硬質 PVC 結皮發泡板的加工工藝研究
硬質 PVC 結皮發泡板的加工工藝研究
引 言
硬質 PVC 結皮發泡板是以聚氯乙烯（PVC）為主要原料，經過特殊發泡工藝制成。它作為以塑代木的典型新型化學建材產品之一，由于其密度內部有細微泡孔結構，表面類似于天然木材，是一種十分理想的綠色環保建筑裝飾材料，可廣泛應用于車船制造、家具、廚衛材料、裝飾裝修等行業，市場需求量大 ［ 1-2 ］ 。國內對硬質 PVC 低發泡的管材和型材生產線及微發泡或自由發泡板生產線的研究較為深入，但對專用硬質 PVC 結皮發泡板的配方、工藝、設備的研究相對較少。由于工藝隨物料、擠出機、模具的變化而變化，物料不同，擠出機規格與螺桿結構不同，擠出的型材規格與形狀不同，所采取的工藝調整方法有很大區別。硬質 PVC 擠出過程本身的復雜性決定了實現結皮發泡成型的困難性，PVC 結皮發泡板材質量與螺桿轉速、擠出溫度、擠出壓力及機頭、口模、冷卻定型模結構等多種因素有著直接關系。因此要獲得良好性能的硬質PVC 板材，必須有先進的板材生產線設備及合適的結皮發泡加工工藝。
1 硬質 PVC 結皮發泡板生產工藝流程及設備
1.1 生產工藝流程
硬質 PVC 結皮發泡板生產工藝流程如下：PVC 樹脂+助劑→高速混合→低速冷混→錐雙螺桿擠出→口模賦形（結皮發泡）→冷卻定型→多膠輥牽引→切割制品→收集檢驗。生產的硬質 PVC 結皮發泡板制品規格為 1 220 mm×2 440 mm，制品厚度為 8～32 mm。
1.2 生產線布置
新研 制 的 硬 質PVC 結皮發泡板材生產線。該生產線的核心部件是擠出機、模具、冷卻定型裝置、牽引切割裝置及控制系統。擠出機系統采用 SJZS-80 型異向錐形雙螺桿擠出機，機筒、螺桿、動力傳動系統設計符合工藝特點，擠出量大，物料剪切均勻，擠出效率高；模具系統采用結皮發泡板專用衣架式流道結構模具，可調模唇，使物料擠出發泡均勻并適應不同厚度的板材；冷卻定型系統采用 4組壓板式結構，氣壓系統控制，使板材尺寸精度控制簡便；冷卻系統設計的管路使板材冷卻更加均勻和定型快速；牽引切割系統采用輥筒式組合牽引機，使牽引力測量調節簡便，輥筒牽引機與寬幅切割機電氣同步控制，使板材切口平直。生產線采用擠出機組全線聯機智能控制，以PLC 系統為主要控制手段，利用溫度和壓力等傳感器與高精密的氣動控制系統聯合實現壓力、溫度等參數的閉環反饋控制，實現過程參數的精密控制。
2 硬質 PVC 結皮發泡板生產工藝參數的設置
2.1 硬質 PVC 結皮發泡成型原理
硬質 PVC 發泡制品利用化學發泡劑發泡成型。發泡劑與其分解氣體在熔體擠出口模前溶于熔體，擠出口模后，熔體內壓力溫度下降，使溶于熔體的氣體過飽和而發生相分離，形成大量微泡孔而發泡，表層氣泡在冷卻定型模的急劇冷卻作用下來不及膨脹就被固定下來，在表面形成密度較高且光潔的結皮層，從而生產出結皮發泡板。低發泡成型工藝有自由發泡、向內發泡與受限發泡、共擠發泡 4 種工藝 ［ 3 ］ 。本文介紹的硬質 PVC 結皮發泡板材采用受限發泡工藝，如圖 2，熔體從衣架式口模 1 離開自由發泡，隨后導入與口模尺寸相近的冷卻定型模 2，立刻在板材表面強制冷卻，壓制板材表面區域發泡（即結皮），獲得表面相對堅硬的發泡半成品，經過冷卻區后由牽引裝置牽引進入壓輥裝置，為補償板材后續的冷卻收縮，冷卻定型裝置尺寸大于板材厚度約 1%，按冷卻定型模冷卻強度不同，板材結皮厚度控制在 0.1~1.0 mm 之間變化。
2.2 工藝參數的設置
硬質 PVC 結皮發泡板的擠出加工工藝條件比常規的 PVC 管材和型材的加工條件苛刻得多 ［ 3 ］ 。硬質 PVC結皮發泡擠出工藝的關鍵是發泡劑的分解與成核，氣泡的成長與固定等過程與 PVC 熔體的塑化與成型過程相適應。需要嚴格控制螺桿轉速、擠出溫度、壓力等來實現，同時還跟機頭、口模、定型模結構有密切關系。
2.2.1 混合工藝
由于異向雙螺桿擠出機的混合混煉功能弱，因此在擠出之前要設置配料、熱混、冷混料工序。本生產線采用SRL-Z 系列熱冷混合機組進行混料。物料的混合工序是十分重要的，物料混合質量的優劣將直接影響著擠出成型過程及板材外觀與內在的質量。物料混合溫度過高或過低，會導致物料提前分解或塑化不良。因此混料程序和溫度的控制是混合工藝的關鍵。一般生產投料順序為 PVC、穩定劑、內潤滑劑、加工助劑、填料、外潤滑劑、鈦白婁。投入量
約為熱混筒有效容積的 60%，高速熱混溫度控制在 110～120℃范圍內進行 5～10 min，冷卻混合水溫在 15～20℃以下，冷混的物料 5～10 min 后在 35～40℃時從混合機放出。
2.2.2 擠出工藝
1）擠出溫度。為獲得泡孔致密均勻、表面平整光潔的硬質 PVC 結皮發泡板材，在生產中應嚴格控制各區間的溫度。如果機筒和螺桿溫度過高，物料容易提前發泡造成熔體破裂，板材表面粗糙；如果溫度太低，物料塑化不完全，板材表面不平整；過渡體和模唇的溫度應低于擠出溫度，但溫度太低會使熔體溫度過低而失去彈性被拉斷，溫度過高會使熔體強度和彈性降低，泡孔破裂，板材表面產生空洞缺陷。物料擠出一般都經過加熱、恒溫和保溫 3 個過程。加
熱區在擠出機排氣口的前部（即一區輸送段和二區壓縮段）；恒溫區則在排氣口后部（即三區排氣段和四區計量段）；保溫區主要由機頭、過渡體和口模組成。物料在加熱區需要較大的熱量，該區溫度的設定應稍高一些，以滿足
迅速補充熱量并使機筒溫度環境保持穩定的要求；恒溫區由于螺桿對物料的剪切和壓延產生的內熱超過物料的需要，故該區一般設置加熱與冷卻雙向溫度控制裝置，用以控制機筒的溫度保持恒定，保證物料的正常塑化與擠出成型。物料經過恒溫區后已呈完全塑化狀態，該區內熱已不存在，為建立熔體壓力需要設置加熱片補充外熱。產品試制發現，適合硬質 PVC 結皮發泡板材生產的各區溫度：擠出機一區（155±5）℃、二區（165±5）℃、三區（170±5）℃，四區（180±5）℃；過渡體（170±5）℃；口模（175±5）；模唇（175±5）℃；冷卻定型裝置一區恒溫控制，二三四區冷卻控制，模具各區冷卻溫度控制在 5～40℃。
2）擠出速度及滯留時間。生產實踐表明，螺桿轉速與板材的擠出產量成正比，與板材的密度成反比。螺桿轉速越高，擠出速度快，熔體溫升過快增加工藝控制的困難，但發泡程度均勻，制品表面質量好；相反，螺桿轉速過低，擠出速度慢時，會使熔體塑化不良降低生產效率，同時靠近模唇口發泡使板材表層粗糙。另外板材質量還受到物料在擠出機筒和口模內滯留時間的影響，滯留時間太短，發泡劑分解不夠，板材密度過大；滯留時間太長，容易發泡過度板材力學性能降低。螺桿轉速應根據結皮發泡的不同工藝方法而定，需要綜合考慮設備的使用要求和板材的冷卻鋸切時間，螺桿轉速和擠出速度根據板材厚度設置不同，一般不超過 4 m/min。本生產線的 20 mm 板材擠出速度為 0.65~0.7 m/min。
3）擠出壓力。板材發泡成敗的關鍵在于擠出壓力控制是否合適。螺桿轉速、熔體溫度及口模內流道的長短和壓縮比對擠出壓力都有很大影響。螺桿轉速增加使熔體擠出壓力升高，可以減小泡孔直徑增加氣泡數量，有利于發泡過程。另外物料塑化良好時，口模壓力和電流都比較穩定；而物料塑化不良時，口模壓力波動提高，電機電流增大且不穩。在實際生產中，通常將主機電流和口模壓力的變化作為判斷擠出溫度控制是否適當的重要依據。
2.2.3 機頭口模及冷卻定型模具結構
機頭口模的流道結構直接影響著制品的發泡倍率和擠出均勻性，進而影響制品的質量。本生產線生產寬幅硬質 PVC 結皮發泡板材，采用衣架式擠出機頭結構，機頭內部流道組成如圖 3，由歧管區、扇形區、阻流區和模唇區組成，
熔體流入歧管后，被歧管均勻分配到整個扇形區內，保證料流在進入模唇區時的同向性，同時為控制口模中熔體的壓力，設置阻流區降低熔體壓力，保證料流速度的一致。流道各部分長短設計應滿足特定壓縮比要求，保證物料不會發泡過度。
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板材加工時，由于冷卻定型模的結構尺寸調整成與機頭口模的相同尺寸，故結皮發泡制品的密度和結皮層厚度取決于自由發泡受限程度，需要適當調節冷卻定型模和口模之間的距離、擠出速度與定型牽引速度的比值及定型模的冷卻強度。
3 PVC 結皮發泡板材的力學性能
通過對生產過程中的擠出溫度、機頭壓力、螺桿轉速等工藝條件的嚴格控制，采用新研制的生產線生產的硬質PVC 結皮發泡板材經過測試，具有以下性能：平均密度為（0.45～0.55）×10 3 kg/m 3 ，板材拉伸強度≥8 N/mm 2 ，沖擊強度≥8.5kJ/m 2 ，表面邵氏硬度≥A60。性能符合 Q/STNY 001-95 質量要求，達到了國外同類產品水平。
4 結 語
本文利用新開發的硬質 PVC 板材生產設備，研究擠出溫度、擠出速度、滯留時間、擠出壓力及機頭口模及冷卻定型模具結構等因素對擠出工藝的影響，設置了優化的結皮發泡加工工藝參數，從而生產出具有優良性能的PVC 結皮發泡板材。
作者：胡曉珍 浙江海洋學院
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