UPVC宽辐共挤微发泡节能材料配方与工艺研究

Study on Formula and Process of UPVC Micro-foam Wide-radius Co-extrusion Energy-saving Materials

摘要

通过实验和生产线中试验证，成功开发耐候型微发泡共挤平衡融合配方工艺，保证高低温反复变化条件下共挤不分层。重点研发高控温精度的适用于聚氯乙烯多层共挤发泡板的大挤出量90平行双螺杆和55锥形双螺杆挤出机，并对共挤分配器的流道进行优化，设计上模唇间隙可调，模内设置限流棒，协调控制微发泡主机和共挤机，解决了共挤硬料和发泡料在分配器和模具内的均匀流动关键技术。还通过3组冷却定型板、8组冷却辊和2组牵引辊的三段式干式冷却定型改进，解决大宽辐、大厚度板材在线冷却的问题。可实现厚度8~20 mm可调、宽1 250 mm的发泡板材连续挤出，为同一共挤模具生产不同厚度的发泡板材提供了技术方案。

Abstract

Through experiments and production line pilot verification, the paper successfully developed a weather-resistant micro-foam co-extrusion balanced fusion formula process to ensure that the co-extrusion does not delaminate under repeated high and low temperature changes. The focus is on the development of high temperature control precision, large extrusion capacity 90 parallel twin screw and 55 conical twin screw extruders suitable for polyvinyl chloride multi-layer co-extrusion foamed boards, and the flow channel of the co-extrusion distributor is optimized. The upper die lip gap is designed to be adjustable, and a flow limiting rod is set in the mold. The micro-foaming main engine and the co-extruder are coordinated and controlled, solving the key technology of uniform flow of co-extruded hard materials and foaming materials in the distributor and mold. The three-stage dry cooling shaping improvement of three sets of cooling shaping plates, eight sets of cooling rollers and two sets of traction rollers has also solved the problem of on-line cooling of large-spoke and large-thickness sheet. It can realize continuous extrusion of foam board with adjustable thickness from 8 to 20 mm and width of 1 250 mm, which provides a technical solution for the production of foam board with different thicknesses in the same co-extrusion mold.

Graphical abstract

关键词

聚氯乙烯 / 宽辐共挤工艺 / 微发泡 / 节能材料 / 研制

Key words

UPVC / Wide radial co-extrusion process / Micro-foam / Energy-saving material / Research and development

聚氯乙烯(PVC)低发泡板材属于以塑代木新型材料，其密度、加工性能，外观、质地与天然木材很接近，又称合成木材，防火、防水、防蛀、隔音、耐腐蚀等性能又明显优于天然木材^[1]。我国每年建筑竣工几十亿立方米，如将所用木材中的1%~2%用发泡板材代替，就需要130万m³左右。随着国家保护森林资源政策的进一步深入以及人们对合成材料的认知提高，PVC可大举向家具制造、装潢装饰、广告材料进军，应用前景将更加广阔^[2]。

共挤是一种塑料挤出加工方式，是将两种材料通过不同流道输送给挤出设备加工出来的一种具有特定理化性能的产品工艺。采用的两种材料必须是性质相似或相同，不然会因为相容性较差造成结合不紧密。硬聚氯乙烯(UPVC)共挤发泡板材是以PVC树脂中加入适量发泡助剂，经挤出机采用多层共挤生产工艺成型制成的一种新型塑料板材。目前世界上广泛采用的共挤出工艺是利用两台挤出机同时向一个配料模头共挤出，其中一台挤出的PVC料在配料模头中分成两股熔融料流，这两股熔融料流形成板材的两个表层；而另一台挤出机将发泡PVC输入至同一配料模头中，处于两个表层中间，即为芯层。但是共挤出工艺还需要解决以下几个问题：无法避免不同型号PVC物料之间带来的融合性问题；普通冷却定型装置无法解决大宽辐、大厚度板材冷却问题；不同类型挤出机组、不同物料压力平衡问题^[3]。

根据PVC共挤发泡板材设定的技术指标，本项目研究的关键技术包含：耐候型微发泡共挤平衡融合配方；适用于PVC宽辐微发泡的双螺杆塑料挤出机及共挤出设备；适用于两种及以上大挤出物料的共挤融合成型技术；适合于宽辐PVC共挤发泡板成型的冷却定型及辅机生产工艺装备。

1 实验部分

1.1 主要原料

PVC，S-1000、S-800，硬脂酸，1801，半精炼石蜡，58号，中国石化齐鲁分公司；氯化聚乙烯(CPE)，135A，淄博龙威化学有限公司；丙烯酸酯共聚物(ACR，201)、丙烯酸酯共聚物(ACR，401)、发泡调节剂(LS-530)、发泡剂、偶氮二甲酰胺(AC，2002)，山东沂源助剂有限公司；稀土铅盐复合稳定剂(XT-1)、增塑剂、邻苯二甲酸二辛酯(DOP，9100)，江阴汇恒助剂有限公司；硅酸酯偶联剂，Si-40，广州龙凯化学有限公司；活性轻质碳酸钙，400目，连云港板铺碳酸钙厂；边角磨粉料，100目，自制。

1.2 仪器与设备

90平行双螺杆主挤出机、55锥形双螺杆共挤出机、冷却牵引切割辅机，项目组与上海杰瑞挤出系统工程公司联合研制；宽辐平模头，T-JC1250，浙江精诚精密设备有限公司；模温控制器，S-M-260，苏州奥德高端装备有限公司；分配器(JARI-F-90-55)、连接器(JARI-L-1250)，连云港杰瑞模具技术有限公司；检测设备，委托第三方江苏省产品质量监督检验研究院按国家推荐标准检测^[4]。

1.3 样品制备

图1为UPVC宽辐共挤微发泡材料研制流程。首先进行微发泡配方和共挤层配方的研制，然后研制共挤出模具和分配器、共挤出生产线，中试调试，修模调整工艺，最后制品经第三方机构检测。

1.4 性能测试与表征

共挤层与发泡层融合性：目测不分层，物料刚出口模，切10 cm长度，趁热手撕不剥离；用冰箱和电热鼓风烘箱，以-10、0、20、(60±2) ℃为4个温度点，目测是否分层。

表观密度测试：按照GB/T 6343—2009进行测试，取原板材厚度。

切割邵氏硬度(HD)测试：按照GB/T 2411—2008进行测试，测量结皮表面，取原皮层厚度。

拉伸强度测试：按照GB/T 1040.2—2022进行测试，1B型式样，取原板材厚度，拉伸速率(20±2) mm/min。

断裂伸长率测试：按照GB/T 1040.2—2022进行测试，取原板材厚度，拉伸速率(20±2) mm/min。

简支梁冲击强度测试：按照GB/T 1043.1—2008进行测试，取原板材厚度，I型式样，冲击结皮表面。

维卡软化点测试：按照GB/T 1633—2000 A₅₀方法进行测试。

加热尺寸变化率测试：按照GB/T 8811—2008进行测试，试验温度(60±2) ℃，时间2 h，试验结果取长、宽方向上的尺寸变化率值。

吸水率测试：按照GB/T 1034—2008进行测试，取原板材厚度。

弯曲强度测试：按照GB/T 9341—2008进行测试，按结皮面垂直方向，试验速率(20±2) mm/min。

握钉力测试：按照GB/T 17657—2022进行测试，取原板材厚度，垂直测量结皮面。

2 结果与讨论

2.1 原材料选择与配方分析

PVC是五大热塑型合成树脂之一，其制品是最早实现工业化的品种之一。由于PVC具有的较好的力学性能、耐化学腐蚀性和难燃性等特点^[5]，广泛应用于各个领域的塑料制品。随着PVC树脂聚合度的增加，其拉伸强度、冲击强度、断裂强度、断裂伸长率等力学性能均提高，但屈服强度降低。

表1为不同聚合度PVC树脂的熔融因数^[6]。从表1可以看出，在配方和塑化工艺相同条件下，随着PVC树脂聚合度的增加，物料的塑化时间逐渐延长，熔融因数逐渐降低，熔融因数越小，物料加工性能越差^[6]。

表2为UPVC宽辐共挤微发泡和共挤配方。根据PVC聚合度大小与物理性能和加工性能的对应关系，本项目UPVC共挤表层配方以PVC S-1000为主，加入稳定剂、抗冲改性剂、加工助剂、内外润滑剂、填料等，以提升板材的整体机械性能；发泡芯层配方以PVC S-800为主，加入发泡剂、发泡调节剂、稳定剂、加工助剂、内外润滑剂、填料、回收切边料等，以提升加工性能。此配方要求保证挤出系统的压力平衡和不同物流的融合。

PVC挤出发泡过程为：将物料混合均匀，由料斗定量加入螺槽，由螺杆动力向前输送，机筒的加热作用和螺杆的剪切作用使物料塑化熔融，而其中的发泡剂在此温度条件下分解产生气体，溶于熔体中。从螺槽到口模型腔截面积逐渐减小，因而在螺杆动力作用下形成一定的背压，使发泡剂分解产生的气体能够存留于熔体中，形成许多密布的发泡中心。当熔体离开口模时，外界压力突然降低，溶解的气体迅速膨胀形成气泡，从而得到发泡制品。

实验表明，发泡剂用量过小，发泡效果不明显，随着发泡剂用量增加，发气量增加，制品密度下降，当用量处在某一值时，PVC制品密度较低，且表面光滑，但随AC用量继续增加时，制品表观质量下降，其他性能也受影响^[7]。

试验过程中，发现的最大问题是共挤层与发泡层分层，产生大泡，两边共挤层超厚或不足，调整工艺温度和挤出量不能完全解决问题，之后在共挤料中引入硅酸酯偶联剂能够解决此问题^[8]。在共挤配方中分别增加0~4质量份偶联剂，观察挤出融合情况，并测试表观密度，表3为偶联剂质量份效果对比。

从表3可以看出，共挤配方中增加两份硅酸酯偶联剂时，表观密度适中，共挤层均匀，发泡芯层与共挤表层融合良好，解决了压力平衡和融合问题。

2.2 模具选择与设计

宽辐共挤模具主要由共挤分配器和平模头两大部分组成，优化流道设计^[9]，使共挤材料包覆在发泡芯层上下两面，并能达到板材厚度可调及发泡均匀要求。

2.2.1 分配器设计

熔体分配器作为复合共挤系统的关键部件，能够将熔融的树脂材料制成片材，然后将几个独立的片状以三明治结构经挤出模头的流道挤出成为宽辐的板材制品^[10]。

针对PVC共挤发泡板材的材料特点，根据标准板规格情况进行设计，采用模块组合式结构，各层熔体通过一组内嵌镶块形成的组合流道最终复合为一体，这种结构具有易于清洗、可拆卸的特点。根据PVC共挤发泡板材A-B-A的挤出层数，设计定制专用于三层以下制品生产的分配器流道，通过调整镶块可以将共挤层数由3层变为2层。图2为宽辐共挤分配器外形图和内部流道。

2.2.2 平模头设计

平模头也作为复合共挤系统的关键部件，能够使共挤物料经过熔体复合分配器的流道挤出后，能够根据所需生产的制品规格分配成特定厚度与宽辐，其主要部件有上模、下模、模唇和调节螺钉等^[11]。

(1)平模头模唇设计。

平模头出口分为上下模唇，考虑到超重模具调试与安装稳定性，设计的平模头下模唇为固定结构，固定在模具车或模具固定台上，由上模唇来调节模唇的开口大小生产不同厚度的产品。图3为宽辐共挤模唇调节装置。从图3可以看出，可将上模唇紧固螺丝松口，但不能卸下，拧至松动即可，然后调节调节螺丝将模唇开口调节至合适大小，最后将紧固螺丝拧紧。当然模唇的调节尺寸有限，一般在设计尺寸的±0.5 mm范围是可调的，再结合发泡材料出模唇后快速膨胀发泡的特性，本系统设计了衣架式模头，适合PVC发泡板工艺要求，宽度L=1 350 mm，3种厚度的模唇来实现8~20 mm厚的共挤发泡板材的共线生产。

(2)平模头节流棒设计。

平模头节流棒调节机构基于推拉式原理，逆时针调节将使节流机构闭合(熔体流量变小)，节流棒的调节主要用于从中心到两端控制流量，以确保熔体在进入模唇前得到理想的平衡流量^[12-13]。一般来说，模唇调节螺丝用于制品厚度的细调，调节前应先调整节流棒状态，然后调整调节螺丝使模口达到设定的初始开度值。图4为宽辐共挤平模头节流示意图。

经中试调试优化，增加模具温度控制器，对发泡温度进行有效控制^[14]，表4为宽辐共挤微发泡模具技术参数。

2.3 共挤出机及冷却成型设备的选择与设计

2.3.1 宽辐共挤设备的选择与设计

共挤层采用的共挤配方和芯层采用的发泡配方加工差异较大，无法避免不同型号PVC物料之间带来的融合性问题，虽然共挤发泡板材技术已取得较大发展，但在板材的制品质量方面仍存在缺陷。在国内，关于硬质材料的挤出，锥形双螺杆发展最为成熟，而发泡、薄膜、片材方面等却是平行双螺杆发展较好^[15]。因此，根据PVC S-800和PVC S-1000等物料的塑化、发泡特点，针对共挤表层的硬度要求特设计锥形双螺杆挤出机挤出PVC S-1000物料；针对芯层的发泡要求特设计平行双螺杆挤出机挤出发泡效果较好的PVC S-800物料。

双螺杆挤出机的结构尽管与单螺杆挤出机很相似，但工作原理不同。在双螺杆挤出机中，物料由加料装置加入，经螺杆作用到达机头口模。在这一过程中，物料的运动情况因螺杆的啮合方式、旋转方向不同而不同，主要分为非啮合型双螺杆挤出系统、啮合型同向旋转双螺杆挤出系统和啮合型异向旋转双螺杆挤出系统^[16]。由于非啮合型双螺杆挤出系统、啮合型同向旋转双螺杆挤出系统等两种系统的螺杆推料能力或自清洁能力不足，无法适用于本系统需要，本文不阐述其工作原理。在啮合型异向旋转的双螺杆挤出中，两根螺杆是对称的，由于回转方向不同，一根螺杆上物料螺旋前进的道路被另一根螺杆的螺棱堵住，不能形成“∞”字形运动。在固体输送部分，物料是以近似的密闭“Ｃ”形小室的形态向前输送。但为了使物料混合，设计中将一根螺杆的外径与另一根螺杆的根径之间留有一定的间隙量，以便使物料能够通过。物料通过两螺杆之间的径向间隙时，受到强烈的剪切、搅拌和压延作用，因此，物料的塑化比较好。由于两螺杆的径向间隙比较小，因此，有一定的自洁性能。所以本系统的两台挤出主机均采用啮合型异向旋转双螺杆挤出系统^[17]，当然由于物料性质的不同分别采用了平行双螺杆挤出芯层和锥形双螺杆挤出表层。图5为90平行双螺杆挤出机挤出微发泡芯层，图6为55锥形双螺杆挤出机挤出共挤层。

经测算，包覆共挤面积与基体面积比约为1∶7。按90平行双螺杆挤出机挤出量380 kg/h计算，共挤量约需55 kg/h，需55双螺杆及以上挤出机才可实现。考虑安装性，共挤机必须由连接器与分配器连接，但垂直的连接器与大宽辐的板材模具在位置上存在干涉，且直角流道容易糊料，所以设计一个非常规角度的连接器解决安装位置问题。异形连接器的设计延长了物料的流道。为了保证物料的流动性，必须加设加热装置，保证物料不因流道的加长而提前塑化。图7为宽辐共挤异型角度的连接器。

2.3.2 宽辐共挤冷却定型工艺分析

对于宽度大于1 200 mm、厚度高达20 mm的共挤发泡板材，采用某一种单一冷却定型设计难以通过水冷却达到板材的冷却定型。在线热量的计算公式为：

Q_放=C×M×(T₂-T₁)(1)

式(1)中：Q_放为熔体的放热量，kJ；C为熔体比热容，kJ/(kg·K)；M为熔体质量，kg；T₂为熔体温度，K；T₁为室温，K。

按共挤板材最大宽度1 250 mm，最大厚度20 mm，表观密度0.8 g/cm³，挤出速率1 000 mm/min，PVC发泡熔体比热容1 170 kJ/(kg·K)，熔体温度168 ℃，室温20 ℃计算，则由式(1)可知：Q_放=C×M×(T₂-T₁)=1 170×12.5×2×10×0.8×(168-20)/1 000=34 632 kJ。

通过计算可知，大截面共挤发泡材料每分钟出口模热量高达34 632 kJ，对冷却要求高，针对此问题本项目对板材的牵引装置进行冷却改进，采用3组冷却定型板、8组冷却辊和2组牵引辊等三段式干式冷却定型，并配合加长的空冷架，在不降低生产速度的前提下，解决大宽辐、大厚度板材的在线冷却问题。

(1)冷却定型板。

冷却定型装置主要用于安装上、下冷却模板，该装置上装有真空管道和冷却水管道，另装有一套较为先进的液压系统，此系统采用变量泵输出，并带有蓄能器组件。下模板为固定式，上模板的开合由液压油缸驱动，当上模板压紧并定位时，油泵处于小排量保压状态，而蓄能器既可保压、吸震，又能实现上模板的快速开合^[18]。

真空冷却定型板模具的机架下面装有滚轮和导轨，通过液压油缸的升缩，使相互固定的真空定型机、钢辊牵引机、空冷架一起实现前后移动。在真空定型机上还设有距离可调节的拉杆，在正常挤出时可与模具安装架相对固定。

(2)冷却辊。

8组冷却牵引辊直径250 mm，牵引辊材料采用优质合金钢经热处理制造，表面镀硬铬，辊筒内部通冷却水进行冷却^[19]。辊筒的开、闭采用气缸，由电磁阀分组控制，牵引辊最大线速率4 m/min，牵引机采用交流变频电机驱动，发泡板材厚度小于12 mm时，可悬空几组冷却辊。

(3)空冷架。

加设一个滚动的长10 000 mm、宽1 500 mm的铝合金材质辊式自然冷却架，延长牵引长度，在其他冷却方式运行后自然风冷，同时起到共挤发泡板时效处理的作用。

(4)集成可编程控制器(PLC)联动控制。

PLC是基于可编程控制器按照使用要求编制程序来自动控制一个系统的工作^[20]。本项目将挤出主机、共挤机、共挤分配器、共挤板模头、预定型辊、冷却定型装置、冷却输送架、覆膜机、四辊牵引机、宽度切割机、长度切割机、输送台、堆垛台等电气设备通过PLC控制系统集成到控制柜并通过电子显示器显示出来，实现工艺的集成联动控制，减少了废品率。

表5为辐共挤微发泡板材检测指标。从表5可以看出，按本文研制的配方、模具、挤出机及辅所机生产的PVC共挤发泡节能板材，经江苏省产品质量监督检验研究院检测，性能指标优于国家标准。该PVC共挤发泡节能板材现已在装饰行业应用，反映良好。

3 结论

成功开发耐候型微发泡共挤平衡融合配方，使PVC微发泡连续挤出密度在0.5~0.8 g/cm³，既保证高低温反复变化条件下不分层，又保证共挤层不干涉发泡层泡孔增长的平衡融合的配方工艺，并可直接印刷、覆膜和热转印。重点研发了高控温精度的适用于生产PVC多层共挤发泡板(厚度8~20 mm 可调，宽1 250 mm)的90平行双螺杆和55锥形双螺杆挤出机，提高了宽辐发泡板材的尺寸精度和稳定性。通过分配器特殊流道将不同挤出机塑化的物料均匀分层后通过模具融合挤出，在平摸头设有调节螺栓和阻流棒，解决了硬料和发泡料在分配器和模具内的均匀流动不热分解的共挤成型融合问题；对板材的定型装置进行冷却改进，实现3组冷却定型板、8组冷却辊和2组牵引辊组合的三段式干式冷却定型，在不降低生产速度的前提下，开发的冷却定型及辅机生产线，解决大宽辐、大厚度板材的在线冷却问题。

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