PVC板材生产过程中的常见问题及处理分析
生产结皮低发泡PVC塑料制品与其它塑料挤出制品相比，除需要在一定熔压下良好塑化成型外，同时还对发泡孔的大小、数量和均匀程度以及结皮厚度、硬度、亮度、光洁度等有相应的技术要求。发泡体质量不仅与配方、原材料相关，也直接受挤出机螺杆的剪切性能、熔体压力、温度、挤出(牵引)速度、口模模唇间隙、定型模板间隙、冷却水温度等因素的影响和制约。因此，结皮发泡塑料制品与其他挤出塑料制品相比，具有一定的技术难度，从实践和理论上有许多未解的课题值得行业技术人员进行研究和解决。
1 结皮发泡PVC塑料板材的生产技术及其特点
结皮发泡PVC塑料制品生产的技术难点是发泡。发泡是熔体黏度上升和扩张，发泡剂产生的气体压力和大气压力共同作用的结果。
发泡过程一般要经历3个阶段：
(1)发泡气体在挤出机内一定的温度、压力下溶入已塑化均匀的混合料熔体中并达到饱和状态，形成气泡核；
(2)熔体从口模挤出，随压力释放、过饱和的溶解气体成核、膨胀、析出，在定型模板间隙内生成均匀、密集的泡孔；
(3)在定型装置冷却作用下，发泡制品固化定型。质量优异的结皮发泡PVC塑料制品具有泡孔多而密，小而均匀，密度与厚度符合要求，外表平整，硬度及亮度高等特点。
2 结皮发泡PVC塑料板材质量影响因素
直接影响塑料泡孔结构质量的主要原料是发泡剂与发泡协调剂。稳定剂、润滑剂、碳酸钙等原料及挤出工艺控制对发泡质量有一定促进与协调作用。由于发泡制品在挤出生产过程中熔体的塑化温度必须略低于发泡剂的分解温度，PVC树脂平均聚合度越低，熔体塑化所需要的加工温度也就越低。要得到发泡充分的发泡塑料制品，采用的树脂黏度不宜过高。同时结皮发泡塑料板材与其它发泡制品相比，因板材成型横截面较宽，从挤出机头进入口模要分布到一个1.3 m左右的宽度，为了有利于气泡的分散与膨胀，板材整个横截面压力应协调一致，对熔体流动性要求较高，其选用的树脂分子量一般较小，如SC-7或SC-8型悬浮法疏松型树脂比较适宜。
2.1 原材料对发泡质量的影响
2.1.1发泡剂
发泡剂与PVC树脂混合均匀后，随树脂熔融、塑化、挤出的同时，发泡剂分解，释放出气体，促使制品成微孔结构。发泡剂的单位发气量与用量直接决定了发泡制品的密度。发泡剂用量越多，在熔体内形成的泡孔数量越多、孔径越小，制品密度越低。发泡剂大致可分为吸热型、放热型与放热平衡型。偶氮二甲酸铵(简称AC)属放热型发泡剂，发泡率高，为190～260 ml/g，分解速度快、放热极大，但发泡时间短，突发性强。当AC发泡剂用量过多时，发气量过大，会在局部产生较大的气泡和空穴，固体残留物也增多，对于厚板挤出时可能会因内部过热而产生烧焦现象。而无机发泡剂碳酸氢钠(NaHCO3)属吸热型发泡剂，虽发泡率较低，但发泡时间长，和AC型发泡剂并用，可以起到互补和平衡的作用。放热型发泡剂提高了吸热型发泡剂的发气能力，吸热型发泡剂又可使前者冷却、稳定和均衡释放气体，抑制厚板内部过热降解，减少残留物析出，并有增白作用。在不影响发泡率的前提下，适当多添加吸热型发泡剂，取代部分放热型发泡剂，能抑制多添加放热型发泡剂带来的副作用，延长生产周期。比如用0.4份AC发泡剂和0.8份NaHCO3，会比单纯添加0.8份AC发泡剂产生更佳的发泡效果。但如加入过量的NaHCO3会使制品泡孔变粗，而影响产品断面的细密性。发泡剂1232或BLA-616属放热与吸热平衡型发泡剂，分解无诱导期，分解速率快，10min左右即可达到最大发气量，放气缓和无突发，最大发气量达156 ml/g，其分解温度介于PVC加工温度范围。可用于尺寸较厚，形状复杂的制品动态成型过程，以保证发泡性能的稳定。
发泡剂的用量应和发泡倍率，即定型模板间隙与口模间隙比相适应，发泡体容积应略大于定型模板所提供的空间。若发泡容积小于定型模板所提供的空间，泡孔数量少，制品密度大，并会因缺料，使板面不平整，出现横向凹槽；若发泡容积过大，在定型模板间隙作用下，随熔体压力增加，发泡受限，会产生破泡或串泡，制品的密度同样也会增大。
2.1.2发泡调节剂
发泡调节剂的作用机理类似于加工助剂，物料在发泡过程中，发泡剂分解的气体在熔体中形成气泡，这些气泡存在体积小的泡孔向体积大的泡孔扩展的趋势。气泡的大小和数量不但与发泡剂的添加量有关，还与聚合物的熔体强度有关。发泡调节剂的长分子链缠绕粘附在PVC的分子链上，形成一定的网状结构。一方面促进物料塑化，另一方面提高PVC的熔体强度，使发泡过程中泡孔壁能够承受泡孔内气体的压力，不致因为强度不足而破裂。发泡调节剂可以使产品泡孔小而多，泡孔结构更均匀、合理，从而降低发泡体的密度。但若使用过多的发泡调节剂，由于熔体强度太大，使得熔体中的气泡无法扩展，而使产品密度提高。在硬质PVC低发泡挤出配方中，发泡调节剂的用量一般为4%～8%，可根据发泡调节剂的效率、制品密度和截面是否存在破孔等情况进行调整。发泡制品的密度不但与发泡调节剂的添加量有关，也与发泡调节剂的分子量有关。分子量越大，其作用越大，相应的加入量亦可减少。一般发泡制品除ACR401外，还需要添加分子量更大的发泡调节剂，如HL100或HL530等，或者用HL100或HL530等取代ACR401，以利于进一步促进塑化和增强熔体强度，改善产品表面质量。
2.1.3稳定剂
稳定剂在结皮发泡PVC板材的生产中除起热稳定作用外，还起着降低发泡剂分解温度与调节发泡速度的双重作用，亦称为AC发泡剂的活化剂(促进剂)。纯AC发泡剂的分解温度为210℃左右，加入稳定剂后，其分解温度及发气量会随之下降。分解温度越低，发气量越大。不同稳定剂对AC发泡剂分解温度的影响见表1。
由于物料中的AC发泡剂消耗了部分稳定剂，为了保持相同的热稳定性，在含AC发泡剂的配方中，对AC发泡剂有促进作用的稳定剂用量也必须相应增加。稳定剂用量增加，有利于增加发气量，但过多添加稳定剂，又会致使发泡剂在挤出机内提前分解，致使发泡气体从加料孔与真空孔散失。反之，稳定剂不足，则会导致制品表面泛黄、脆性很大。
2.1.4润滑剂
在含发泡剂的PVC熔体中，因气体分子在PVC分子间起隔离、润滑的作用，在相同的温度和剪切条件下，含有发泡剂的PVC熔体比不含发泡剂的PVC熔体黏度小，但由于发泡体比非发泡体在壁面上滑动性差，黏度对剪切速率的敏感性比不含发泡剂的PVC熔体大。因此，PVC低发泡制品的润滑与PVC不发泡制品有所不同。在PVC低发泡制品的挤出成型过程中，熔体从挤出机进入横截面较宽的F1模型腔，以形成表面光滑平整、密度一致、厚度均称、不易破裂的制品。润滑剂对熔体的流动性、发泡制品表面的光洁度、发泡气体的混合与分布都有影响。根据熔体流动性，生产结皮发泡板材应采用内外润滑平衡、多种润滑剂复合为宜。外润滑可以提高制品外观光洁度，利于脱模。但若外润滑剂用量过多，会导致发泡制品塑化不良、模具内结垢和在制品表面析出，也会在制品表面出现某些缺陷；若外润滑剂用量太少，挤出机5区温度不易控制，易超温，从而致使合流芯温度过高，板材中间出现大泡、串泡、发黄及板材表面粗糙等缺陷。添加内润滑剂有利于物料均匀分散，均衡塑化和熔体的流动性。内润滑剂用量不足，物料分散性不好，塑化不均，制品厚度难以控制，表现为板材中间厚，两面薄，同时，还有可能出现粘附或局部过热现象；内润滑剂用量过多，会使发泡制品发脆，耐热性能下降，并在一定温度和熔压作用下，转化为外润滑，致使润滑失衡。发泡板材挤出过程中板面出现的纵向与横向槽沟即是典型的润滑失衡表现。由于外润滑剂过剩，推迟了塑化，随流动速度提高，口模出料过快，板面上会呈现纵向槽沟，当槽沟积累到一定程度，在定型模板阻力作用下，板面又会呈现横向槽沟。
2.1.5碳酸钙
硬质PVC板材加工中常用的CaCO3有2种，即轻质CaCO3，和重质CaCO3。前者采用化学方法制得，后者是采用粉碎和研磨等物理方法制成。轻质CaCO3的粒子比重质CaCO3细，纯度高，含无机杂质少。在同样用量下，填充轻质CaCO3的制品表面划伤和折弯白化比填充重质CaCO3的小。轻质CaCO3的最大特点是具有补强作用，可以提高制品的抗冲击强度，还可以提高发泡质量，使泡孔更均匀、细密。另外，CaCO3在PVC分解时还可吸收部分HC1，从而使产品的阻燃性和抑烟性能有所提高。
在结皮低发泡PVC制品配方中加入CaCO3，除起降低成本、增加刚度外，同时也起成核剂的作用。适用于结皮低发泡PVC板材生产的CaCO3 ，(及钛白粉)，其粒径一般均在5 m以下，加工时，它们能均匀地分散到熔体中形成“热点”(成核点)，这些“热点”可以降低局部区域的黏度和表面张力，在发泡剂分解时容易吸附气体形成气泡核。因CaCO3，本身刚性较大，具有减缓熔体变形和移动的能力，可以抑制泡孔过大而影响泡孔数量。CaCO3 的加入能增强发泡效果、改善泡孔质量、提高发泡制品强度。
CaCO3 的粒径大小及添加量对发泡都有影响。其粒径越大，在相同添加量下分散在熔体中的“热点”也越少，并且颗粒越粗，气体不容易以其为中心形成气泡核；CaCO3 粒径太小，容易聚集，形成粗粒子，从而影响其分散性，造成气泡核减少。CaCO3，粒径在1-2 um时，产品的发泡倍率可以达到较大。有研究表明，当发泡剂的用量一定时，成核剂浓度增加10倍，气泡的数量增加4倍，每个气泡体积下降到原来的2%CaCO3 用量不足时，在熔体内没有足够的成核“热点”，从而不能形成更多的气泡，使得产品的发泡倍率偏低；CaCO3加量太多时，虽然能形成更多气泡核，但由于熔体强度降低，熔体中的气泡扩展时容易产生破泡，减少了气体的有效利用。且因CaCO3本身密度较大，用量过多，反而不利于降低制品密度。
综上所述，发泡剂与发泡调节剂、CaCO3，等原料用量都有一个限值和相互制约问题。在生产实践中一定要经过反复试验，充分发挥各类原料协调效应，找到最佳平衡点，实施最优化配比，充分提高熔体发泡效率。
2.2 挤出工艺对发泡体质量的影响
在发泡塑料制品的成型过程中，塑料熔体中会出现大量均匀的气泡，气泡还要经历膨胀和固化定型的过程。气液相并存的体系是极不稳定的，气泡出现后可能膨胀、破泡，也可能塌陷。影响气体发泡、膨胀、破泡和塌陷的因素很多，除发泡剂、调节剂等原料因素外，还直接受成型工艺影响。熔体的热稳定性、熔体强度、润滑和分散性等除与配方有关外，还与工艺控制密切相关。尤其是熔体压力、温度、挤出速度、牵引速度、口模唇间隙与定型装置模板空隙都对发泡制品质量有重要影响。
因泡沫体比非泡体物质的流动性差，要使制品既有泡孔密集、均布的内芯，又有坚硬、密实的面层，必须具有3个基本条件：
(1)挤出机与口模腔能提供持续的高压力，使发泡剂不断溶解在熔体中，熔体压力越高，发泡率越高，面层越密实，熔体强度越高。一般用于生产结皮发泡塑料板材的80/156型锥形双螺杆挤出机的熔压以20-22MPa为宜。口模唇油温在一定程度上也发挥调控口模唇熔压和发泡制品表面硬度的作用。油温低一些，对提高熔压和制品表面硬度有利。判断熔体强度是否合适，直观的方法可用手指按压1:3模与模板之间的制品表面，如果按压后，能立即弹起，说明熔体强度好，反之，说明熔体强度差；
(2)定型模板间隙要适当，既要为发泡提供足够的空间，又要给发泡熔体施加适当的压力；
(3)出模唇口后的熔体压力应降得很低，使熔体一离开模头，就气熔两相分离，在较小阻力下，立即形成大量气泡。否则也会影响发泡效率。
2.2.1温度的影响
熔体温度对气泡结构、发泡制品密度及表面质量影响很大。而熔体温度又受PVC树脂的黏度、配方和螺杆剪切力的影响。当熔体温度较低时，熔体黏度高，不仅影响塑化，也会使发泡不完全，且会因含气体的熔体混合不均，成核少以及分散不均匀而形成大泡，使发泡密度增大；温度升高到一定值时，物料混合均匀，塑化较好，气体在熔体内溶解度增大且成核数量增多，因而可获得孔径、密度小的发泡体；但如果熔体温度过高，熔体黏度过低，会导致气泡过大，熔体因强度太低而被撕裂，大部分气泡消失，使制品表面残缺，密度增大，表面有可能泛黄。
在挤出发泡过程中，温度设定的基本原则是：在挤出机内各区段温度由高到低。1、2区温度宜高一些，以利于促进塑化，但不能高于发泡剂的分解温度，否则熔体会在排气孔内提前发泡，并从真空孔逸出，影响发气量；3～5区温度宜逐步降低，保持熔压稳定升高，防止在挤出过程中因熔压变化，导致熔体在机内分解、发泡。熔体到达模口时，熔体温度应达到发泡剂分解温度范围，并且为两头高，中间低。即偏离中心越远的部位温度越高，以利于模唇整个横截面内的熔体流速协调一致。合流芯温度宜低于以上各区温度，较低的合流芯温度，随挤出机头压力增加，发泡点移向模唇，有利于发泡；温度过高，发泡点远离模唇口，致使过早产生气体；若合流芯温度过低，熔体得不到外热的补充，处于外冷内热状态，随熔体沿模壁的流动阻力增加，使发泡体表面粗糙。结皮低发泡PVC板材的挤出温度设定参考值见表2。
主机电流是衡量熔体塑化程度的一个重要参数。但影响电流的因素很多，挤出温度过高或过低、给料速度过慢或过快，都会引起电流变化。单独从电流变化，难以得到准确结果。应通过排气孔观察物料形态来分析判断：当熔体未呈橘皮状态，底部有粉料存在，说明“欠塑化”，宜适当提高1区与2区的设定温度；当熔体虽然呈橘皮状态，却溢满螺槽，并发生真空冒料，说明加料过多，宜适当减少给料速度；螺槽内物料很少，几乎看不见料，说明加料过少，宜适当提高给料速度；当提高给料速度，螺槽内依然不见持料量增加，同时加料孔却出现冒料，说明熔体摩擦性能不足，已发生“滑壁”现象，需更换或增加配方中加工助剂的用量；当熔体过分光滑并紧紧抱紧螺杆，说明“过塑化”，宜适当降低1区与2区的设定温度；当排气孔观察-切正常，但和正常电流比，依然偏高，可能是熔体黏度过高，宜适当减少加工助剂或增加润滑剂用量。
2.2.2挤出/牵引速度的影响
在相同的工艺条件下，主机转速与牵引速度应适宜并相互匹配。挤出速度过快或牵引速度过慢，会妨碍发泡，使制品密度过大，牵引机拉不动板材，导致定型模板堵料。挤出与牵引速度过快，熔体在机内停留时间过短，发泡剂分解程度较低，此时相应的气体与核的比例也较小，但成核率却较大，即密度增大；降低挤出与牵引速度，可增加气体与核的比例，有效提高发泡率；在挤出速度一定的条件下，适当提高牵引速度，可减少模唇口阻力，明显降低制品密度；挤出速度过慢或牵引速度过快，制品在牵引强拉力作用下，使发泡受阻，也会降低发泡率，并致使型材表面不平，尺寸过小，尺寸变化率过高，制品冷却定型后内应力过大，影响其力学性能，甚至在压力较低的部位出现条形褶皱或塌陷。
2.2.3口模唇与定型装置模板间隙的影响
口模唇与定型装置模板问隙不仅决定板材的厚度，也影响发泡倍率。一般口模唇间隙为板材厚度的1/4(仅指低发泡制品)。当挤出熔体未充满第1道定型装置模板之间空间时，应以牵引速度为基准，采取调整挤出速度大小来调节模板之间的饱满程度；每道定型模板之间间隙差对板材的成型很重要。第1道板到第2道板，第2道板到第3道板之间的间隙匀递减0.2～0.5mm比较适宜。如果第1道定型模板与其它模板之间间隙差过大，不仅可能会导致堵模现象，还可能导致板材出第1道定型模板后，进其余定型模板时，因发泡制品承受过大的压力，密度增大或制品截面出现破泡现象。比如生产18mm壁厚板材，模唇间隙以模中心为准，为4.5mm，横向两侧偏离中心部位可渐次增加0.2mm，以保持偏离中心部位熔体流量与横截面中心相一致，避免中间厚，两边薄。第1道定型模板间隙为19.6～19.8mm，第2道定型模板间隙为19.0～19.2mm，第3道定型模板间隙为18.4～18.6mm，第4道定型模板间隙依据板材的密度和硬度而定，生产密度和硬度较高的制品时，由于制品承受定型模板的压力较大，经过牵引，在外力撤除，板材回复自由状态后有一个继续膨胀的过程，故间隙应稍小于18mm；生产密度和硬度较低的制品时，因发泡塑料制品的热传导率较低，制品定型后，芯部有一个继续冷却，“后收缩”的过程，故间隙应略大于18mm。具体差值应经过生产实践确定。总之，每道定型模板都应对制品有适当的压力，以充分发挥其定型作用。定型模板冷却也应依距离口模先后次序，逐级强化。使定型在发泡完成后能立即、持续进行，有效保证发泡倍率在可控范围，防止泡沫破裂，提高板材表面光洁度。
一般设备生产厂家为使发泡制品表面和定型模板接触更紧密，提高制品硬度和厚度，确保外形尺寸精确，外观光亮，并阻止尚未固化的泡沫塌陷，生产的发泡挤出设备第1道定型模板都设计有真空定型装置。实践证明，发泡板材不同于异型材，表面积较大，横截面很宽，且十分平整，只要发泡熔体有足够的膨胀和泡孔率，和定型板之间贴得很紧，就没有必要使用真空吸附。而定型模版内真空槽孔的存在，会滞留析出物，并随析出物增多逸出，将发泡制品表面拉毛，减少有效生产时间。
2.3 注意事项
发泡剂和熔体混合是否均匀，气体在熔体中是否达到饱和，成核剂的数量、粒径大小、分布和效率以及发泡剂的蒸发热和气体压力，发泡剂在熔体中的溶解度等均对发泡体质量有一定的影响。
应该指出，对于生产结皮低发泡PVC板材，还应特别注意混料以及储放过程中的密闭与防潮。在潮湿天气，干混料中的水汽会对挤出发泡过程产生较大影响，使泡孔不均匀，还会增加析出，在板材表面产生凹坑；混料量不得超过热混罐容积的75%，热混温度应达到105～110℃时卸料，冷混温度应在45℃卸料。
发泡制品的结皮厚度与硬度主要由定型装置和口模唇之间间距以及定型装置的冷却强度所决定。在确保结皮发泡制品冷却定型装置和口模唇无间隙情况下，主要靠调节冷却水温度或流量来调节。尤其是定型装置第1道的冷却温度极其重要，直接影响板材结皮的硬度与厚度。采用冷冻机处理过的冷冻水有利于提高结皮层的硬度与厚度。结皮层厚度与牵引速度有一定关系，结皮层较厚时，可适当提高牵引速度；当结皮层较薄时，可适当降低牵引速度。在定型模板间隙一定时，密度与硬度呈反比，发泡倍率越高，硬度越低。要提高制品表面结皮硬度与光亮度，可减少模唇间隙与定型模板间隙比值；要降低制品密度，可增加模唇间隙与定型模板间隙比值。此外，发泡制品的表面光洁度还与配方中的后期外润滑和定型装置的表面光洁度有关，与表皮的硬度和厚度无关。
3 结语
结皮低发泡塑料板材挤出生产中，影响发泡结皮的每一个环节中各个工艺参数相辅相成，单独调整某一个参数，难以达到预期效果。应综合考虑各个相关因素，进行适时、对应调节方能奏效。调整时应遵循“先减量、后加量”，“先调工艺、机械，后调配方”的程序进行，例如熔体“欠塑化”，应先减润滑剂，后加加工助剂；如制品局部薄厚不均，应先调温度、口模间隙，再调整配方。以期用最快捷的方式，最小的代价，取得最佳效果。
