塑料异型材表面变色原因分析

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在PVC-U异型材的生产和使用过程中，有时会遇到型材表面变色的问题，这个问题如不及时分析判定其原因并加以解决，往往会影响生产和产品质量。本文结合笔者多年从事PVC-U异型材加工和配方工艺的体会，综合分析PVC-U异型材表面变色的原因。
在表面质量正常的情况下，PVC-U异型材一般为白色，表面光滑平整。按GB8814-88要求，型材“不应有影响使用的伤痕、凸凹、裂纹、杂质等缺陷”，“型材色泽应均匀一致”。如果采用白度计测量，正常生产的PVC-U异型材的白度为80左右。
型材白度分析
表1和表2是我们在一家PVC-U异型材生产企业进行两组试验生产的型材的白度比较。
表1 型材白度与配方, 设备模具工艺对比

表2 型材白度与配方, PVC生产对比
从两组试验可以看出，型材的白度受原辅材料、配方、设备、模具、工艺等多种因素的影响。在其他因素相同的情况下，由於PVC生产厂家不同，生产的型材白度也不同（相差1.0）；由於稳定体系不一样，采用SR-“1+ 2”为稳定体系生产的型材，比采用铅系为稳定体系生产的型材要白一些，白度提高1.0-1.5；运用不同设备、模具、工艺，加工不同型材时，型材表面白度也有差别（白度相差0.4-0.9）。所以，要生产白度完全相同的型材比较困难。只能采取各种措施尽量减小型材表面白度的差别，做到用肉眼判断“无明显色差”。
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高质量的型材生产是综合考虑多种因素的结果型材表面变色的原因分析
5 a5 @1 ]0 n/ S. n由於多方面原因，型材表面有色差实属正常现象。但是，如果型材表面变色，就属於不正常的情况了。
9 N4 G2 `. u% D( Q6 W型材表面变色的原因是什麽呢？简而言之，型材表面变色的原因是由於主要组分PVC树脂在热和光的作用下，发生了热降解和光降解，造成型材表面变色。型材表面变色大致有两种情况：一是新配方试验时型材表面变色或正常生产时型材偶尔变色；二是正常生产时型材不变色，而在使用中发生表面变色。型材表面变色的情况不同，原因也不一样。
原因一：配方设计不合理
PVC树脂的光、热稳定性差，纯树脂加热到100℃就开始分解，超过130℃时分解更为迅速。PVC受阳光中的紫外线和空气中的氧的影响会发生光氧化分解。PVC树脂受热和光的作用分解後均造成树脂变色，颜色变化的顺序为：白色-粉红色-浅黄色-红色-褐色-黑色。
为防止PVC树脂在加工过程中分解，在配方中就必须加入热稳定剂、光稳定剂、抗氧剂和润滑剂等十多种加工助剂。在新配方试验时，如果型材表面变色，其原因主要是配方设计不合理，主要可能是：（1）热稳定剂、光稳定剂、抗氧剂的用量不足；（2）复合热稳定剂各组分的选择和配比不当；（3）内、外润滑剂各组分的选择和配比不当。
! q, T. o3 ]6 c4 X$ ]原因二：配料和原材料问题
; D7 }8 R8 v- t6 y& U0 |) u! i" R3 o对於己经过科学鉴定和较长时间生产考验的“老配方”，如果生产时型材偶尔变色，就可以排除“配方设计不合理”的因素。如果排除仪表失灵造成工艺变化的特殊情况，其原因是体系的热稳定性较差，主要应从配料和原材料两个方面找原因。
在配料方面，由於要将PVC树脂和其他十多种不同的加工助剂按照不同比例配合在一起，所以配料工作不仅繁杂，且工作量很大，有时难免出现错配、误配等情况。如果工人在配料时忘记或少加了热稳定剂、光稳定剂、抗氧剂和内外润滑剂等成份，就会偶尔出现型材表面变色的问题。
在原材料方面由於频繁地更换原材料生产厂家和型号、批号，也会出现型材表面变色问题。在原材料中，对型材表面变色的影响最大的组分主要是：PVC树脂、CPE和热稳定剂。
2 o) r: Q. i, e- sPVC树脂的热稳定性是造成型材表面变色最重要的原因。PVC树脂的分子量大小及其分子量分布决定了它的热稳定性能。在同样的条件下，PVC树脂的分子量愈大，其分子量分布愈小时，树脂的热稳定性愈好。也就是说，不同型号的PVC树脂的热稳定性能不一样，相对而言应当是SG4> SG5>SG6。如果按照SG5型PVC的加工工艺条件，用来加工SG6型PVC树脂，生产的型材就有可能表面变色。另外，由於PVC树脂生产企业采用的原材料、工艺路线、生产规模的不同，不同厂家生产的PVC树脂的分子量分布就不一样；同一厂家、不同批号的PVC树脂由於工艺条件不尽相同，其分子量分布也会有一定区别。分子量分布宽的PVC树脂中存在一定数量的偏低分子量组分，就会显着地降低聚合物的热稳定性，造成加工出的型材表面变色。所以，在采用老配方生产时型材偶尔变色，在原材料方面首先要检查PVC树脂的生产厂家和批号是否有改变，测定并相对比较不同厂家和批号PVC树脂的热稳定性。
原因三：CPE质量
; W+ J* P3 ~# j/ s" Q1 RCPE的质量也是影响型材表面变色的重要原因。CPE是由高密度聚乙烯（HDPE）在盐酸水溶液中悬浮氯化而制得，其中氯含量36-38%的CPE，其结晶度和玻璃化温度均较低，具有良好的弹性及与PVC的相容性，广泛用作PVC-U异型材的抗冲击改性剂。近年来各地新上马的生产CPE的中小企业较多，有的企业由於各方面的原因，生产的CPE中氯含量偏高或偏低，产品质量不稳定，含有较多的Cl2、HCl等低分子物，在PVC-U异型材加工时容易加速PVC树脂的热分解，引起型材表面变色。
$ x3 S7 X0 e& G; _( @原因四：热稳定剂质量与用量
热稳定剂的质量和用量也是引起型材表面变色的重要原因。目前在PVC-U异型材加工中应用的热稳定剂有两种：铅系、有机物和稀土有机物稳定体系。要比较热稳定剂的质量，除对生产应用实际比较以外，主要是检测其有效成份的含量。
4 Q7 l' p6 `' N6 R) Q铅系稳定体系有复合铅和单组分铅盐自行配合两种。选择不同的铅盐种类和配比是非常重要的，它不仅影响其热稳定效果，还会影响型材的表面色泽，这就是有的型材表面色泽始终泛红的原因所在。
  @, B& K/ ]) N$ ~! q北京市华通发技术开发公司生产的复合加工助剂SR-“1+2”采用了稀土多功能热稳定剂，同时考虑了抗氧剂、紫外线吸收剂等多种组分的各自作用和相互影响，达到了提高热稳定性和光稳定性的综合效果。
& [& C1 G) W$ y8 _. o对於热稳定性不好的PVC-U体系，适当增加热稳定剂的用量，可以起到消除型材表面变色的作用。
* Q, l  ]7 S1 l; K: `原因五：钛白粉质量
钛白粉学名二氧化钛，有金红石型和锐钛型两种晶型。金红石型钛白粉质地较软，耐候性和耐热性较好，屏蔽紫外线的作用强，不易变黄，而且耐水性也较好，特别适用於户外使用的塑料制品。锐钛型钛白粉的耐热性和耐光性较差，有促进聚氯乙烯光老化的作用，主要适用於室内使用的制品，金红石型钛白粉（TiO2）是白色PVC-U异型材最理想的着色剂，同时兼有屏蔽和散射紫外线的作用，可以提高型材的耐候性和耐热性。应当注意的是，另外一种锐钛矿型TiO2就不具备金红石型TiO2的上述特点，耐光性和耐晒性极差，如用在塑料门窗型材中易使窗框变色老化。因此，遇到型材在使用中变色的问题时，首先要检查钛白粉的型号是否用错，是否购入了假冒伪劣TiO2。
在中国一般气候下，在PVC-U窗框异型材中加入金红石型TiO2的用量为4-6份（PVC100份时）。在稀土有机物稳定体系的型材中应用金红石型TiO2可以提高型材的光稳定性和耐候性。在有机锡稳定体系的型材中应用金红石型TiO2，由於有机锡耐光稳定性和耐候性较差，TiO2用量应为12-15份（PVC100份）。
PVC-U热稳定性、混料及其它分析
8 V$ ^- z: A$ v  sPVC-U热稳定性
PVC树脂不仅热稳定性差，光稳定性也差，在紫外线和氧的作用下，PVC树脂会产生光氧化作用，分解脱HCl导致老化，造成型材表面变色。因此，在PVC树脂加工过程中，要添加足够光热稳定剂来消除型材表面变色。在正常生产时型材不变色，在使用中出现型材表面变色的问题，反映体系热稳定性尚可，光稳定性较差，因此要从光稳定性方面去找原因。
要分析不同PVC树脂的光稳定性，比较不同厂家和同一厂家不同批号的PVC树脂的光稳定性是必要的措施。
混料工艺
1 w! U2 D) n" h% s. t混料是PVC型材生产的头道工序，也是关键工序，一般将PVC树脂、稳定剂、改性剂、润滑剂、钛白粉等通过高速混合机进行混合，以达到颜料及组分分散均匀的目的。
( M3 u& d0 K& n6 {1 q8 j4 m0 f库存与包装运输
8 K0 e% \$ Z+ L5 X* X+ p要严格按照GB8814要求包装、贮存和运输PVC-U异型材。GB8814规定：“型材应该用牛皮纸或塑料薄膜等包好并捆扎紧，不能使型材外露”，“型材应贮存在地面平整、温度低於40℃的仓库内”，型材在“包装、贮存和运输过程中，不准使产品受到强光照射、日晒”等。
其他
" w& r5 n) X) P( X% z* GPVC型材变色是多种因素共同作用的结果。除了以上讨论的内外影响因素及助剂以外，还应考虑到生产工艺和设备模具中引起型材变色的因素。主要是使PVC在热加工、机械剪切等条件下，尽量减小热氧降解，保证在光、氧、气候老化条件下使型材具有更好的稳定性。这其中包括混料、挤出、塑化、定型、冷却等各种工艺对热氧降解的控制。
) D: r) |; U8 ^& _改进措施
" n7 b+ {+ J* v" }（1）调整配方，采用科学、先进的配方体系和无毒、高效的热稳定体系，提高配方耐热、光、氧的综合稳定能力；（2）建立原材料化验室，提高对型材表面变色原因的分析能力和快速判断能力；（3）建立质量可靠的稳定的原材料供应渠道，切实保证原材料质量；（4）适当加大热稳定剂、光稳定剂和抗氧剂的用量，及时处理由於原材料变化造成的型材表面变色问题；（5）包装、贮存和运输PVC-U异型材时，应严格按照GB8814要求执行。
PVC-U型材的变色现象是内外多种因素共同作用的结果。其中外部条件包括紫外线照射，一定温度、湿度及氧条件，空气污染（尘埃硫、酸雨等）。乾热气候条件对PVC-U降解变色具有加速作用。内部因素则是PVC树脂在光、氧条件下分子本身降解脱HCl变色。所以，控制PVC树脂的质量，特别是控制PVC树脂的降解及多烯结构的形成，是解决型材变色的首要问题。此外，PVC型材生产配方中的各种助剂，包括稳定剂、抗氧体系、钛白粉、颜料和填料，由於各自品质的不同也存在着变色的因素。通过对配方中稳定体系的优化，同时配合必要的耐候规格金红石钛白粉，控制配方中树脂和各种助剂的质量及其自身可能的变色因素，是减少型材变色现象的必要条件。
文章关键词： 塑料、材料、润滑