使用鈣鋅穩定劑生產PVC-U型材時遇到的問題及解決方法

張留網 朱慧偉 賴 萍 蔣華庭

(華之杰塑料建材有限公司，湖州，313200)

PVC是五大通用塑料之一，廣泛應用于工業、建筑、農業等領域。然而其本身存在著一些難以克服的缺點，即熱穩定性極差，其熱分解導致產品顏色變深，各項性能下降，需要使用熱穩定劑改善其熱穩定性。

目前中國市場上使用的大多為鉛鹽類穩定體系，其特點是：熱穩定效果高，電絕緣性好，有一定的耐候性，價格便宜。但由于其具有毒性，在人體內有累積效應，危害人體健康。2017年7月1日起，中國已實施了GB/T33284-2017標準，標準中規定了PVC-U型材中重金屬及兩類物質限量要求，其中鉛含量≤100 mg/kg，鎘含量≤100 mg/kg，六價鉻含量≤1000 mg/kg，汞含量≤1000 mg/kg,氯乙烯單體≤10 mg/kg，鄰苯二甲酸二（2-乙基）酯含量≤1000 mg/kg。

鈣鋅復合穩定劑是以鈣、鋅等金屬皂類和鹽類為主體，配以亞磷酸酯等其他助劑而生成的復合穩定劑，由于其不含有鉛、鎘等重金屬，是一種環保穩定劑。目前PVC-U環保型材的生產主要采用鈣鋅復合穩定劑，由于鈣鋅復合穩定劑是以硬脂酸鈣和硬脂酸鋅為主體，在PVC-U型材生產過程中，主要存在以下缺點：①生產過程中存在定型模入口處針狀析出 （噴霜）及第一節定型模軟析出，光澤度下降明顯，同時產品異性結構（皮條口）等生產穩定性變差；②出現定型模硬析出，影響產品表面質量，導致產品表面出現較多凹線；③鈣鋅產品生產中出現產品內腔熔接不好，易出現斷筋問題。一套模具采用鈣鋅體系生產型材，平均每48 h左右需要清理一次定型模和口模，開機和停機過程中產生了大量的廢料，造成了極大的浪費。

由于鈣鋅穩定劑中存在一定的潤滑成分，在型材擠出過程中，型材出口模時溫度較高，在200℃左右，進入定型模時，定型模的溫度為20℃左右，兩者的溫差相差較大，造成了潤滑成分的析出，析出物的產生影響了產品的表面平整度，當析出物過量時會堵塞真空口，對產品的成型造成了不良影響。

本文主要研究了如何在不改變產品原有性能的前提下，減少使用鈣鋅穩定劑生產PVC型材時口模產生的析出物，主要從原材料及生產工藝兩方面進行考慮，一種方案是采用低潤滑的鈣鋅穩定劑，一種方案是采用新的預冷卻工藝，比較不同配方或工藝的型材產品的性能以及生產時析出物的多少和模具的連續生產時間。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PVC，SG-5，新疆天業（集團）有限公司；輕質碳酸鈣，宣城銀魚鈣業有限公司；鈦白粉，南京鈦白化工有限公司；CPE，威海金泓高分子有限公司；ACR，泰州五一化工有限公司；鈣鋅穩定劑，江蘇聯盟化學有限公司；XJC-10B，落錘沖擊試驗機，承德市金建檢測儀器制造廠。

1.2 實驗儀器

錐形雙螺桿擠出機（65/120），上海巨遠塑料機械有限公司；試驗模具，HMST8202，銅陵中發三佳科技股份有限公司；CM-2300d，分光測色計，柯盛行（杭州）儀器有限公司；MN60型光澤度儀，天津其立科技有限公司；TG328A，分析天平，上海天平儀器廠；RM-200A轉矩流變儀，哈爾濱哈普電氣技術有限責任公司。

1.3 實驗配方

該試驗采用3種方案，其中：方案1為常用鈣鋅穩定劑正常工藝；方案2為低潤滑鈣鋅穩定劑正常工藝；方案3為常用鈣鋅穩定劑預冷卻工藝。實驗配方見表1。

表1 實驗配方Tab.1 Formulas of different experimental schemes 份

1.4 實驗設計

采用相同的配方，采用不同的鈣鋅穩定劑，一種為常用鈣鋅穩定劑，一種為穩定劑廠家特制的低潤滑鈣鋅穩定劑，比較不同方案生產的產品的顏色、光澤度、密度以及抗沖擊性能，同時比較分別采用正常工藝與預冷卻工藝時析出物的多少以及生產的持續時間。

預冷卻工藝，是在型材生產過程中，在模頭和定型模之間設立一個裝置，通過該裝置，在型材進入定型裝置前進行微冷卻，在定型裝置中不會造成驟冷后產生析出物現象。預冷卻裝置見圖1。

圖1 預冷卻裝置Fig.1 A planar graph of a precooling device

通過可控制水量的水管連接進水口，控制冷卻水進水量，可以控制微冷卻時的出水量，水管可以直接連接在定型臺的冷卻水出口上，直接利用現有設備；冷卻水出水裝置：通過寬度為0.2 mm的出水孔，對產品表面進行微冷卻，減少產品的表面析出。

2 結果和討論

2.1 實驗工藝比較

在相同擠出機上進行長期實驗，三種方案的螺桿轉速、加料轉速以及溫度設定都相同，3種不同方案生產時工藝見表2。

表2 實驗工藝Tab.2 Parameters of experimental schemes

由表2可以看出，三種方案中，溫度設定、喂料速度及螺桿轉速都相同，方案1和方案3由于采用了同種穩定劑，扭矩、熔溫及熔壓都一樣，方案2采用了低潤滑的鈣鋅穩定劑，扭矩升高，同時熔溫升高，熔壓升高。

取方案1和方案2的干混料各62 g，使用RM-200A轉矩流變儀進行混煉試驗，溫度設為180℃，試驗載荷為5 kg，試驗時間為330 s。兩種方案的流變曲線對比見圖2。

從圖2可以看出，低潤滑鈣鋅穩定劑體系比常用鈣鋅穩定體系塑化速度更快，扭矩更高，料溫更高。因此在擠出過程中，低潤滑鈣鋅穩定體系混合料塑化后在料筒里停留的時間過長，會導致混合料過塑，產品的顏色偏黃偏綠。

2.2 產品顏色比較

使用CM-2300D分光測色計對三種方案的產品的可視面進行顏色檢測，三種方案的產品顏色比較見表3。

圖2 方案1和方案2流變曲線Fig.2 Rheology cures of schemes 1 and schemes 2

表3 型材產品顏色Tab.3 Colours of products from three schemes

從表3可以看出，使用低潤滑鈣鋅穩定劑正常工藝進行生產時，產品顏色偏黃偏綠，與產品色相標準相差較大，與方案1和方案2流變曲線的對比結果相同，所有方案2需要在配料過程中另外添加硬脂酸、PE蠟等潤滑劑。

2.3 產品光澤度比較

使用MN60型光澤度儀對三種方案的產品的可視面進行光澤度檢測，檢測時數值取可視面三個不同地方的光澤度的平均值，三種方案的產品光澤度比較見表4。

表4 型材產品光澤度Tab.4 Glossiness of products from three schemes

從表4可以看出，采用低潤滑鈣鋅穩定劑正常工藝生產時，型材產品的光澤度會偏低，采用常用鈣鋅穩定劑預冷卻工藝，對型材產品光澤度影響較小。

2.4 產品密度比較

從三種方案的產品上取一小段，按照GB/T 1033.1-2008中的A法進行檢測，三種方案的產品密度比較見表5。

表5 型材產品密度Tab.5 Densities of products from three schemes

從表5可以看出，三種方案的產品密度相近，說明鈣鋅穩定劑的不同及工藝的不同不影響產品的密度，產品的密度與配方中添加的助劑的多少（如碳酸鈣、鈦白粉等）有關。

2.5 產品抗沖擊性能比較

由于生產的產品為美式型材，產品的抗沖擊性能檢測采用ASTM：D4226中的方法B進行檢測，檢測方法為：選用C125錘頭（錘頭頂部半球的半徑0.3175 cm，質量為8磅即3.6 kg），落錘高度為151×產品壁厚（mm），樣片寬度不小于20 mm，沖擊間距不小于25 mm，沖擊次數為10次，脆性破壞≤5次為合格 。實驗儀器為XJC-10B落錘沖擊試驗機。HSMT8202的壁厚為1.65 mm，落錘高度應為151×1.65=249 mm。三種方案的抗沖擊性能比較見表6。

表6 型材產品抗沖擊性能Tab.6 Impact resistances of products from three schemes

從表6可以看出，三種方案的抗沖擊性能相近，說明方案2和方案3的不同對產品抗沖擊性能影響不大，型材產品的抗沖擊性能主要與配方中抗沖改性劑（如CPE）的添加份數有關。

2.6 口模析出物的多少與生產持續時間比較

對三種方案生產產品的連續時間進行記錄，比較三種方案生產型材時口模的析出物的多少，口模析出物的多少與生產持續時間比較見表7。

表7 析出物與生產持續時間Tab.7 Educts and producing duration time of products from three schemes

從表7可以看出，采用低潤滑鈣鋅穩定劑可以有效減少析出物的產生，但由于穩定劑的性能比常用鈣鋅穩定劑差，連續生產會出現因生產不穩造成的堵模現象，所有方案2的生產持續時間略微提升；采用常用鈣鋅穩定劑預冷卻工藝，可以在確保產品性能及生產穩定性的基礎上大幅減少析出物的產生，同時大大提升了生產的持續時間。

3 結論

（1）采用低潤滑鈣鋅穩定劑正常工藝生產，可以減少生產時析出物的產生，生產持續時間可以略微提升，但產品的顏色比常規鈣鋅穩定劑生產時更綠更黃，產品顏色差異較大，需要添加適量的潤滑劑，生產成本比采用常用鈣鋅穩定劑更高，從生產穩定性及經濟的角度考慮，不予以采用。

（2）采用預冷卻工藝，可以在確保產品性能的前提下，明顯減少析出物的產生，同時明顯提高鈣鋅體系生產PVC型材時每套模具持續生產的時間，減少了清理定型裝置時產生的停機和開機廢料，減少了人力物力的浪費。該方案可以充分利用原有的生產設備，成本較低，從生產穩定性及經濟的角度考慮，都是最佳方案。

型材預冷卻工藝已通過專利審批，獲得實用新型專利授權。由于該技術的實施，可以用鈣鋅穩定劑取代鉛鹽穩定劑，避免了重金屬污染，滿足人們對健康的需求。析出物的減少為無鉛化進程提供了有力的保障。