合成木材

1 　前言

硬質(zhì)聚氯乙烯(簡稱PVC —U) 微發(fā)泡擠出材料具有與木材相類似的“微泡”組織結(jié)構(gòu), 泡孔尺寸0.1μm～10μm。其外觀和性能與天然木材極為相似且優(yōu)于木材, 素有“合成木材”之美稱。自20 世紀(jì)末以來, 在發(fā)達(dá)國家建材市場(chǎng)上發(fā)展迅猛, 是很具競(jìng)爭力的新材料之一[1 ] , 一些發(fā)展中國家已經(jīng)或正在把該項(xiàng)技術(shù)列為科技攻關(guān)和發(fā)展的前沿技術(shù), 并逐步推廣應(yīng)用[2 ] 。微發(fā)泡擠出生產(chǎn)的各種異型材和板材, 如仿木地板、護(hù)墻板、頂板、汽車用板、船舶用板等是該產(chǎn)品系列中的典型產(chǎn)品。它們是以PVC 樹脂為主要原料,加入適量的穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑, 利用改進(jìn)型的普通單螺桿擠出機(jī)和專用發(fā)泡模具, 一次性擠出木紋結(jié)皮微發(fā)泡板材或自由發(fā)泡板材。仿木紋結(jié)皮微發(fā)泡擠出是20 世紀(jì)末開發(fā)出來的一種新技術(shù), 發(fā)泡、結(jié)皮、仿木紋一次成型。我國有關(guān)科研單位相繼開發(fā)并推廣應(yīng)用[3 ] , 產(chǎn)品性能已達(dá)到世界先進(jìn)水平。

2 　特性和應(yīng)用

2.1 　板材的優(yōu)點(diǎn)

通過改變擠出模具、選用不同的發(fā)泡工藝(結(jié)皮發(fā)泡工藝或自由發(fā)泡工藝) , 可開發(fā)出各種PVC 微發(fā)泡異形板材, 結(jié)皮厚度為0.3mm～1mm , 發(fā)泡倍率小于5 , 表面堅(jiān)硬耐磨, 木紋逼真, 可免涂油漆。

(1) 節(jié)約原材料、成本低　微發(fā)泡板材的密度為0.4g/ cm3～0.7g/ cm3 , 為普通PVC 板材的25%～50%。單位體積耗料少, 價(jià)格低, 符合當(dāng)今世界節(jié)能、節(jié)材的要求。

(2) 強(qiáng)度高、壽命長　由于微孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,保證了材料的力學(xué)性能, 微發(fā)泡無殘余應(yīng)力, 產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性好, 耐壓, 沖擊性能明顯增強(qiáng), 克服了普通PVC 制品易破損、木材強(qiáng)度低的缺陷, 使用壽命可達(dá)30 年以上。

(3) 優(yōu)良的物理化學(xué)性能　該材料具有耐腐蝕、耐濕、阻燃、隔熱、絕緣等獨(dú)特的性能, 應(yīng)用領(lǐng)域廣。

(4) 易二次加工　該材料可根據(jù)不同用途加工成各種規(guī)格, 施工方便、快捷、費(fèi)用低。易進(jìn)行粘結(jié)、鋸、刨、鉆、削等二次加工。

(5) 節(jié)能、環(huán)?！〔捎脽o毒配方和非液體助劑,產(chǎn)品基本上無揮發(fā)物, 屬于綠色環(huán)保型材料。以塑代木, 節(jié)約森林資源, 使用l m3 發(fā)泡板材可以節(jié)約1.7m3 圓木, 有利于維護(hù)生態(tài)平衡。

2.2 　板材的主要性能

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試, 結(jié)果都達(dá)到或超過表1 中的測(cè)試指標(biāo)。

2.3 　板材的應(yīng)用

微發(fā)泡板材具有優(yōu)良的特性, 可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)裝飾, 作為包裝材料及配電房、汽車、船舶用板以及公共場(chǎng)所地板等。

3 　生產(chǎn)工藝及設(shè)備

3.1 　生產(chǎn)工藝流程

[ PVC] + [ 發(fā)泡劑] + [ 穩(wěn)定劑] + [ 其他助劑] →[高速混合] →[微發(fā)泡擠出] →[真空定型] →[冷卻] →[牽引] →[切割] →[堆集]

3.2 　生產(chǎn)設(shè)備及參數(shù)

高速混合機(jī)　　SH —200L北京建成橡塑機(jī)械廠

冷攪拌機(jī)　　　500L　　日本川田

造粒機(jī)　　　　SJ —90　　無錫塑料機(jī)械廠

發(fā)泡擠出機(jī)　　SJF80 ×24　　北京建城橡塑機(jī)械廠

真空成型機(jī)　　JCD —5000　　北京建城橡塑機(jī)械廠

牽引機(jī)　　　　SCQS —1450　北京建城橡塑機(jī)械廠

自動(dòng)切割機(jī)　　JCJH —300北京建城橡塑機(jī)械廠

3.3 　板材截面形狀

4 配方設(shè)計(jì)

4.1 　樹脂的選擇

根據(jù)產(chǎn)品的特性、擠出機(jī)的加工行為、泡孔穩(wěn)定性、物料的粘度對(duì)制品物理機(jī)械性能的影響,選擇適合微發(fā)泡的PVC 原料。經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定PVC —S700 作為硬質(zhì)PVC 發(fā)泡擠出的基礎(chǔ)原料,其發(fā)泡行為穩(wěn)定,泡孔結(jié)構(gòu)好。

4.2 　發(fā)泡劑及對(duì)制品的影響

AC 發(fā)泡劑與PVC 相溶性及分散性好,發(fā)氣量大,分解速度快,適合結(jié)皮或自由發(fā)泡工藝。分解時(shí)放出熱量易使周圍熔體粘度下降而發(fā)泡。一般用量為0.2 %～1.0 % ,選擇0.3 %～0.6 %為宜。用量過多因發(fā)氣量過大,易引起表面凹坑或凸泡,影響外觀質(zhì)量,降低產(chǎn)品的綜合性能。反之,用量過低,則不能起到微發(fā)泡效果,使制品成本上升。

4.3 　發(fā)泡助劑與穩(wěn)定劑

經(jīng)DSC 測(cè)試,AC 發(fā)泡劑的原始分解溫度為195 ℃～220 ℃,需要配以發(fā)泡助劑,降低分解溫度(l60 ℃～l70 ℃) ,使其與PVC 擠出溫度相近。為保證PVC 的熱穩(wěn)定性,PVC 發(fā)泡體系需要更多的穩(wěn)定劑用量。本配方采用PVC 穩(wěn)定劑和發(fā)泡助劑為一體的復(fù)合穩(wěn)定體系。目前,有兩種復(fù)合體系,即稀土類和鉛鋇鹽類復(fù)合穩(wěn)定體系。稀土類無毒復(fù)合穩(wěn)定劑在我國已得到廣泛應(yīng)用[4 ] 。因此選用無毒或低毒的稀土類穩(wěn)定劑和發(fā)泡助劑體系,符合環(huán)保要求。

4.4 　泡孔調(diào)節(jié)劑

為了提高PVC 混合料的熔體強(qiáng)度及延伸性,穩(wěn)定地控制發(fā)泡過程,采用泡孔調(diào)節(jié)劑,使發(fā)泡時(shí)氣體向外膨脹的壓力與泡孔壁熔體強(qiáng)度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,有利于形成細(xì)小的泡孔。泡孔調(diào)節(jié)劑還能調(diào)節(jié)熔體粘度,從而有效控制制品的微發(fā)泡結(jié)構(gòu),將密度控制在0.7g/cm3 以下,實(shí)驗(yàn)證明選用ZB —530 作為泡孔調(diào)節(jié)劑具有較好的功效。

4.5 　填充劑與成核劑

CaCO3 既為填充劑又可作為發(fā)泡成核劑,加入適量CaCO3 有利于改善制品的表面質(zhì)量,有助于形成均勻的泡孔并保持泡孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[5 ] 。過量填充會(huì)使沖擊強(qiáng)度下降。用量過少或不加成核劑,在發(fā)泡過程中只有少量的氣泡而且氣泡會(huì)迅速增大,引起泡孔不均而影響產(chǎn)品質(zhì)量。CaCO3 用量為5phr～10phr (質(zhì)量份，下相同)。

4.6 　配方設(shè)計(jì)

根據(jù)反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定PVC 微發(fā)泡板材的基礎(chǔ)配方如下(phr) :PVC—S700,100; ZB—530,5～7; AC,0..3～0.6; CPE,2～4; 復(fù)合穩(wěn)定劑,FPX(或RCE),6～8; PE蠟,0.2～0.5; CaCO3 (600 目),5～10。

5 　工藝條件對(duì)制品性能的影響5.1 　原料的混合和造粒

將經(jīng)過計(jì)量的原料投入高速混合機(jī)進(jìn)行捏合,為防止提前發(fā)泡,攪拌溫度一般控制在l00 ℃～110 ℃。各種助劑與PVC 混合均勻后,放到冷攪機(jī)中冷卻至室溫,出料備用。造粒是生產(chǎn)中非常關(guān)鍵的工序,要求物料基本塑化但不提前發(fā)泡。提前發(fā)泡的粒料會(huì)影響泡孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、制品的密度及其綜合性能。造粒擠出機(jī)螺桿結(jié)構(gòu)與普通擠出機(jī)螺桿有所不同,壓縮比在2.5 左右。擠出溫度在130 ℃～150 ℃,在操作中由于摩擦熱的產(chǎn)生,實(shí)際造粒過程要觀察其粒料的外觀進(jìn)行調(diào)整。

5.2 　擠出工藝條件對(duì)制品性能的影響5.2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)制品性能的影響

在硬質(zhì)微發(fā)泡PVC 型材擠出時(shí),螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)溫度產(chǎn)生影響,而溫度的高低很大程度上影響著微發(fā)泡型材的物理性能。螺桿轉(zhuǎn)速越高,摩擦熱越大,溫度上升加快,給工藝控制帶來困難;相反,螺桿轉(zhuǎn)速過低,摩擦熱小,可避免物料過熱分解,但對(duì)熔融塑化不利,還會(huì)降低生產(chǎn)效率。因此在相同配方下,微發(fā)泡型材的擠出產(chǎn)量與螺桿轉(zhuǎn)速成正比。不改變其他條件,只適當(dāng)加快螺桿轉(zhuǎn)速,結(jié)果微發(fā)泡板材的密度隨轉(zhuǎn)速加快而降低。如果螺桿轉(zhuǎn)速適當(dāng)降低,其密度會(huì)明顯上升。實(shí)驗(yàn)表明,生產(chǎn)微發(fā)泡板材的螺桿轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)結(jié)皮發(fā)泡和自由發(fā)泡的不同工藝方法而定,擠出速度一般不超過4mPmin ,即螺桿轉(zhuǎn)速為5rPmin～12rPmin。

5.2.2 擠出溫度與微發(fā)泡效果的關(guān)系

生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)微發(fā)泡產(chǎn)品的關(guān)鍵是應(yīng)注意發(fā)泡物料的加工行為,控制適宜的加工溫度。在擠出發(fā)泡中要求熔體的行為、發(fā)泡劑的分解程度與泡孔的形成相適應(yīng)。這可通過嚴(yán)格控制擠出成型溫度來實(shí)現(xiàn)。不改變發(fā)泡劑的用量,適當(dāng)提高溫度,熔體中氣體的溶解度就增加,可促進(jìn)泡核的增長。但溫度過高會(huì)使熔體強(qiáng)度降低,導(dǎo)致不規(guī)整泡孔的產(chǎn)生或泡孔塌陷。理想的機(jī)筒溫度是在均化段使大部分發(fā)泡劑分解。如發(fā)泡劑在機(jī)筒中過早分解,物料不能全部包裹發(fā)泡氣體,部分氣體從低壓區(qū)逃逸。

熔體通過機(jī)頭和口模,其流速隨壓力和溫度變化易出現(xiàn)波動(dòng),導(dǎo)致型材厚薄不均。機(jī)頭和口模溫度的控制原則為: (1) 適當(dāng)?shù)臏囟饶馨讶劢獾臍怏w繼續(xù)保持在熔體中(在一定的壓力下) ; (2) 恰當(dāng)?shù)臏囟日{(diào)節(jié),能保證熔體在型腔中穩(wěn)定流動(dòng)。一般情況下機(jī)頭及口模溫度不得高于機(jī)筒溫度。各段擠出成型溫度為:

5.2.3 機(jī)頭、模具結(jié)構(gòu)對(duì)微發(fā)泡制品的影響

機(jī)頭是口模與機(jī)筒的連接部分,其流道的長度和形狀取決于物料的種類、制品的斷面形狀、加熱方法、擠出機(jī)的規(guī)格。機(jī)頭和口模結(jié)構(gòu)是否合理,對(duì)制品的質(zhì)量和產(chǎn)量影響較大。

(1) 熔融物料的流道不能有死角,成流線型,表面光滑(粗糙度Ra < 1.6μm) ,避免象PVC 這樣的熱敏性物料出現(xiàn)焦料;

(2) 保持一定的壓縮比,以形成足夠的壓力使得制品致密。物料在機(jī)頭和口模之間,壓力下降速率低時(shí),泡核形成與長大同時(shí)發(fā)生,有利于泡核形成,到達(dá)?？诤?壓力降速率加大,在定型套中保證高微孔密度。

5.3 　結(jié)皮發(fā)泡技術(shù)

制品的表層在定型套的急劇冷卻作用下,表面氣泡來不及膨脹就被固定下來,由于內(nèi)部熔體壓力的作用,在模具表面形成密度較高的光潔表面,通常稱結(jié)皮,從而形成結(jié)皮發(fā)泡產(chǎn)品。表皮的厚度通過調(diào)節(jié)溫度和擠出速度來控制熔體壓力而改變。

5.4 　仿木紋技術(shù)

仿木紋是通過塑料熔體的顏色差、粘度差、流速差將木材的紋路表現(xiàn)到制品表面。在造粒過程中,生產(chǎn)出兩種以上不同顏色的粒料,采用不同比例加之適當(dāng)?shù)墓に嚳刂?可仿制出紅木、柏木、榆木、水曲柳等木紋的發(fā)泡板材,其仿真效果取決于配比和工藝條件的選擇。

6 　結(jié)論

(1) PVC 微發(fā)泡板材是一種新的節(jié)能環(huán)保型材料,性能優(yōu)良,具有廣闊的發(fā)展前景;(2) 在PVC 微發(fā)泡仿木結(jié)皮板材生產(chǎn)中,配方是決定制品性能的關(guān)鍵。要求適量的發(fā)泡劑、低毒或毒的高效復(fù)合穩(wěn)定劑和助劑三者有協(xié)同增效作用,加速發(fā)泡劑的分解,才能生產(chǎn)出高品質(zhì)的仿木材料;

(3) 選擇適合生產(chǎn)PVC 發(fā)泡產(chǎn)品的造粒、擠出、成型設(shè)備,嚴(yán)格控制混料、造粒、擠出、冷卻定型、牽引工藝參數(shù),對(duì)制品的品質(zhì)起著至關(guān)重要的作用;

(4) 按上述設(shè)備、工藝生產(chǎn)的PVC 微發(fā)泡仿木結(jié)皮板材表面光滑, 截面發(fā)泡細(xì)密均勻, 平均密度為0.45gP cm3 ～0.50gPcm3 ,各項(xiàng)性能均達(dá)到國際先進(jìn)水平。

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