如何改善共挤彩色塑料异型材门窗的力学性能

作者:杨忠久 徐学清 文章来源:北京国风建业门窗幕墙制造有限公司 山东金达双鹏集团 发布时间:2011-08-22

采用PMMA、ASA和PVC-U复合共挤型材所生产的彩色塑料门窗,具有优异的性能和靓丽的外观,受到了消费者的好评。然而,在低温条件下,这种材料容易发生冲击破裂,且其采用无缝焊接时也易出现开裂。本文对其原因进行了分析,并提出了相应的改善措施。

近年来,彩色塑料门窗逐渐取代白色塑料门窗,成为了塑料门窗市场的主流产品。其中,采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、ASA(丙烯腈/苯乙烯-丙烯酸酯)彩色原料与PVC-U(硬质聚氯乙烯)基料进行复合共挤,生产出的塑料异型材在制作成门窗后,因装饰层具有优异的稳定性、耐侯性和耐热性,且色彩更加光艳、靓丽,从而改变了白色塑料门窗和通体彩色塑料门窗固有的质量缺陷,在彩色塑料门窗产品中一枝独秀,得到了快速发展。

然而,在低温条件下,彩色共挤异型材的装饰面存在不耐冲击的缺陷,并且在采用无缝焊接时,由这种材料制成的塑料门窗的焊缝易出现开裂现象。在白色塑料异型材的主体上共挤一层厚度仅为0.2mm的装饰层,为什么会对塑料异型材的抗冲击性能和焊接性能造成影响?本文针对这种情况进行了分析,并提出了相应的处理措施。

共挤彩色塑料异型材共挤层冲击破裂的原因分析

1. PMMA与ASA共挤料的低温脆性大于PVC-U基料

玻璃化温度(通常用Tg表示)是高聚物的一项重要技术指标,可用于衡量高聚物的脆性。硬度(可用洛氏硬度HRC表示)是检验材料抗变形能力的一项性能指标,硬度越高,材料抗变形的能力越强,同时也就越脆。PVC-U、PMMA和ASA等材料的玻璃化温度、硬度指标见表1。

从表1可以看出:PMMA的玻璃化温度与硬度比PVC-U基料的更高,属于高硬的脆性材料。同时,PMMA具有缺口敏感性,在应力下容易开裂。ASA的玻璃化温度、硬度虽然低于PMMA,但高于PVC-U基料,脆性也比PVC-U大。因此,在低温环境和外力冲击的条件下,共挤材料便容易发生破裂。

2. PMMA与ASA共挤料的塑化温度高于PVC-U基料

在熔融温度和流变性能方面,PMMA、ASA两者和PVC-U基料的差异较大。通常,PVC-U基料的熔融温度仅在185℃左右,而PMMA的熔融温度为220~240℃,ASA的熔融温度为190~210℃,并随着丙烯腈、苯乙烯和丙烯酸酯3种单体共聚时的配比而变化。

一般来说,将两种不同类型的聚合物材料在同一个模具中复合挤出,会产生界面的不稳定性流动。当型材挤出后,共挤面和基料之间会聚集较大的截面与拉伸应力取向,使共挤面的尺寸变化率和差值远大于非共挤面(见表2)。该因素也导致在低温环境下,型材承受外力冲击时,更容易发生破裂。

3. PMMA、ASA共挤料与PVC-U基料的线膨胀系数有差异

线膨胀系数是指温度每变化1℃时材料长度变化的百分率。PVC-U基料的线膨胀系数为5×10-5/m·k,PMMA的线膨胀系数为6×10-6~8×10-6/m·k,ASA的线膨胀系数为9×10-5/m·k。通常,线膨胀系数不同的材料经共挤组合为一体后,在一定的温度作用下,相互界面之间因为线膨胀的差异,会积聚相应的内应力。内应力越大,则抵抗外力冲击的性能也就越小。

4. PMMA、ASA共挤料的黏度大于PVC-U基料

PMMA、ASA共挤料熔体的黏度大于PVC-U基料熔体。两种黏度不同的聚合物熔体在复合流道中流动时,黏度较低的聚合物熔体有把黏度较高的聚合物熔体包覆在中间的趋势,低黏度熔体向高剪切区流动,从而在共挤出界面上产生不稳定的流动。表面共挤型材的共挤方式是在生产单色型材的模具基础上,增加共挤流道,在单色型材的表面覆合一层只有0.2~0.3mm厚的彩色共挤料,其厚度仅为PVC-U基料厚度的8.69%~13.6%。由于两种不同厚度的料层流动属于不对称流动,因此随其体积流量的增大,压力损失减少,高黏度熔体被低黏度熔体包围,并随黏度比的增大而加快。在不对称流动中,两种熔体除共有流动界面外,另一界面均与模具壁接触、摩擦。而界面流动状态不仅与熔体黏度、压力损失及流率有关,还与机头的流道长径比有关。长径比越大,高黏度熔体被低黏度熔体包围的速度和范围越大。由此可见,两种不同黏度的聚合物在口模内存在流动差异,影响了共挤层的厚度和两相界面之间的粘接强度,在低温和外力作用下,便容易遭受破坏,从而产生破裂。

从以上几点分析可以看出,共挤彩色型材承受外力冲击容易产生破裂,除了共挤料属于硬脆性材料外,主要是因为共挤材料和树脂存在塑化温度、线膨胀系数和黏度的差异。因此,当两种物料通过同一个口模挤出时,型材共挤界面之间会聚集过大的相互作用力,从而产生破裂。

无缝焊接彩色共挤异型材焊接性能差的原因分析

通常,当塑料门窗下料时,其型材每端焊接余量为3mm(所谓焊接余量是指型材轴向熔融消耗量),此时,两型材端面实际焊接消耗量为2.2mm。由塑料异型材焊接机原理可知,2.2mm的焊接消耗量是由加热和对接两部分完成的,其中加热熔融和对接熔融又各分为两个阶段:在加热熔融的第一阶段,型材加热面紧贴焊板,随焊机后压钳给进至焊接间隙规定位置,即一边加热一边给进;第二阶段,两型材在规定位置继续被加热板加热,热量向型材的轴向方向传递,为型材加热面离开加热板后对接挤压作准备。一般,型材的定位间隙为6.4mm、焊接间隙为16mm,已知加热板厚度为12mm,焊布双面厚度为0.5mm,则型材加热熔融量即为:(12+0.5+6.4-16)/2=1.45(mm)。

在对接挤压的第一阶段,焊机后侧的型材加热面在加热板提升后,随后压钳给进与前侧型材的加热面对接挤压至对接间隙规定位置;第二阶段,两型材在规定位置上继续对接,建立初熔强度。此时型材的对接熔融量为:(2.2×2-1.45×2)/2=0.75(mm)。

由计算可知,型材加热熔融量与对接熔融量分别占型材额定熔融量的66%与34%,两个过程的型材熔融量均随压钳给进,从压钳间隙(一般为2mm)中挤到型材表面,从而形成焊渣。

彩色塑料门窗所用的无缝焊机和一般塑料门窗所用的焊机有所不同:在无缝焊机中,将上、下压钳相对的面设计为刀口,两压钳刀口之间的对接间隙仅为0.4mm,两压钳另一面的对接间隙仍为2mm。在对接挤压第一阶段给进到位时,将加热熔融过程中型材共挤面一侧的熔融物形成焊渣切断。在第二阶段给进到位时,共挤面一侧的对接熔融量(即0.75mm)仅有很少部分熔融物从压钳刀口间隙挤出,而大部分的熔融物都被迫由型材内腔挤出。在原工艺参数不变的情况下,由于对接挤压阻力的增加,有可能发生下列3种情况:一是压紧力不够,后型材给进时被迫发生后移。二是给进压力不足,给进不到位。三是给进设定时间短,到时间后给进不到位等。这些原因均会致使焊接尺寸偏大,同时焊接强度大幅度降低。

改善彩色共挤塑料异型材冲击性能的相关措施

轻工行业标准QB/T2976-2008《门窗用未增塑聚氯乙烯(PVC-U)彩色型材》规定:对非装饰面进行落槌冲击,观察并记录破裂试样的个数,应不大于1。建筑工业标准《建筑门窗用未增塑聚氯乙烯彩色型材》规定:装饰面无论是否破裂,其装饰层与型材间均不应发生分离,即只看共挤面与型材是否分离,不计破裂个数。然而,在彩色塑料门窗的实际使用过程中,消费者并不会因为行业标准对彩色型材冲击性能指标的规定不严,而对门窗遭受外力冲击后焊缝开裂所产生的破坏结果表示宽容与理解。因此,行业技术人员应改善PMMA、ASA共挤型材的冲击性能,进一步提高彩色塑料门窗的质量。

在生产实践中可以发现,共挤型材在低温冲击的情况下发生破裂时,总有一部分型材共挤面没有破裂。这种现象除了和原材料本身特性有关之外,也和挤出的生产工艺有一定关系。因此,为了消除共挤层与型材主体的分离和裂痕,减少共挤层的冲击破裂个数,可采取以下措施来改善共挤型材的冲击性能:

1. 调试模具时,应尽量减少型材的共挤层厚度,以不大于0.2mm为基准,降低共挤层对基料的牵制作用,减少共挤层的低温落槌冲击破坏。

2. 在不影响型材基料与共挤料塑化的前提下,可适当降低共挤机的设定温度与口模共挤料一侧的设定温度,适当提高口模基料一侧的温度,通过减少共挤型材加热后尺寸变化率的差值来降低内应力,减少型材共挤层的低温落槌冲击破坏。

3. 在共挤型材挤出后进入定型模,可适当减少定型模共挤面一侧的真空度,提高定型模共挤层一侧的光洁度,并通过减少定型模共挤面一侧的牵引阻力,降低定型模共挤面的拉伸应力,以减少型材共挤层的低温落槌冲击破坏。

4. PMMA与ASA共挤料各有优缺点。在产品的外观光洁度和耐老化性能方面,PMMA优于ASA。但在力学性能尤其是低温落锤冲击性能方面,ASA共挤料远优于PMMA共挤料。此外,ASA还是一种防静电材料,能使产品表面少积灰尘。仅从提高共挤彩色型材抗冲性能的角度而言,可以ASA 共挤料逐渐取代PMMA共挤料,以亚光共挤彩色型材取代高光彩色共挤型材;或者采用改性PMMA共挤料,在挤出时适当减少口模温差,减少型材共挤层的低温落槌冲击破坏。

提高无缝焊接强度的相关措施

在进行门窗焊接时,采用无缝焊机挤压会使得型材对接熔融物被共挤面一侧的压钳刀口阻挡,无法挤到型材表面,而仅从型材内腔一侧挤出,由于流动速度的差异和距离远近不同,致使型材的焊接尺寸偏大,焊接强度降低。因此,在焊接时可采取适当提高焊接温度、二次对接给进压力、压紧压力和给进时间等方法,以增强物料的熔融流动性,确保挤压给进量,防止给进不到位,使挤压熔融物尽可能都从型材内腔挤出,从而保证门窗的外形尺寸和焊接强度。

在生产80D框时,技术人员按如下流程进行了试验:

1. 采用有缝焊机和无缝焊机,按原焊接参数进行焊接试验对比(见表3);

2. 调整工艺参数后,再进行焊接试验对比(见表4);

3. 确定无缝焊机焊接的最佳工艺参数(见表5)。

从表3所列数据可以看出:在有缝焊接时,清角与否对最小焊接破坏力有影响,清角比不清角的最小焊接破坏力下降了约614N;提高焊接温度至265℃,压力至0.45MPa,可提高最小焊接破坏力约260N。在无缝焊接时采用有缝焊接的工艺参数,最小焊接力FC值下降了约1048N。

从表4所列数据可以看出:在压力不变的情况下,将无缝焊接的温度提高至一定额度,反而比减少时间焊接的最小焊接力FC值减少更多。这说明在一定的环境温度条件下,焊接温度有一个最佳值:不到这个值时随焊接温度提高,焊缝强度提高;超过这个限值,焊接强度即会降低。

从表5所列数据可以看出:将无缝焊机的焊接温度调整至265℃,压紧压力和给进压力分别提高0.05~0.1Mpa,焊接时间提高至40s,则最小焊接力FC值比有缝焊机焊接分别提高了1460~1538N。

由此可见,和有缝焊接相比,适当微调温度,提高压紧压力、给进压力和焊接时间等焊接参数,双色共挤塑料异型材的无缝焊接与原有缝焊接相比,其焊接强度不但不下降(验证原有缝焊接并非最佳参数),反而会大幅度提升,但同时其焊接效率也有所降低。

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