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【深度解读】ACR类加工助剂在PVC 注塑领域中的应用(一)

Posted on 2017-10-11

 


摘要PVC注塑制品如电子设备、电子元件等领域发展十分迅速。通常PVC注塑件外观及物理性能同其加工过程关系密切,PVC加工助剂是可改善PVC加工性能一类助剂,主要为核-壳型丙烯酸酯化合物(ACR)。ACR对于PVC的作用可归结为三点:1、促进PVC树脂熔融;2、改善PVC的熔体流变性;3、或可以改善PVC树脂的润滑性能,防止熔融的PVC粘附设备。本文重点阐述了在ACR类加工助剂在硬质PVC注塑领域的优点及功能,并且陈述了加工助剂选择的要点。

前言

硬质PVC通过注塑可以制成特殊形状的材料,可用于电器外壳、管件、阀门元件等,拓宽了PVC应用的宽度及广度。对于注塑来说,最大的挑战为特殊型腔结构的磨具,狭长的流道导致的加工难同原材料成本、外观、性能等的矛盾,PVC也不例外。

为了实现注塑所要求的加工性及熔体流动性,PVC树脂需要配合添加剂得以实现,这其中最为重要的添加剂是PVC加工助剂。PVC加工助剂是广义的概念,是一类可以改善PVC加工性能的助剂,本文中所讨论的加工助剂仅限于核-壳型丙烯酸酯类加工助剂,通常它的分子量为100,000-60,00,000范围内,它添加量低,每100PVC树脂中,丙烯酸酯类加工助剂的添加量仅为0.5~2份,但它可明显改善硬质PVC的加工性能。

提升PVC的加工性能可以有多种方式,如提升PVC树脂的塑化熔融过程;改善熔体进入模具的方式;改善PVC熔体对金属表面的粘附性等。丙烯酸酯类加工助剂可具有上述一种或几种功能,这取决于ACR加工助剂分子组成,分子量及结构。然而,PVC加工助剂的多样性却带来了加工助剂选择的复杂性,如何根据产品要求来选择合适的加工助剂并非简单。本文系统地介绍了加工助剂应用上的特点,为加工助剂选择提供了指导和依据。

 


实验部分

通过两组配方以考察加工助剂不同的作用。其一,选择PVCK=60)的配方去描述加工助剂对PVC熔融塑化,喷流,浇口发白及金属粘附性能的影响。其二,对于充模性要求较高的领域,选择K=51PVC树脂,考察加工助剂对其熔体粘度的影响。具体配方如下表所示:

 

表一PVC配方表


配方1

配方2

PVCK=60

100


PVCK=51


100

有机锡稳定剂

2

2

硬脂酸甘油酯

0.6

0.6

蒙坦蜡

0.2

0.2

丙烯酸类加工助剂

x.x

x.x

丙烯酸酯类加工助剂作为变量,包括不同组成及不同分子量。其中低分子量的丙烯酸酯加工助剂的分子量小于10万;中分子量加工助剂的分子量为10-50万;高分子量加工助剂的分子量为100万到300万;极高分子量加工助剂的分子量为300-600万。

一些实验结果通过哈克转矩流变仪进行测试,在这些配方中,PVC是以干混料的形式存在。对于浇口发白及喷流等测试先通过双螺杆造粒,随后在注塑机上进行测试,测试条件是在讨论中指定的实验结果。

 


丙烯酸酯加工助剂的作用

丙烯酸酯类加工助剂在PVC中的作用可归结为三点,1、促进PVC树脂熔融;2、改变PVC熔体流变性;3、改善PVC的润滑性。某些丙烯酸酯加工助剂只具备上述的某一种功能,而某些具备两种甚至是全部上述功能。最为重要的是需要了解做PVC加工的需求,需要选择丙烯酸酯类加工助剂的哪种功能,由此选择何种类型的加工助剂。本文重点阐述了加工助剂的功能及在注塑中的优点,由此引申出如何选择加工助剂。

 


促进PVC树脂熔融

PVC树脂的一种最为重要的特征是颗粒性,无论悬浮聚合或本体聚合的PVC都具有颗粒态。颗粒的外部直径约为100微米,里面由无数亚微米粒子组成,其直径约为1微米,该结构如图1中第一个图所示。

                             

微信图片_20171011165705.jpg

       1PVC树脂的塑化过程

在剪切和热的双重作用下,PVC可变成可加工成型性的熔体。这个过程中PVC粒子结构破坏,初级粒子释放,并且需要初级粒子中的分子相互作用、扩散,形成具有一定内聚力的熔融材料,这个过程通常视为PVC从颗粒状材料变为平滑流体的过程,如图1所示。然而,颗粒状的PVC并非为热和剪切的良好导体,其结果为整个PVC塑化过程并不均匀,某些地方仍为颗粒状未塑化的PVC树脂,而某些地方已经成为了过塑化的熔体,树脂已经产生降解。

PVC加工助剂旨在促进PVC热和剪切的传递,促进PVC均一的熔融塑化。通常情况下,丙烯酸类加工助剂以粉末的形式存在,可均匀地分散在PVC树脂中,凭借其优异的相容性及较高分子量,它可增加整个系统的摩擦,从而促进熔融,并可改善塑化的均一性。

 

PVC是塑化熔融过程可通过哈克转矩流变仪进行测试。图2 K=60的两条PVC混合物的转矩流变图,其中一条曲线为未添加加工助剂PVC混合物,另外一条为额外添加2份中分子量加工助剂的PVC混合物。图3为不同时间点上PVC复合物的数码照片。其中图3上面一排的图片并未添加加工助剂,下一排添加了2份加工助剂。


微信图片_20171011165715.jpg

 

                图2.PVC混合料的转矩流变图


微信图片_20171011165723.jpg

 

3不同时间点内PVC混合物在转矩流变仪中的照片


 

 通过比较图2 及图3,可明显看出PVC加工助剂可改善PVC熔融塑化过程,90s左右便产生了粘性平滑的熔体,而没有添加加工助剂的配方,90s后产生的仍为易破碎的熔体,熔融并不完全。在挤出或注塑工艺中,PVC在设备中的停留时间一般很短。PVC树脂熔融速率提升十分重要,在喷嘴或模具处可改善表面粗糙及平滑度。此外,加工助剂还可以提供熔体的光泽性。(加工助剂存在的条件下,150s时显示出熔体光泽性,而无加工助剂的条件下,240s才显示出熔体的光泽性。)


 

加工助剂因为增加了熔体塑化的均匀性,这可减少注塑中的成型缺陷,提高成品率,增加产品的一致性。


总之,加工助剂的好处促进PVC融合,更短的时间内塑化,产品表面更细腻而具有光泽,由于塑化均匀性的提升,产品外观及质量更均一。

 

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