塑料异型材各项力学性能在门窗中的影响因素

1-1、弯曲弹性模量的影响因素　
　　PVC-U型材弯曲弹性模量主要由PVC树脂弹性模量所决定。不同聚合度、不同牌号PVC树脂有不同弹性模量，聚合度越高，牌号越低，弹性模量越大。常用PVC树脂弹性模量一般在2500~3000Mpa之间。型材配方中稳定剂、抗冲击改性剂、润滑剂、碳酸钙类等，均会影响制品弹性模量。影响幅度不仅与这些助剂化学构成有关，而且与添加份数有关。试验证明：使用4.2份铅盐稳定剂PVC制品，在改换成0.9份有机锡稳定剂，配方中润滑剂略有增加情况下，制品弹性模量仍提高约76Mpa。但影响弹性模量较大还是抗冲击改性剂和碳酸钙。抗冲击改性剂CPE或ACR为橡胶弹性体，弹性模量均小于树脂，填充CPE或ACR的PVC-U型材弹性模量相应也小于纯PVC制品。只是两者弹性模量减少幅度大不相同。由于CPE的结构为线性高分子，与PVC有较好相容性，部分CPE分子能渗透到PVC分子中去，阻断了PVC与PVC分子之间结合，在制品受弯或受拉时，易使PVC分子变形或相互之间发生滑动位移。对硬PVC制品弹性模量影响较大。ACR为轻度交联的丙烯酸酯类聚合物为核的核壳类共聚物，其颗粒是分散在PVC材料中，不像CPE分子那样包覆PVC分子，对PVC基体弹性模量影响较小。加上CPE添加份数比ACR多，对制品弹性模量影响相应也大。因此添加ACR型材比添加CPEPVC制品有着更大刚性，能承受更大载荷。从理论上讲，碳酸钙比PVC树脂有更高弹性模量，有助于提高PVC制品密实度及弹性模量。但如果碳酸钙分散性与偶联处理不好，与PVC缺乏相容性，两者之间无分子间力存在，碳酸钙颗粒之间相互结合力也差，只是占据了一定体积，使承受应力制品单位面积截面上，PVC树脂量被减少，填充碳酸钙反而会明显降低PVC制品弹性模量。其次在填充碳酸钙组分高情况下，为使物料能够加工，配方中不得不加更多润滑剂，会进一步降低弹性模量。经生产实践证明：增加高分子量加工助剂用量对提高PVC制品弹性模量贡献很大。加工助剂除了增加摩擦热，促进塑化外，更重要的是，通过长分子链将PVC树脂缠绕在一起，从而提高了熔体的强度。碳酸钙虽然也能增加摩擦热，但若与PVC分子作用力很差，反而降低了PVC-U制品强度，与加工助剂作用是截然不同的。

1-2维卡软化点影响因素
　　塑料软化温度，主要指无定形聚合物开始变软时温度。不仅与高聚物的结构有关，而且与其分子量的大小有关。具体测定方法是把试样放在液体介质或加热箱中，在等速升温条件下测定标准压针在（50+1）N力作用下，压入从管材或管件上切取试样内1mm时温度，以摄氏温度表示（℃）。
维卡软化点适用于热塑性塑料控制质量和作为鉴定产品热性能一个指标。但不能作为材料最高使用温度。最高使用温度应随使用环境、使用状态不同而异。对于PVC窗框这种结构件或受力部件主要需重点考虑弹性模量大小。
同弹性模量一样，PVC分子量决定维卡软化点高低。在PVC确定情况下，影响维卡软化度主要因素是抗冲击改性剂和碳酸钙。CPE和ACR均属橡胶弹性体，有使PVC制品维卡软化度下降趋势。由于ACR的分子结构不同于线性CPE，为核壳结构，同时添加份数少于CPE，因此对维卡软化度影响不像CPE那样明显，碳酸钙加入在提高材料密实度和刚度同时，有利于提高维卡软化点。

1-3、加热后尺寸变化率和两个相对可视面变化率差值的影响因素
　　从配方原料特性讲，尺寸变化率指标也和CPE和碳酸钙添加量有关。随CPE增加而增大，随碳酸钙增加而减少。碳酸钙与塑料本身相容性较差，填充量过多会增加制品脆性，降低制品三大冲击性能和焊接性能，致使产量质量大幅度下降。但碳酸钙表面具有吸附作用，通常吸附在填料表面树脂分子排列较树脂本身更紧密，会限制PVC分子链旋转和移动能力，有助于提高型材密实度，减少热膨胀系数，利于冷却固化，提高制品成型尺寸稳定性，降低加热后尺寸变化率；CPE虽然可以有效提高冲击性能，但由于CPE属于网络聚合物，其改性机理是在PVC中形成网络，依靠加工机械熔融粘度降低，CEP高分子弹性体均匀分布在PVC树脂中，阻断了PVC分子之间结合，起到一定程度润滑作用，在外力下易使PVC分子变形或相互发生滑动位移。在挤出过程中受到弹性拉伸以后，在热作用下，弹性恢复自由状态，异型材表现为加热后尺寸变化率增加。
添加碳酸钙和CPE尽管可以减少或增加加热后尺寸变化率，但不能提高或减少内应力。碳酸钙只是限制了PVC分子链的旋转和移动能力，使尺寸变化率减少，并不会减少内应力；CPE也只是在外力下易使PVC分子变形或相互发生滑动位移，使尺寸变化率增加，也不会增加内应力⑵。要从根本上减缓和消除制品内应力，主要应从工艺和型材结构角度进行。
加热后尺寸变化率超标标志着型材内部冷凝后储存过大内应力。一般情况下，适当降低牵引速度，可以减少型材拉伸应力；而对于下部或上下部均存在沟槽型材，牵引速度过低，会使型材沟槽部位更加贴紧定型模，随局部摩擦阻力增加，型材承受拉伸应力则会加大；由此也说明，用牵引速度调整壁厚是有一定限度的，决不能盲目采用。型材内筋和可视面外壁连接部位直角过渡，存在应力集中，对尺寸变化率是不利的。
两个相对可视面尺寸变化率差值，说明型材上下或左右两则所承受内应力是不均衡的，主要由温度和熔体压力不均所致。模具两个相对可视面设定温度差值过大，会影响可视面的尺寸变化率差值。当型材两个面出料不均时，应尽量通过对应调整口模分流锥和内锥角度及提高光洁度方法来解决，以利于克服口模截面局部流动阻力，促进型材截面各部位物料分配与流速均匀一致。在各截面流速基本一致前提下，才有必要采用口模设定温度进行辅助、微量调整。不可任何时候都盲目采用口模设定温度过量调整。因温度变化将会使型材截面上冷凝过大内应力。不同内应力又会导致型材截面上尺寸变化率差值超标⑶。

1-4、低温落锤冲击、拉伸冲击与简支梁冲击强度的影响因素
　　脆性是PVC树脂固有的特性，不仅对温度比较敏感，同时对试件（试片缺口），承载情况也比较敏感。低温落锤冲击、拉伸冲击与简支梁冲击性能三项指标都是表征型材韧性的。除前述不同之处外，低温落锤冲击指标是从型材截面上截取具有完整型材断面型材，在一定温度条件下、通过规定重锤直径、下落高度，测量试件破裂个数试验。当不同冲击高度所产生能量对型材进行冲击，以型材破裂个数作为衡量试样性能优劣的标准。
　　简支梁冲击强度指标和拉伸冲击强度都是从型材上截取一段规定长度作为试片，试片壁厚同型材原壁厚，按规定式样制作，测定试片在受到简支梁冲击机摆锤冲击时,试片被破坏时所吸收能量，也称材料所产生抵抗力。试片在冲击负荷作用下, 受缺口尖端半径影响较大，冲击强度是冲击能(J)与 缺口处横截面积之比。简支梁冲击性能和拉伸冲击性能都是在不同加荷载状态下，以试片被冲击破坏时，产生能量大小来衡量试片性能优劣的标准。所不同的是拉伸冲击试验适用于因材料太软或壁厚太薄，不能进行简支梁或悬臂梁冲击试验塑料材料。
上世纪90年代，除了个别经营高填充型材企业外，一般型材企业碳酸钙添加量并不高，仅在8-10份左右，型材壁厚大多在2.0-2.5毫米左右。经国家化学建材检测中心统计资料表明：不少企业型材低温落锤冲击指标较难通过、并普遍存在尺寸变化率偏高，弹性模量偏低现象，而简支梁冲击问题不是太大。究其原因，低温落锤冲击指标超标，并非碳酸钙问题。而型材截面和挤出工艺存在问题所占比重较大。且因碳酸钙剂量较低，对简支梁冲击性能有利，却不利于弹性模量和加热后尺寸变化率。
　　GB/T8814-2004《未增塑聚氯乙稀（PVC-U）门窗用异型材》国家标准发布以后，随着弹性模量指标由1960PA提高到2200PA，加热后尺寸变化率由2.5毫米降低到2毫米。一些企业经过对型材模具和工艺进行改进，在稳定材料韧性指标前提下，通过采用经偶联处理微细碳酸钙，并提高剂量来解决弹性模量和加热后尺寸变化率超标问题。结果发现当碳酸钙剂量提升到15份-25份时，弹性模量和加热后尺寸变化率均显著好转，虽低温冲击性能比以前提高，但简支梁冲击性能和拉伸冲击性能却有所下降。
　　任何材料一般都具有韧性和刚性两种性能特征，只不过其具有韧性和刚性幅度有所不同而已。因此所发生冲击破坏，也有两种破坏形式，即近似于韧性破坏或近似于刚性破坏。纯粹韧性破坏和纯粹刚性破坏几乎是不存在的。若材料刚性过大，韧性过低，如碳酸钙添加过多，当材料受冲击时，不发生弹性变形，势必会产生脆性破坏，反之若韧性过大、刚性过低，如碳酸钙添加过少或壁厚太小，在冲击作用下，当型材变形到一定极限，也会发生韧性损坏。实践证明：材料中韧性和刚性两项指标，不仅相互制约和影响，而且是相辅相成的，一方面过大刚性是以牺牲韧性为代价，而过大韧性又以牺牲刚性为代价。另一方面一定的韧性，可以通过弹性变形，吸收、分散以减缓冲击能量，减少试件冲击损坏；而适当刚性，可以通过减少制品变形量，避免超极限破坏。
塑料异型材三项标志材料韧性指标试验还表明：低温落锤冲击，不仅取决于材料的韧性，还受型材壁厚、截面结构（内筋壁厚、位置、过度角大小等），即材料刚性、截面应力和拉伸应力的制约和影响。当以上因素有问题时，即使材料韧性良好，型材冲击时也会发生破裂。要提高低温抗冲性能，除型材应具有的韧性、壁厚、良好塑化外，还需要改进制品截面结构、调整牵引速度，通过增强其刚性，减缓或消除型材结构应力和拉伸应力。
　　简支梁冲击强度和拉伸冲击强度试验制作的试片，除厚度对试验有影响外，已无结构应力存在，拉伸应力也相应扩散或消失殆尽，试验合格与否主要取决于材料韧性。要提高型材简支梁冲击和拉伸冲击性能，除应具有型材壁厚、良好塑化外，需要改善或提高抗冲击改性剂质量或剂量、控制碳酸钙质量或剂量。当然试片制作的缺口下料偏差过大，也会影响简支梁冲击性能。
近期国家化学建材检测中心统计资料验证：目前大部分企业所做试验中，型材简支梁冲击性能指标较难通过，拉伸冲击次之，最容易过的是１米低温落锤冲击和弹性模量等。
　　通过型材新国标颁发前后，型材三项冲击试验结果表明：相对而言，低温抗冲击性能试验对材料刚性成分需求较大，简支梁冲击性能和拉伸冲击性能试验对材料韧性成分需求较大。因此1米低温冲击试验合格的型材，不代表材料具有的韧性，能保证简支梁冲击性能和拉伸冲击性能试验合格；简支梁冲击性能和拉伸冲击性能试验合格的型材，也不代表型材结构没有问题，能保证低温冲击试验合格。1.5米冲击合格型材，简支梁冲击强度和拉伸冲击强度高低，还有待试验进一步确定。
　　以上试验结果也表明了一些企业两个不同时期生产型材按 “老国标”试验，低温冲击性能较难通过；按“新国标”试验，简支梁冲击强度和拉伸冲击强度较难通过原因所在。充分反映了新世纪前后，型材结构技术改进和企业配方中碳酸钙填充技术发展现状。
　　抗冲击改性剂之所以提高制品抗冲击强度，取决于其改性剂性能、添加份数和分散性。研究证明CPE从效果看远不如ACR，在基础配方相同时，一要想达到同样的抗冲强度，需添加较多CPE。除此而外CPE与ACR的抗冲机理不同。ACR颗粒是由无数个球形小颗粒组成，在混料机和螺杆剪切下容易破裂成更小球形颗粒分散到基体材料中，依赖产生剪切带和银纹来吸收冲击能量来达到抗冲目的。CPE颗粒是由上百亿个线性CPE分子相互缠绕形成的，非常难以均匀地分散在PVC中。国外高速挤出机台现在极少使用CPE作为抗冲改性剂，而是使用ACR，高速挤出条件下CPE在PVC基体中产生堆集现象不但影响抗冲效果，而且使基体材料不均匀，局部抗拉强度大幅度下降。
　　抗冲击改性剂在一定范畴，随其剂量增加，型材抗冲击性能增加。但至今大部份企业添加10份左右CPE，仅东北严寒地区的型材可能加至12份，还没有达到额定极限。究其原因，除成本因素外，可能还和随其剂量增加，弹性模量、焊接性能下降、尺寸变化率指标上升有关。
　　增加碳酸钙剂量和型材壁厚，可以提高弹性模量、维卡软化点、尺寸变化率等刚性指标。适当刚度对提高韧性指标有利。所不同的是型材厚度既没有增加弹性模量或损失韧性，而是以增加型材截面承载能力，提高抗冲击性能。碳酸钙是以牺牲部分韧性，提高弹性模量的。要增加碳酸钙又不影响韧性，必须对其粒度进行细化和偶联活化处理，使无机物质有机化，解决其易团聚，不易分散及与树脂界面作用力问题。但过多添加碳酸钙，当增至一定量时，使型材失去应具有弹性，则会大幅度降低其抗冲击性能。
　　要全面提高型材抗冲击性能，最好选用ACR抗冲改性剂。如使用CPE抗冲击改性剂，一定注意CPE与碳酸钙剂量优化配比，以便使抗冲击性能达到最佳，又不影响型材其它性能。而不顾型材质量，任意盲目增加碳酸钙，降低成本做法是十分错误的，如不能有效遏制，将会给塑料门窗行业带来灾难性后果。
1-5、焊接性能的影响因素。
　　焊接性能指标是随国家标准发展和变迁，也逐步变化。在JG/T3017-94《硬聚氯乙烯塑料门》与JG/T3018-94《硬聚氯乙烯塑料窗》标准中其定义为角强度，以压力N为计量单位，检验指标为：平均值不低于3000N,最小值不低于平均值的70％；
在JG/T8814-2004《门窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材》标准中定义为可焊性-受压弯曲应力，以压强Mpa为计量单位，检验标准指标为：平均应力值指标为大于35 MPa；最小应力值大于30 Mpa；在JG/T180－2005《未增塑聚氯乙烯（PVC-U）塑料门》与JG/T140－2005《未增塑聚氯乙烯（PVC-U）塑料窗》标准中定义为焊接角最小破坏力，同样以压力N为计量单位。但与角强度不同的是，焊接角最小破坏力是以试件允许弯曲应力为基准，带入公式计算所得。不同规格、壁厚、截面结构试件，计算值是不同的。检验指标为平开门框焊接角最小破坏力计算值不应小于3000 N；门扇焊接角最小破坏力计算值不应小于6000 N；推拉门框焊接角最小破坏力计算值不应小于3000 N；门扇焊接角最小破坏力计算值不应小于4000 N；平开窗框焊接角最小破坏力计算值不应小于2000 N；窗扇焊接角最小破坏力计算值不应小于2500 N；推拉窗框焊接角最小破坏力计算值不应小于2500 N；窗扇焊接角最小破坏力计算值不应小于1400 N。
　　其定义具体变化有什么意义？笔者在《塑料门窗标准焊接性能指标改进的现实意义》一文已有详尽论述。概括地讲：角强度不论型材规格、壁厚大小，通用一个性能标准指标衡量，不能真实反映试件焊接性能优劣和单位抵御外力大小，不同型材焊接性能没有可比性；受压弯曲应力使不同规格型材的焊接性能有一个明确的量化标准，能真实反映试件塑化和焊接性能优劣。当试件受压弯曲应力较低时，可以排除其他因素影响，直接通过改进善型材配方、促进塑化或改善门窗焊接等参数来提高焊接性能。尤其是对制约配方中过多添加劣质碳酸钙“高填充”塑料型材，有一定现实意义。缺点是不能反映承受外力大小。即使规格很小、壁厚很薄型材，只要塑化与焊接性能好，检验时FC力值实测值虽然不高，但若大于计算值，受压弯曲应力计算值也能达到标准值；可焊性或受压弯曲应力合格仅能证明，试件塑化和焊接性能达标，至于制作门窗能否满足建筑工程承载要求，还是一个未知数。没有多少实际意义。不利于防范薄壁、小规格、截面结构不符合使用要求型材流放市场；焊接角最小破坏力与角强度、受压弯曲应力仅仅以同一个压力指标或单位压强指标为基准，来衡量试件焊角强度大小有原则性不同。不仅对同一型材在不同焊接条件下焊接有一定可比性，对不同规格型材在同一焊接条件下焊接也有可比性，既能真实反映型材焊接性能优劣，也能反映型材承受外力大小，为提高塑料门窗工程质量提供了检测判断依据。无疑比角强度、受压弯曲应力指标更趋完善，更有意义。不仅对制约“高填充”塑料型材有现实意义，对防范薄壁、小规格、截面结构不符合使用要求“非标”塑料型材也有很大现实意义⑷。
　　在三项冲击性能试验中，试件承受仅是冲击作用力，作用时间较短。焊接性能试验，试件承受是静压力，作用时间较长，工作环节和影响因素较多。从宏观上讲焊接性能亦从属于韧性材料范畴，但相对于三项冲击性能而言，微观上对刚性依附程度较高，不仅和材料韧性、型材截面结构、牵引速度有关，还和截面形状、规格，即惯性矩A值与中性轴到危险截面的距离E值及门窗焊接有关。前文已经谈及，型材“新国标”发布以后，一些企业通过增加碳酸钙剂量来解决弹性模量和加热后尺寸变化率超标问题。结果发现当碳酸钙剂量提升到15份-25份左右时，焊接性能不但不降低，反而有所上升。
　　要提高焊接性能，在材料本身具有一定韧性和优化挤出及焊接工艺的基础上，还应提高材料刚性，改进型材截面形状、规格，即解决小规格、薄壁型材问题。
碳酸钙对于焊接性能而言是一把双刃剑，“成也碳酸钙，败也碳酸钙矣”。适当增加经偶联处理的微细碳酸钙，可以提高弹性模量。随刚性增加，韧性减弱已波及到制品抗冲击性能时，焊接性能不受影响，甚至还有可能略升。但该类型材冲击性能，尤其简支梁冲击和拉伸冲击性能指标很难合格。当其添加量部分或完全危及材料韧性时，材料焊接性能亦会大幅度下降。
1-6、老化性能的影响因素
　　GB8814-04《门窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材》标准规定老化性能指标为6000小时，比仅有1000小时的原标准大幅度提高，是型材企业送检或各地检验中心质量抽检最难通过的项目之一。
　　众所周知，影响型材老化性能主要因素是稳定剂、金红石钛白粉、抗氧剂与紫外线吸收剂等。在配方中添加足量上述助剂是型材老化性能根本保证。同时应该清楚：塑料老化是指塑料在对空气、水、紫外线光辐射作用下发生降解现象，主要表现以下两个方面：①外观颜色和光泽改变，黄色指数增加是衡量塑料是否老化表观依据；②机械性性能下降，主要是弹性模量与抗冲击性能下降。因此型材国家标准也是用颜色变化值△E及△b与老化试验后冲击强度保留率做为衡量型材老化程度依据。由于随时间与紫外线辐射强度变化，塑料也有一个冲击性能下降过程。老化指标实际上也是冲击性能与紫外线辐射强度及时间相关一种表观形式。抗冲击剂CPE与ACR之所以抗老化性能有明显不同，区别是CPE在型材中，是以网络结构形式分布的，在强紫外线辐射下，分子链很容易被穿透。经过一段时间以后，型材老化性能会显著降低。而ACR是以核壳结构高聚合体，不含双键，其核心部分经过交联聚合，不容易被紫外线穿透，有一定光屏蔽作用，从而保证材料长期稳定职能。同时CPE的玻璃化温度在－20度左右，当达到－30度时会显现脆性，而丙烯酸脂核心玻璃化温度在－50度左右，仍会有很好的耐低温性能。另外虽然CPE也不含双键，分子相对也比较稳定，但在一定加工温度下，会析出HCI。HCI的存在会对PVC与CPE的降解起催化作用。仅从抗老化的角度分析，用ACR取代PVC也成为大势所趋。