18转以上时,由于切力变稀效应,型胚过软,而且塑化较快,生产需要较大的冷却系统、稳定剂来配合,稳定性差。而采用65/132人螺杆时,由于挤出型胚软硬适中,因此可以稳定的生产。反之亦然。
通常粘数在117左右的树脂比粘数在110的树脂加工稳定性高,这是由于高粘数的树脂,膨胀较小。
PVC型材正常挤出加工,由于观察不到实际的流动状态,通常通过挤出机的下料口、真空口和挤出机头部型胚等来大概猜测,或者通过长时间运行拆开螺杆观察螺杆螺筒的摩擦情况来猜测。下料口呈现干粉状,流动性较好,但是螺杆和螺筒磨损较大,这是由于粉料组份硬度较大。真空口料呈半熔融态,流动性不佳,粘度较高。模具处出来的型胚较软。个人认为正常加工中,PVC熔体粘度呈现低高低的驼峰状特性。如果继续对PVC进行热剪切作用,发生剧烈降解,由于多烯的交联、润滑的消耗等原因,其粘度又会上升,这种情况会对设备产生严重的磨损。
树脂具体的加工流变特性,详见《塑料工业手册聚氯乙烯》。
2.1.4.1树脂加工流动单元及微晶区、交联区的形成
树脂颗粒在120260℃的加工温度(实际内部温度)范围内,经历从粉末颗粒(尺寸约130μm)亚颗粒(尺寸约40μm)聚集粒子(尺寸约5μm)初级粒子(尺寸约0.7μm)初级粒子核(尺寸约0.2μm)原始微粒(尺寸约0.01左右μm)。熔体冷后,部分有序区域分子链重排生成缨状微晶区(尺寸约0.010.02μm)及三维凝胶网络结构。
树脂颗粒微观结构中先天存在的510%微晶区在110190℃逐渐熔融,大多数微晶区在180℃后开始熔融消失。当熔体逐渐冷却到50℃以上时,足够的分子热动能使得熔融有序区或其它区域大分子链重新生成微晶区。个人认为这是由于原告卷曲排列的大分子链具有较长的尺寸和空间,有较高的粘弹性,在型胚挤出模头,拉伸应力降低后,优先于其它结构进行松驰重排,以降低整体结构势能。温度低于50℃后.大分子链失去重新排列的动能而保持原有状态。
剩余90%的无定型区在加工中分子链熔融,熔体在模具强制挤压中,进行拉伸束缚流动,经过较长的模具平流段稳定流动时,部分分子链形成规则排列,冷却时重排成微晶区结构。
PVC热降解大分子链歧化交联,以及微晶区相互扩展,会出现三维交联结构。
加工主要是通过剪切、加热等方式,将外部动、热能转化为树脂内动热能的过程,涉及到挤压、热传导、界面摩擦、稳定与润滑、熔融相扩散等的物理化学过程,最重要的是原材料、设备的界面摩擦,特别是PVC颗粒与金属的界面摩擦和分子链热降解化学反应。均匀剪切力的分散和破碎作用,可以延缓氧化诱导期,使取得树脂结构单元的熔融温度降低。
通过特定的配方和加工设备,在特定的剪切、温度、压力、粘度条件下,可以使树脂颗粒破碎成理想的流动单元。树脂颗粒破碎的过程也称塑化,通常随着塑化度的提高,制品的力学性能提升,但是由于加工降解产生的气孔等原因,过高的塑化度,制品的力学性能反而下降。塑化的本质是各分散相(流动单元)的最小化、均匀化。
微晶区在制品中也叫溶胶,受热熔融,冷却重排,具有较好的流动性,影响型材的焊接、冲击等性能。
凝胶区具有交联三维网状结构,具有不溶不熔特性。通过过滤或者溶剂等方法,可以将型材的凝胶物分离出来,是白色粘弹状的物质。
2.1.4.2挤出加工中流动单元与温度、剪切的关系
a) 剪切和热作用分析
单纯在温度作用下,需要在260℃才能实现原始颗粒级的流动,这在现实加工中基本是不可能实现的。通常200℃时,只能实现初级粒子流动,这种流动单元中只有少数低聚物分子链可以实现冷却重排成微晶区。并且单纯的热作用,容易导致稳定性较差的结构单元产生局部快速降解,形成类似锌烧现象的红黄斑点。
单纯的机械剪切作用也称力化学作用(这个术语在徐禧教授的论文中见过),早年听说南京有家型材厂采用高压低温挤出工艺,本人未见过,四川迈科专门有关于力化学方面的产品。这种单纯挤压破碎作用,树脂也会产生部分摩擦热进而熔融,好处是不需要较多的热稳定剂,制品加工热线性膨胀系数较低,缺点就是会造成分子量大幅下降,如果挤出行程较短时,粒子破碎程度不高,流动单元间界面熔合性较差,制品力学性能较差,并且设备承受很大的压力,磨损很大。剪切影响树脂颗粒的破碎和熔体中各组份的扩散。剪切分散不均,会引起局部树脂表面出现氯化氢富集,进而消耗更多的稳定剂,局部分解型材可能出现黄红斑。
剪切降低挤出对热量的需求,采用剪切和热的双重作用,对于经济的进行制品加工是合理的。
流动结构 | 颗粒亚颗粒聚集体初级粒子初级粒子核缨状晶区 | |||
120 | 160 | 180 | 200 | 260 |
120 | 160 | 170 | 180 | 190 |
颗粒结构与熔融温度剪切的关系
对树脂粒子破碎剪切比温度更加高效,这是由于剪切同时具有强烈的分散效果,可以将熔融及降解部分均匀的分散开来,避免局部过高的热量集中造成剧烈降解。但是对于生产中固定的挤出设备和模具来讲,通常短期内其压力和剪切变化不大,而且挤出电流只是全部挤出过程载荷的合计,影响因素较多,不好进行论述和量化,因此加工通常以温度量纲来进行讨论。
b) 型材挤出过程中物料状态
实际加工过程中,有两种外部作用:螺杆摩擦挤压剪切动能和外部热传导热能。外部加热提供初中期的熔融动力,而螺杆挤压主要作用中后期剪切和分散。型材加工具有初期塑化较慢,而后期塑化很快的特点。剪切和受热二者在挤出中是混合作用,受限于配方、工艺和挤出机螺杆螺筒结构。通常按照物料在螺杆中的走向和位置来分析其状态。
干粉料进入螺杆中,粉料温度较低,颗粒硬度较大,由于树脂表层包膜的光滑,摩擦力较低,承受的温度和剪切作用较小,树脂的流动单元以颗粒为主。此时未塑化熔融的树脂及其它组份较高的表面硬度,会对螺杆螺筒表面造成一定损伤。树脂表层包膜结构的光滑度导致初期塑化慢。随着物料的前行,温度升逐渐高,颗粒表面熔融。流动单元以颗粒/亚颗粒为主。
干粉料在到达螺杆到真空口附近时,螺筒缩径和螺槽的变浅的对物料的压缩作用,导致剪切上升,粉料呈半塑化状态。配方中低熔点如硬脂酸、石蜡等润滑剂的熔化,降低了其摩擦力。流动单元以亚颗粒/聚集粒子流为主。
加工中后期,随着温度和剪切作用的提升,树脂进一步软化,主要流动单元:、聚集粒子/初级粒子流、/初级粒子/初级粒子核流。
c) 不同工艺状态下的流动特性分析
在较低加工温度和剪切作用下加工,熔体以颗粒/亚颗粒/聚集粒子流为主。型材干粉料塑化明显延迟,整体呈疏松状,颗粒之间剪切作用较弱,但是由于整体粉料较硬,加工电流较高,熔体膨胀较小,制品物理性能较差。低温加工下出现颗粒流的原因在于,PVC低温挤压下,颗粒会破碎成亚颗粒结构,这种结构具有相对光滑的表面,具有较好的流动性。
挤出机温度的提高,树脂颗粒会更快的熔化成聚集粒子和初级粒子,塑化提前。综合结果是熔体流动性提高,熔体膨胀增大,挤出电流降低。制品性能提高。这种情况属于主流加工。
调整挤出机增大剪切,通过剪切作用来实现更小的流动单元。更高剪切分散作用下,较小的初级粒子开始破碎熔融,出现部分初级粒子核流,熔体粘度提高,加工电流略有上升。制品均匀性得到改善,力学性能特别是拉伸屈服、简直梁冲击等缺陷敏感项目性能提高。但是实际生产中,不同螺杆结构剪切作用不同。比如65/120螺杆就可以通过喂料比增大实现较好的剪切,而65/132螺杆效果不明显,这与挤出机设计理念有关。温度和剪切更高时,树脂发生剧烈降解,熔体呈现干酪式状态,大量气孔出现,制品性能较低。高速挤出通常不希望造成较大的剪切,影响生产的稳定性。通常大多挤出机只能将树脂破碎成1μm左右的流动单元,而对于透明片材采用的星形齿轮撮合机,却可以实现更小尺寸的塑化。
通常型材实际加工中,提高工艺温度,物料流动性变好,型胚变软,塑化也会提高,但是这不等于塑化就好。塑化好坏的评价标准是流动单元,而型胚软表示熔体强度低、压力小,流动性好。配方中内润滑剂的添加也会提高流动性。碳酸钙的添加,熔体强度下降,型胚也会软。通常型材挤出加工温度在200℃以内,因此大部分树脂在加工中处于未熔融状态,因此PVC树脂的熔融、降解、稳定剂等助剂的作用都发生在树脂颗粒的表面。因而少量稳定剂就能实现稳定加工,过量的润滑剂会出现树脂流动的紊乱,型胚出料非常敏感,波动较大。有时同样的物料,加工温度低,颜色黄,但是制品物理性能却高,这是由于螺杆螺筒剪切较大,尽管型胚较硬,塑化却好。
螺杆通过较长的行程(长径比)提供恰当、均匀的剪切作用,不分带来良好的分散效果,使树脂周围由于分解产生的氯化氢聚集降低,提高了加工稳定性,同时剪切力作用,将树脂更好的破碎,取得较好的熔体流动单元。因此较适中的加工温度下,较强和均匀的剪切是稳定加工必需的。剪切的两个作用在于,首先通过搅拌分散,有效的热能均匀传递给体系,避免路易斯酸等富集催化,同时机械力化学作用,直接将树脂颗粒破碎,可以实现低温度下的初级粒子流动。实际加工中,剪切作用对制品物性的提高比热作用更加明显。
2.1.4.2配方、口模压力对加工流动的影响
在固定挤出机条件下,配方中各原材料各组份在粉料表面和熔体之中的相互作用力,对物体的塑化快慢有影响。比如润滑剂、加工ACR、硬脂酸钙、钛白粉、碳酸钙和CPE等,都对塑化有影响。
型材配方中虽然禁止直接添加DOP类增塑剂,但是有的原材料可以视为内增塑剂,如CPE、稳定剂中聚亚磷酸酯类。增塑剂具有类溶剂效果,可以将分子链局部溶胀,降低分子链内摩擦力。亚磷酸酯类可以降低挤出电流。CPE作为橡胶体,加工时却是增加电流和熔体粘度,在固态相中才表现出增塑效果。
润滑剂熔点比较低,在加工中通过吸附在其它原材料表面,通过调节摩擦影响粉料塑化。润滑剂与熔体的相容性较差,通常都会延缓塑化。熔融促进剂通常都具有类似玻璃化特性,高粘和低温挤压塑变,可以将挤压力通过形变储存,利用强极性表面将作用力转移给树脂,促进颗粒甚至内部分子聚集结构破碎。极性添加剂如金属离子盐如硬脂酸钙、丙烯酸酯ACR等,都会前期促进塑化。偶联剂可以实现分子链之间的局部交联,形成网络凝胶结构,增加熔体粘度,也会促进塑化。
配方中过多的润滑剂使用,会使熔体流动出现不均匀性,表现在对压力非常敏感,出料波动很大。离子盐如硬脂酸钙的过量使用也会出现类似的情况。偶尔熔体不稳定流动也与挤出机过渡套和模具后模体内径的不匹配有关,较小或较大的过渡套与后模体的内径,会造成PVC熔体滞流、粘料、糊料,从而造成挤出电流出现较大如5A以上的波动,从而影响出料稳定性。
无机粉体与表面处理剂品种和吸油率有关。通常轻质活性碳酸钙在熔体中的作用是,前期延缓塑化,后期促进塑化。活性碳酸钙表面采用较少的表面处理剂和偶联剂处理,前期塑化变快,后期塑化更快,重质碳酸钙则会出现塑化整体延缓的现象。钛白粉的添加,会使塑化整体偏快。生产中观察到钛白粉对塑化有促进作用,主要是使熔体粘度增加。
口模压力与配方、模具设计、挤出工艺有关。压力较高通常与流动单元关系不大,较硬的型胚可能是塑化不佳,也可能是喂料比较大,塑化提前也会造成压力增大。
通常情况下,窄而长的流道对熔体流动行为形成约束,容易获得平稳的流动,但是也容易造成熔体压力的损失。平稳的流动带来制品加工的稳定性。较小的压力会使制品性能变差。
2.1.4.3熔体的粘弹特性
熔体的粘弹行为主要有离模膨胀效应和熔体破裂两种,影响加工的稳定性。
a) 端末效应/离模膨胀效应
PVC熔体加工中,具有较离模膨胀效应,本质是高分子的粘弹性,个人认为还有热降解产生的气泡原因。高分子的粘弹性的本质是应变比应力速度延迟。分子链具有三维立体结构,受到挤压时产生形变,型胚出口模时挤压结束,压力速降,大分子链在粘性熔体中在高热能下具有缓慢形变恢复原告状态的特性,热降解产生的大量微气泡使得熔体粘度下降,在口模内受到较高压力下的气泡,外部压力降低时,会膨胀,膨胀效应加剧。
型材加工中,熔体膨胀的主体是树脂和用量较大的CPE,与树脂及其塑化程度、配方组份、加工工艺有关。
熔体膨胀具体与树脂合成性质、分子量、分子量分布、支化程度、结晶度、有关。凡能够导致熔体弹性成份增加的因素都能使入口效应和离模膨胀效应变得严重。CPE与PVC相似,但降解比PVC相对缓慢,由于是橡胶体,容易挤压形变,膨胀也不容小觑。树脂颗粒孔隙率高、颗粒表现摩擦系数大、颗粒粒径小,加工中易塑化,熔体膨胀通常大。支化程度高、结晶度低、分子量低的树脂加工中用膨胀大。有加工ACR的配方中,PVC分子量提高,分子运动和形变变得困难,膨胀比小。反之,PVC分子量的提高,反而膨胀增大。这可能与其局部塑化过快产生微气泡有关。
加工工艺主要是温度和降解,对其影响最大。温度的提高使分子链具有较高的热动能,促进其熔融和流动,生产中大多表现出一定程度的熔体膨胀。温度对膨胀的影响:在165180℃时,膨胀较低;190℃以上快速增加,而超过200℃,增加幅度趋于缓和。这是由于较低温度时,PVC呈现颗粒流,熔体粘弹性较差,膨胀小。而190度以上,初级粒子表面熔体,部分小颗粒呈现分子流,分子粘弹性加强,熔体膨胀较大。更高温度下,初级粒子表面均匀熔融,非晶区完全熔化,熔体流动单元趋于平稳,增加幅度也减缓。说到底与其流动结构单元有关。降解产生的大量微气泡,使熔体强度下降,体积上升。高剪切作用对膨胀有更强烈的影响,其线性膨胀增加,流动速率增大,膨胀比变大。
配方组份主要在物理性质和对加工塑化两个方面起作用。CPE和塑化度的提高,都能导致生产中离模膨胀变大。而增塑剂、填料的使用,可以减少膨胀效应。高粘度加工ACR前期促进塑化,但是能提高熔体粘度,减少膨胀的可能,实际上却是降低离模膨胀效应的。
设备方面,挤出机均匀而细密的剪切,减小熔体膨胀。模具流道长度增加,熔体压缩行程变大,有更长时间应变,膨胀减小。因此高速模具通常口模外观尺寸较大,而且压缩段、平直段较长。
挤出型材断面几何形状和尺寸小,物料在挤出机中滞留时间长,熔体分解程度高,出口模处压力大,膨胀大。
离模膨胀效应分两个方面。适当的膨胀,经过定型模挤压,型材表面能实现较高的光泽度,同时提高加工适应性。较大的膨胀则影响加工挤出效率。膨胀加大其它非连续相析出的风险,较高膨胀体系内的孔洞使得内热不容易传导,延长冷却时间,容易在定型模中发生卡料等问题。
b) 加工过程的熔体破裂
挤出加工过程中,如果应变与应力速度不一致,就会导致熔体破裂。轻微时型材表面出现粗糙、波纹,严重时呈现螺旋形流纹、脊状鲨鱼皮或者竹节状凸缘,更加严重时型胚扭曲、无规则破裂,同时伴随着熔体不稳定的流动。型胚在牵车时显得像干奶酪一样比较糟而软,一拉就断,甚至无法牵车。
值得注意的是,PVC熔体在加工剪切过程中,熔体粘弹性可能会出现一个波动带。在这个波动带加工,会在型材表面特别是与支架板相对应部位,会出现间断性的表面缺陷,如出现沿挤出方向型材表面出现规则破裂。升温或者降温,拉快或者拉慢都会好。生产加工中喂料比的增加,通常挤出电流也逐渐增大,但是在一个拐点,会出现喂料增加一转,电流上升45个左右的现象。这是由于原先物料在螺杆中比较疏松,达到一定密实度后,物料挤压变得很困难,电流急剧增加,本质上反映固液态的不可压缩性。PE加工中也有类似的剪切曲线图。
高分子量线性PE流动不稳定性与熔体破裂现象。(D=8.2mm,L/D=15;T=180℃)
引自塑料工业手册聚氯乙烯P527图686
过高的剪切速率或者熔体粘度,挤出加工时由于模具表面缺陷,熔体表面常会有规律的出现熔体破裂现象,比如爆皮、月牙状破裂等。改善流动性和增强熔体强度均有效。强极性内润滑和熔融流动促进剂既能有效改善熔体流动性,同时又不至于降低材料力学性能的。而加工ACR则通过改善熔体强度来拓宽加工范围。
2.1.4.4加工中PVC熔体粘度不均匀特性
PVC挤出加工中颗粒表层部分熔融,导致熔体的不均匀性,因此给制品性能带来不确定性,如缺口冲击性能、焊接性能的波动、开裂的概率等。
提高熔体均匀度是个系统工程,采取以下手段可以提高熔体的均匀度,如高剪切、分散、预塑化的混料、挤出机较长均匀剪切热历程、配方前期促进塑化后期延缓塑化的调整、加工助剂的使用等。最佳的方法是挤出机螺杆螺筒的高效剪切作用,可以在树脂较小降解的基础上实现均匀的塑化,得到聚集粒子这样的流动单元,从而具有更佳的力学性能。
不同原材料、设备和工艺,需要不同的配方体系来适应,以达到经济挤出最佳力学性能的型材。
2.1.5热降解特性与颜色
PVC热挤出加工面临一个主要问题:PVC热降解。PVC热降解是随机的,这是其固有特性。由于PVC热降解比较复杂,需要化学方面的专业知识,受限于本人材料应用专业方面有限化学理论知识,因此本文只做简单介绍,具体请参考《塑料添加剂手册》第五版。
2.1.5.1树脂热降解特性
聚合物如聚烯烃的受热是聚合的逆过程解聚过程,解聚产物低聚物可以作为内润滑剂,使得加工比较容易。PVC热降解是脱HCL、生成共轭多烯的过程,产物氯化氢加速PVC降解。共轭的本质是共轭体系中电子非定域化(delocalized),电子在整个体系中共享,可以相互转移。多烯可能进行其它反应,如周环反应。各种环境因素,如有氧无氧都会影响反应进程。
型材挤出需要在较高温度和剪切条件下进行,才能获得较佳的力学性能的流动单元,因此型材配方必需热稳定剂。
PVC热降解经过缓慢诱导期加速的过程,具体大致是脱氧化氢、自催化、化学动力学断链、交联和综合反应。热降解是PVC固有的特性,加工中热降解仅仅发生在30%左右的熔体单元表面,内部未熔融的PVC结构单元在加工中保持原先的状态,不受外部降解的影响。通过TGA热失重分析表明,其半失重温度随着PVC分子量增加而增加,降解速度降低。分子量很低时,PVC树脂端基双键含量较高,极不稳定。分子量(数均)超过8万,分子量对热稳定性的影响不明显。分子量超过3万,内部烯丙基氯对PVC脱HCl起较大作用。
通过TGA热失重分析可以看出:脱氯化氢的过程是个比较长的相对缓慢的诱导过程,约在180℃内。氯化氢自催化具有加速作用,比较剧烈,在210℃左右。共轭多烯断链和交联发生在260℃左右以上。注意热失重的温度对应加工大致是熔体温度。推荐型材加工的熔体温度区间在180℃以内,可以避免树脂剧烈热分解,熔体温度超过210℃热降解剧烈。
中等温度下,PVC主要反应是脱氯化氢,同时大分子中生成单个的双键和多烯结构。脱氯化氢作用经过一段诱导期后,伴随发生交联反应。
高温下,PVC脱氯化氢相当于烃类裂化和高温分解,生成线形结构和环状结构的低分子烃类混合物。
在更高温度下热解,生成高含碳残留物、气态烃类,最终碳化成石墨。
树脂TGA(0300℃)曲线
PVC降解主要是由其主链键能的大小决定。烯丙基氯CCL的键能是243KJ/mol,其它部位CCL的键能是322KJ/mol,而CH根据部位不同分别是322 KJ/mol和356 KJ/mol,因此烯丙基氯更容易脱去。
PVC分子链能
树脂加热,颜色发生由半透明、无色到浅黄、黄、黄橙、红橙、红到棕褐一系列变化,生色基团主要是长共轭多烯序列。力学性能也不断降低。不同条件下,降解产物不同,颜色也有差别。7个共轭双键产生吸收蓝光波峰,呈现黄相。PVC会随着时间先变黄,降解产物分子量增大,反射波长越长,制品颜色越偏向长波,如红色。树脂热降解涉及到脱氯化氢,属于化学过程,需要最低能量。化验室可以观察到,只有在达到一定温度时,树脂受热才能够发生明显的颜色变化。能量具有量子特性,只有达到分子链键能,才能产生破坏。
纯PVC与烘箱180℃/200 min后的颜色对比
PVC热降解与环境条件如光、热(温度)、氧、机械等因素有关。环境因素主要影响制品的颜色,制品降解通常出现在表面,力学性能影响相对较小。
由于热加工制品性能已经在前面讨论过,因此本节主要讨论降解与颜色的关系,性能则穿插带过。
2.1.5.2无氧条件下的热降解机理
根据A.R.Amer、J.S.Shapiro、M.Fisch和R.Bacaloglu等人根据实验数据和MO计算,认为无氧条件下的热降解机理,首先是不规则基团消氯化氢,然后是正常基团消氯化氢。在氯化氢或氯化锌等路易斯酸的催化下,通过过渡态随机、缓慢形成双键,然后继续生成共轭多烯的链式反应。该链式反应一旦中断,就不能继续。详见《塑料添加剂手册》中PVC稳定剂章节。
无氧热降解,热降解速度较慢,降解产物以多烯长链、取代苯、稠环芳香烃等大分子基团为主,分子量增大,分子量分布变大,降解在表面呈斑点状不均匀分布,颜色变化以深红黄为主。
有人认为这是发生DielsAlder缩合反应:最主要的交联反应是氯化氢催化,多烯链发生顺式、反式二烯与其它多烯发生的。DielsAlder缩合反应的产物自由基断链和多烯自由基发生环化反应,生成苯和稠环芳香烃。
也可能是周环反应。这是一种无中间体或者目前检测手段观察不到中间体的协同反应,产物是环状化合物。
挤出加工中PVC熔体处于稀氧或无氧条件,热降解以脱氯化氢为主,然后生成共轭多烯这种生色基团。如果配料工序发生问题,型材过塑化,模头会挤出红棕色型胚。
早期钙锌稳定剂型材表面容易出现红斑也是此类原因。人们将其解释为锌烧,其实是在氯化锌富集催化下,无氧环境下生成苯等环状物芳香基团,以斑点状分布出现。
通常型材处在开放的空气环境中,表面有大量的氧气接触。但是在一种特定条件下,也会形成局部无氧条件。型材在密闭透光环境下,经过较长时间(两周左右)阳光暴晒和空气温度接近40℃,地表温度达到45℃,封闭环境形成局部7080℃高温,型材首先光老化降解,生成低分子链的多烯,颜色变黄。如果此时型材表面被析出低熔点的蜡覆盖,降解产物氯化氢、氯化锌、自由基等被固定在特定部位不能挥发或迁移,局部催化加速降解,缺少氧化反应,产物以芳香基团为主,表面就会出现红斑。这与无氧条件下PVC降解的产物类似。将生成的红斑在强紫外光如UV341光管下进行照射,会出现红斑消退,这是由于环状物破坏成链状物的原因。
型材变黄析出油封闭表面 原始状与UV341/80℃/5h照射后对比图
2.1.5.3有氧条件下的热降解
热氧降解的引发机理同无氧相同,但是在氧的参与下,降解更加快速(氧化诱导期变短),生成多烯链更短,以酮、酰基氯为主。这种产物大面积分布,比较均匀,颜色多为浅红黄色。较高温度如190℃以偏黄为主,而较低温度如80℃以偏红为主。
型材、干粉料静态、开放式动态老化试验就是在热氧条件下的降解。
型材户外光老化也类似热氧降解,但是由于紫外光的较大破坏性,PVC分子链直接断链,多烯链段更短,以黄色调为主。
2.1.5.3机械降解
机械降解,又称力化学降解。机械剪切力可以直接导致分子断链。混料、挤出机、流变仪中通常会产生类似降解。机械降解在树脂破坏表面生成大量自由基,在一定温度下,促进降解加速。如果考虑其它因素如氧等,就比较复杂了。通常机械降解对颜色影响较小,主要观察到焊接强度降低,流动性变好,熔体容易膨胀等现象,这主要是分子量降低的原因。
2.1.5.4水在降解老化中的作用
在型材高温挤出过程混料、挤出工艺中,水会从热混锅排气孔、主机真空口等部位以气体形式排出,罕见有文章讨论其对加工的作用。
在制品使用中,水可能有几种作用。具体情况具体分析。
光老化时,在钛白粉催化下,与氧形成氢氧自由基和氢过氧自由基,催化制品表面老化侵蚀,溶解制品表面碳酸钙,形成孔洞,增加老化风险。
雨水长期在制品表面流动,会将某些金属离子携带到制品表面,造成表面颜色红黄变化。
型材储存时,长期雨水在浸泡,引起胶条或制品中低分子物溶解析出,如亚磷酸酯类、二辛酯类,造成制品表面被有机物污染。
在室外较长时间存储时,水珠在透明塑料筒上相当于小型凸透镜,会起到聚光效应。型材表面会形成黄色斑块。
生产中遇到新的硫化橡胶牵引胶块上有水时,会短时间内造成型材表面变红现象。
2.1.5.5光老化与热老化
可见光或者紫外光的辐照度要比红外热高很多。热老化主要以脱氯化氢为主,光老化比热老化更加复杂。
光老化主要以交联和多烯等生色基团的生成反应为主,反应只是发生在材料表面的薄层,加热会促进光降解。PVC光降解与材料表面的缺陷如PVC及添加剂、杂质等分子缺陷和材料表面结构缺陷如不均匀性、孔类结构、裂纹等有关。材料表面缺陷会增大与光接触的比表面积。材料分子结构缺陷在化学活化剂、敏化剂存在下,表面更容易发生降解。
光降解主要产物,包括95%的HCl,4%的饱和、不饱和烯烃,0.4%左右的苯,以及其它氯代烃。其气相产物与PVC高温分解产物相近,与较高温度热降解有显著区别。
通常型材厂家会用光老化性能来检测和评价稳定剂或者共挤表面材料等老化性。正常氙灯测试时间较长,会使用QUV老化仪来加速测试。个人认为这种加速试验仪器有需要改进的地方:塔型外观,长管状光源位置固定,使得样品在不同位置辐照度不同,数据重现度低。如果采用球形外观设计,光源投射到球中心位置,快速随机旋转向四周辐射,这样可能效果要好些。
2.1.6树脂检测项目及应用案例
型材生产通常采用SG5型树脂,为白色粉末状颗粒,密度在1.45左右,拉伸强度在3563MPa左右。影响树脂加工的重要指标有外观粒径、颗粒结构单元、原始白度、粘数、热老化白度等。外观粒径、表皮包膜结构影响下料稳定性,通常较大的粒径下料稳定性高。原始白度和热老化白度与制品的颜色有关,白度高,通常制品的原始颜色也青。粘数直接与制品的性能有关,通常粘数偏高,制品可能具有较高的力学性能、较低的膨胀性能和较好的加工稳定性和初期颜色。
树脂的内控指标
挥发份% | 白度% | 筛余物% | 表观密度g/ml | 粘数ml/g | 160℃10min白度 |
≤0.4 | ≥94 | ≤0.3 | ≥0. 5 | 118~113 | ≥78 |
目前国内使用过的树脂主要是大沽化工、齐鲁石化、宁夏英力特、陕西北元、湖北宜化、内蒙吉兰泰、常州汉和/常州化工、河南宇航、新疆中泰等。其中粘数从高到低大致是:齐鲁最高,大化、常化、宜化、中泰居中,北元、宇航略低。按粒径/表观密度划分:英力特较大,而其它略小。以下数据均为2018年以前的实际使用案例,不代表产品现在水平。
2.1.6.1大沽化工
天津大沽化工位于塘沽河南路,与LG树脂厂相邻,是中国树脂厂的巨头之一。其树脂具有稳定性高、粒径适中、塑化较快等特点。
应用案例
a) 树脂热老化数据
大沽化树脂的160℃10分钟热老化数据
批号 | 090124 | 090505 | 090508 | 090510 |
L | 97.21 | 97.41 | 97.37 | 97.34 |
0.49 | 0.68 | 0.75 | 0.82 | |
1.23 | 1.34 | 1.34 | 1.30 | |
△L | 2.25 | 3.69 | 3.24 | 3.29 |
1.35 | 1.56 | 1.21 | 1.47 | |
0.45 | 0.07 | 0.07 | 0.13 |
注:160℃10分钟热老化后,大沽化树脂偏深2.33.7,偏红1.21.6,偏蓝00.5。
b) 大沽化工树脂粒径分级与表观密度的关系090622
树脂的粒径进行分级,对研究树脂下料稳定性是非常重要的。试验方法为取样品10克,倒入由粗到细,从上而下码放的筛网中,用手腕轻轻晃动筛网,直到无粒子流动后,称其筛余物,单位为%,底盘为最下面的铁皮盘,质量损失是过筛时吸附到各筛边上的细树脂粉。
目数 | 比例(090510批) | 比例(090515批) |
0.525 | 0.515 |
55.5 | 61.5 |
26.5 | 25.5 |
17.5 | 12.5 |
0.5 | 0.4 |
0.009 | 0.006 |
从上表可以看出,80100目的粒径对表观密度影响,较大于120目的影响小。由于是同一厂家,假设采用相同的聚合工艺,对于090515批的树脂,大于120目的细粒子比例较大时,其表观密度反而较小。可能是由于树脂粒径大时,孔隙率较低,密度较大。具体需要对粒径分级完的树脂颗粒进行表观密度测试。
常见树脂厂家的粒径分级汇总20090622
厂家 | 65目 | 80目 | 100目 | 120目 | 底盘 | 操作损失 | 表观密度 |
0.076 | 1.737 | 10.893 | 11.884 | 62.506 | 12.904 | 0.515 |
0.008 | 0.371 | 2.258 | 12.027 | 63.58 | 21.756 | 0.555 |
0.027 | 1.969 | 24.083 | 19.639 | 39.962 | 14.32 | 0.545 |
0.012 | 0.755 | 7.136 | 12.401 | 64.809 | 14.889 | 0.58 |
0 | 0.226 | 6.999 | 14.981 | 66.465 | 11.329 | 0.535 |
0 | 0.049 | 4.439 | 27.671 | 64.899 | 2.94 | 0.56 |
0 | 1.785 | 31.579 | 26 | 37.754 | 2.882 | 0.54 |
从上表可以看出,各家树脂的细粒子均比较多。相对河南宇航的树脂粒径分布更合理些。
2.1.6.2齐鲁石化
齐鲁石化是国内品质很高的树脂厂,其SG5型树脂又细分为950、1050两个牌号。产品具有粒径适中,粘数稳定,加工性能高的特点。通常产品价格较高。
应用案例
a) 树脂不易出黄线20070516
安徽广德工厂车间工艺员反映齐鲁石化的树脂不容易出黄线,这是由于齐鲁石化的树脂粘数高,约115116。热稳定性较好,在极端情况下不容易出现熔体分解现象。
b) 树脂下料不稳070922、091005
新到齐鲁树脂,粒径过细,化验室取料分析时发现料干流性不佳,不下料。用70倍放大镜观察,粒径为刻度线0.05的两格,为0.05*4,基本不挂壁。但车间反映容易架桥。因此树脂粒径在0.05*4以上比较好。同时需要对树脂粒径进行分级检测。
不同种类的树脂可能由于混合时,所带不同的电荷,相互吸引从而流动性下降。如悬浮法树脂与本体法树脂带有不同电荷,其混合物就没有流动性。这给我们提出个警示,面对不同树脂混合使用时,需要注意混合使用带来流动性改变的问题。
2.1.6.3宁夏英力特
英力特树脂的特点是颗粒较大,下料平稳、塑化差、物性略差,颜色青。
英力特树脂的160℃10分钟热老化数据
批号 | 090531 | 090605 | 090615 | 090617 |
L | 98.14 | 98.14 | 97.78 | 97.63 |
0.73 | 0.55 | 0.73 | 0.55 | |
1.02 | 0.97 | 0.67 | 0.69 | |
△L | 4.01 | 3.61 | 3.26 | 3.47 |
1.02 | 1.24 | 1.01 | 1.17 | |
0.23 | 0.4 | 0.15 | 0.16 |
注:经过单纯热老化后,英力特树脂偏深3.34,偏红11.2,偏蓝0.20.4。各个厂家树脂△a、△b值基本相同,但是宇航树脂△L下降最少,其次是大沽化,最后是英力特。这可能与英力特树脂粒径偏大,大量反应热未能及时传导出去,使树脂热分解温度下降有关。长期使用中,发现英力特树脂个别批号有颜色忽然黄的现象发生。但是其颗粒较大,下料稳定性较高。车间使用后整体合格率也很高。
具体应用案例
a) 包装袋中出现胶块和树脂末20090727
新来一个批次的树脂中发现个别包装中出现反应釜密封胶条和大量的特别细的树脂粉末。和厂家沟通,近期他们检修设备。
b) 树脂热稳定性差20091121
近期树脂不稳定,表现在颜色波动较大。为了消化该批料,与其它热老化较好的批次混合使用,效果明显。
c) 树脂中出现白色大实心半透明球状颗粒20091221
树脂中出现大量白色硬半透明颗粒,直径约23mm,不溶解于溶剂和盐酸不反应。经过了解,原来是树脂厂家使用拉盐的车,而且其中还夹杂有部分石英砂。通知采购在今后运输中,尽量避免使用拉砂车运输。
d) 树脂热稳定性差,颜色偏红20100113、20100105
由于树脂热分解温度偏低,160℃10分钟老化白度偏红,车间部分机台颜色偏红,而且物理性能也下降。更换树脂后好转。
e) 白度低引起的颜色暗20100718
来一批树脂L值偏低,型材制品颜色暗,因此质检不断反映。由于数量较大,因而将钛白粉量上调0.5份解决。
f) 粘数低引起的膨胀大20100731
近期英力特树脂粘数偏低,在110左右,车间普通反映熔体膨胀较大。增加部分大沽化的树脂,其粘数在113左右。情况好转。
g) 稳定性差出气泡20110505
车间反映经常出气泡,经过排查,CPE没有问题。而树脂热老化温度偏低,不到78℃。增加0.2份的稳定剂后好。
h) 白度差20110321
新来英力特树脂白度偏低,仅仅为93。因此将英力特与北元白度94的树脂1:3混合使用,型材综合白度下降0.2左右。但如此增加了树脂倒料工的难度。过了两天,开始大规模使用全部英力特树脂,车间整体颜色偏暗,机身温度下降,
i) 粘数偏低粉末太细20180501
近期北元树脂厂检修,采用英力特树脂,结果其一反常态,不仅原先白度低的问题未改善,而且其颗粒细度也出现问题,整个树脂粉呈面粉状。生产中表现出下料不稳,电流高,塑化快,颜色黄。需要加内外润滑颜料进行调整。一高混自动上料系统反映树脂打料困难,经常出现树脂输送管道堵塞现象。
如下图(左英力特右北元):
2.1.6.4陕西北元
北元树脂一开始是在管材上应用较多,由于价格问题,在西安工厂开始接触。一开始颗粒粒径较细,出了很多问题,后期改进较大,生产也比较稳定。
应用案例
a) 北元树脂焊接强度高20080721
西安工厂化验室反映,080704和080711两天的焊角强度普遍高,分析原因是这两天使用北元树脂,而这个批号的树脂粘数在115左右。
b) 北元树脂下料不稳20120613
有个别批次的树脂出现取料化验时不流动,车间下料不稳的现象。该批树脂呈现团状聚集态,而通常树脂是明显颗粒状。用手轻轻晃动后,明显粉料流动性不佳。在化验室做筛余物测试时,不下筛。经过试验,添加少量分散剂后,其颗粒形态与正常相似,因而判定与其表面处理剂不当有关。
c) 北元树脂结团20121007
今天来一车树脂,呈现面粉状、团絮状,干粉料不流动。取料手感很细,测试过筛,基本不过。加少量硅酸铝或者碳酸钙混合,流动性好转,但是流动不均匀。分析原因为静电抱团。
左侧为非正常抱团树脂,右侧为正常流动性较好树脂:
2.1.6.5湖北宜化/内蒙宜化
湖北宜化在长江上游,具有天然的运输成本优势。其产品标识食品级。内蒙宜化是其内蒙工厂。
应用案例
a) 树脂江运运费低20070910
湖北宜化树脂厂在长江上游,而安徽工厂靠近芜湖。而通过江运运费便宜。对于占型材60%以上的原材料,如果运费能够最低化,那么无形中企业的竞争力会提升不少。企业在建厂初期,就需要考虑到。
b) 内蒙宜化树脂出型材颜色黄20101221
内蒙宜化树脂由于短期价格较低,因而购入一批。前期使用湖北宜化树脂时,基本没有太大的问题。而该批树脂车间使用中发现颜色较黄,而物理性能较好。说明其塑料较快,而且粘数偏高。
c) 内蒙宜化树脂颜色波动20101226、20101221
换成内蒙宜化的树脂,车间白天稳定,夜晚颜色波动较大。经查树脂的L值较低,晚上感觉颜色暗。
d) 内蒙宜化树脂粘数高20110103
由于内蒙宜化树脂粘数偏高,塑化快,因而调整配方塑化。
e) 不同树脂同一模具的米重变化
针对出口俄罗斯的205#,60内平开扇N201,使用不同树脂产生不同的米重,
树脂 | 实际米重 | 实际包重 | 理论米重 | 钙含量 |
1.129 | 40.3 | 1.076 | 16 |
1.08921.09259 | 38.9 | 16 | |
1.09631.0983 | 39.139.2 | 16 | |
1.08721.0879 | 38.8 | 11 | |
1.082 | 38.6 | 11 |
结论:1.常州汉和乙烯法树脂米重轻于湖北宜化电石法的树脂;
2.增加5份钙粉,米重上升1%。
2.1.6.6内蒙吉兰泰
这是一家中盐下属的树脂厂,主要消耗盐制钠过程的副产品氯气。生产线是天津大沽设计,在08年投入生产。西安工厂使用过一段时间该产品,由于其工厂是初试,因而问题较多。
a) 白度低080611
内蒙中盐吉兰泰的树脂厂,采用大沽化购相关的技术和设备,但由于刚刚投厂,出现树脂稳定性差的现象。沟通中发现由于树脂国标GB/T57612006中未涉及原始白度的问题,因而树脂厂并没有对其进行有效控制。双方约定原始白度在94以上,粘数在114左右,而表观密度在0.54左右,粒径控制在0.2以上,老化白度大于85。
2.1.6.7常州汉和/常州化工/江东化工
这是一家我唯一正式参观过的树脂厂。规模不大。
应用案例
a) 树脂取样困难2006
安徽工厂新进一批江东化工树脂,化验室取料时发现树脂不从铜管中流出。当时拿70倍放大镜观察,粒径为刻度线0.05的两格,静电较大,作筛余物测试时,大量粉末结团。对化验室结存树脂进行统计测试,发现常州汉和树脂粒径0.05*3,挂玻璃壁严重,车间反映下料稳定性不佳。
b) 汉和树脂出型材颜色黄20070728、20070823
常州汉和树脂厂有批5型材树脂,批号0707273,粘数偏低,约106108左右,接近6型,欲低价售出。公司购入后,发现白度偏低,92.9,车间反映颜色黄,熔体膨胀大,容易发生挂料堵料现象。
c) 常州汉和工厂化验室交流20071031
PVC树脂采用浙江上虞市东关五金仪器机械厂的顶击式标准震筛机XSB88,以221次/分速度摇,147次/分速度振,半径125mm,线速度380,转速2800转/分。经过分析,树脂的粒径120180目之间占90%以上。白度仪采用WSBL。乌氏粘度仪点径0.77。
该企业采用大化技术,产量在200吨/日。
2.1.6.8河南宇航
这家公司不太了解,只是在西安工厂后期采购过该公司树脂。
宇航树脂的160℃10分钟热老化数据
批号 | 081106 | 081118 | 081130 | 081205 |
L | 97.55 | 98.56 | 98.32 | 98.09 |
0.48 | 0.56 | 0.58 | 0.53 | |
0.66 | 1.0 | 0.84 | 1.05 | |
△L | 1.8 | 2.88 | 2.69 | 2.48 |
1.00 | 1.16 | 0.94 | 1.19 | |
0.42 | 0.22 | 0.13 | 0.03 |
注:经过单纯热老化后,宇航树脂偏深1.82.9,偏红11.2,偏蓝0.20.4。
应用案例