模具生鏽

PVC塑料成型疑難問與答

PVC(聚氯乙烯/Polyvinyl chloride)是氯乙烯經加成聚合反應得到的高分子材料。是聚乙烯和聚丙烯之後,第三種最廣泛生產的合成塑膠聚合物。 它被國際綠色和平組織稱為「毒塑膠」,卻也因為便宜、製造方便,而成為產量僅次於PE的第二大泛用塑膠。

1. 塑膠金字塔

塑膠按照使用途徑的不同能夠分為通用塑膠、工程塑料以及特種塑膠,工程塑料又包括通用工程塑料和特種工程塑料。通用塑膠即常見的聚乙烯、聚丙烯、ABS 等,技術相對成熟、使用十分廣泛。工程塑料具備相應的力學性能,主要在對塑膠要求更為苛刻的領域應用,用於替代金屬材料。特種塑膠是根據電子電工、航空航太、軍工等領域的要求而發展起來的一類綜合性能優異的結構型耐熱熱塑性工程塑料和耐熱聚合物。

2. 聚氯乙烯

2.1 PVC的性能

聚氯乙烯(PVC)是無定型塑料,密度為1.38~1.41g/cm^3(比水重),熱穩定性很差,易熱降解,PVC難聞,阻燃性好,耐化學品腐蝕性較好,電絕緣性好,黏度高,流動性差。PVC種類很多,分為軟質、半硬質和硬質三種,收縮率大,PVC塑件表面光澤性差。其性能(強度、韌性、透明性、流動性等)隨種類不同而不同,甚至差異很大。

2.2 軟PVC的應用

用於薄膜和人造革、電線電纜的絕緣層、建材、涼鞋、玩具、水管、地板、文具、包裝用品等。

2.3 軟PVC的成型工藝特點

PVC在150~170°C下呈熔融狀態,190°C以上就會降解。軟PVC加工溫度範圍窄(160~185°C),加工較困難,工藝要求苛刻,加工時在一般情況下可不用乾燥(若需乾燥,在60~70°C下進行)。模溫較低(30~50°C),PVC加工時易產生氣紋、黑紋等,一定要嚴格控制好加工溫度,螺桿轉速應低一些,殘料量要少,背壓不能過高,模具排氣要好。PVC料在高溫料管中停留時間不能超過15min,軟PVC宜用大澆口進料,採用”中壓、慢速、低溫”的條件成型加工較好。軟PVC塑件易黏母模型腔,開模速度(第一段)不宜過快,在流道冷料穴處應做成倒扣式(圖1),以拉出流道凝料;射出PVC料停機時間須及時用PS回用(收)料(或PE料)清洗料管,防止PVC降解產生HCI(氯化氫)氣體,腐蝕螺桿、料管內壁。

背壓常用的表面值是0.5Mpa,增加背壓有利於混色和排氣,但背壓應越低越好。
PVC是熱敏性塑料,過熱或剪切過度會引起致降解,並迅速蔓延,因為其中一種降解物(例如酸或HCI)會產生催化作用,引致流程進一步降解,酸性物質更會侵蝕金屬,使之變成凹陷,又會使金屬的保護層剝落,引致生銹,對於人體更加有害。
混料比料:回用(收)料的最多混料比例為20%,否則會影響塑件品質。

2.4 PVC的成型工藝條件

PVC的成型工藝條件見(圖2)

2.5 PVC的模具設計與製作

PVC模具設計與製作見(圖3)

2.6 共混改性塑料

a. PVC+EVA==>提高沖擊強度(長效增塑作用)。
b. PVC+ABS==>增加韌性,提高冲擊強度。

3. PVC塑料的受熱性能如何? 在成型加工過程中應如何提高PVC的熱穩定性?

3.1 PVC的受熱性能

PVC受熱時,通常在80~85°C (玻璃化溫度Tg)以下為固體,高於此溫度後會開始軟化,當溫度升高至136°C (黏流溫度Tf)以上時會開始熔融,當溫度高於140°C以後,即會產生大量分解,因此,PVC受熱的穩定性差,在成型或使用過程中,受熱或日光的作用都易引起變色,逐漸變黃,再至橙色,後至棕色,最後變成黑色,並且伴隨著力學性能和化學性能的下降。導致PVC熱穩定性差的原因主要是由於PVC分子中存在不穩定的化學結構,如稀丙基氯原子、之化結構、以及氧、臭氧、力和某些金屬離子(如鐵離子、鋅離子的作用。)
由於PVC的分解溫度低,而且與黏流溫度接近,使PVC在加工過程中熱穩定性差,而難以成型加工,通常都需加入熱穩定劑。一般加入熱穩定劑後分解溫度可達到200°C,但成型加工中仍不宜採用過高的溫度以及在高溫下停留時間過長,否則仍會引起PVC的過熱分解現象。PVC製品的使用溫度一般60°C以下為好。

3.2 在成型加工過程中提高PVC熱穩定性的措施

通常提高PVC熱穩定性的措施主要有兩種:
一是在PVC樹脂的聚合階段採用調節和控制聚合反應條件、改進工藝過程或與少量與其他單體共聚等方法,以改變或減少PVC大分子鏈中的不穩定結構;
二是在PCV樹脂中加入熱穩定劑,以抑制減緩降解。在成型加工過程中主要採用加入熱穩定劑,來提高PVC的分解溫度。在選用熱穩定劑時,應注意以下幾方面。

  1. 普通PVC射出製品,通常以採用三鹼式硫酸鉛、二鹼式亞硫酸鉛、二鹼式硬脂酸鉛等鉛鹽類熱穩定性為主,另外,加入一定量的硬脂酸鎘;硬脂酸鋅、硬脂酸鉛、硬脂酸鈣等金屬皂類穩定劑為輔,以提高熱穩定性的效果。熱穩定劑的加入量(總分數)為5~7phr。目前在PVC中採用複合熱穩定劑效果更好,而且使用方便。如目前市場上的高效鉛鹽複合熱穩定劑,晶體粒子特別細,在相同用的情況下,比使用普通熱穩定劑穩定效果更好,其用量一般要低些,通常用量為4~5phr。
  2. 透明和無毒類的射出製品,一般可選用Ca/Zn、Ba/Cd和有機錫熱穩定體系,用量一般為1~3phr。採用有機錫類穩定劑時,不宜用鉛鹽和鉛皂穩定劑併用,否則易造成成型材汙染。
  3. 在配方中如果採用EVA抗衝擊改性劑時,不宜用鉛鹽穩定劑,否則成型加工性能較差,製品容易出現粉斑。採用CPE抗衝擊改性劑時,不宜採用鋅皂穩定劑。

4. PVC製品的阻燃性如何? 應如何選用阻燃劑?

4.1 PVC製品的阻燃性

PVC本身是耐燃性塑料,氧指數高達60%,一般離火即熄滅,燃燒時冒黑煙。但由於PVC成型加工時通常需加入各種助劑,特別是增塑劑,會大大降低PVC的難耐性。對於硬質PVC製品,由於增塑劑用量少,阻燃性下降相對較少,一般氧指數在45%以上。但對於軟質PVC製品,增塑劑的含量大,氧指數可降低至26%以下,因此在阻燃性要求較高的應用場合,一般仍須對PVC進行阻燃改性。

4.2 PVC阻燃劑的選用

PVC燃燒時發烟量大,對於軟質PVC的阻燃,在阻燃劑的選擇上除考慮阻燃性外,還要考慮抑烟效果。對於硬質PVC,由於本身耐燃,則主要考慮抑烟效果。
用於軟質PVC的阻燃劑主要有磷酸酯、硼酸鋅、氫氧化鋁、氫氧化鎂、氯化石蠟和氧化聚乙烯等。用於PVC抑烟劑的主要有鉬化物、鐵化物等金屬氧化物和金屬鹽類。Sb2O3(三氧化二銻)是PVC優異的阻燃協效劑,它與鹵素有良好的協同效果,但抑烟性較差,一般還需加入抑烟劑,如MoO3(三氧化鉬)等。
而硼酸鋅、氫氧化鋁和氫氧化鎂有一定的抑烟作用,但用量較大,一般為50~70%,對PVC製品的性能影響較大,故通常需與氯化聚乙烯(CPE)配合使用,以保證PVC製品的力學能力。另外,在選用增塑劑時盡量選用磷酸酯、氯化石蠟等品種。

5. 如何改善PVC製品的耐候性?

PVC樹脂對光、熱和氧的穩定性差,受熱時易產生熱降解,光照和大氣作用下易產生光、氧降解,引起製品變色,力學性能下降等,耐候性較差,因此,PVC成型加工過程中必須改善PVC的耐候性,以提高抗光、氧作用的能力。對於PVC改善耐候性的方法主要是加入抗氧劑和光穩定劑。常用的抗氧劑有主抗劑CA、抗氧劑BHT以及輔助抗氧劑亞磷酸酯類、抗氧劑DLTP等。其中亞磷酸酯類兼具增塑作用,與金屬皂類穩定劑有良好的協同作用,可減少金屬氯氧化物的危害。
PBC中常用的光穩定劑主要有UV-9、UV-531、UV-326、三嗪-5。應注意的是,一般當PVC中熱穩定劑為金屬皂類時,應選用UV-P為佳,用量為0.2%~0.5%;當PVC中以硫醇有機錫為熱穩定劑時,選用UV-531、UV-326為佳,用量為0.3%~0.5%。

另外,對於耐候性要求較高的PVC製品,還應注意樹脂及其他助劑的選用。在PVC樹脂的選擇上,應選擇分子量較高的樹脂,一般分子量在五萬以上為佳,如SG-6型樹脂。在穩定劑的選擇上,選擇鉛系複合穩定劑的抗老化效果要好於稀土穩定體系。在鈦白粉的選擇上,金虹石型鈦白粉用量在8phr以上,其耐候性明顯提高。在抗冲改性劑的選擇上,ACR系列比CPE系列效果明顯。

6. PVC射出模具為什麼容易生鏽

射出PVC塑膠原料,模具就會很快生鏽,這是困擾PVC射出行業已久的問題。發生這樣的問題後,很多就是採用模具鍍鉻,但也只能讓模具晚幾天生銹而已;而且電鍍層是一層很硬的淬硬層,一旦破壞,修復起來相當麻煩。

PVC加熱後分解出來的氣體叫氯化氫氣體,化學分子式是HCI,這個氣體和空氣中的水分結合就叫做鹽酸。這就是導致模具和機台生銹的原因。

PVC塑膠原料是強酸物質,如果使用抗腐蝕能力差的模具鋼材是很容易生銹,因此在模仁鋼材的選擇需特別注意,其相關說明可參考以下影片說明。

● 氯化氫說明
https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%B0%AF%E5%8C%96%E6%B0%A2

● PVC塑料鋼材的選擇

● PVC塑料鋼材的選用及應用

☆ 其他參考資料及文章

● 射出成型不良原因分析
https://kenddg.tw/injection-troubleshooting/

● 成型不良原因及對策處理
https://kenddg.tw/troubleshooting-defects/