摘 要：从影响型材质量的几个因素入手，阐述设备、配方、原料、工艺控制、原料检验与混料系统质量管理的关系，探讨对型材企业混料系统质量管理的看法，提高行业产品质量。
关键词：混料系统 质量管理
前言
随着国内塑钢门窗的普及使用，型材企业在行业几个大企业的带动下，近两年也取得了巨大的发展，型材总产能至去年已达130万吨。但是值得我们关注的是在产能迅速扩张的同时，型材产品的质量却没能取得相应的进步，各个地区分别出现型材变色、焊角炸裂等质量问题，使人们刚刚接受塑钢门窗的优点，又同时对它的质量持怀疑态度。质量问题的出现是因为多数企业技术力量薄弱，对先进设备的驾驭能力不够，质量控制体系不完善，同时国内助剂发展速度缓慢，配方体系不科学，型材断面设计走小型化道路有关，行业协会和多数企业均意识到这一点，加强了质量方面的交流和发展。作者愿意用多年的生产经验和大家进行交流，仅是一家之言，欢迎指正。
一、影响型材质量的因素
影响型材质量的因素很多，从质量管理的角度来看，可以归结为以下几点：
1、设计合理的配方；
2、质量稳定的原辅材料；
3、系统稳定的混料、挤出设备；
4、加工精密、设计合理、不易磨损的模具；
5、合理的工艺参数设置，严格的工艺控制；
6、周密的质量管理体系；
7、技术力量强、善于管理的员工队伍。
以上要素均对型材的质量产生影响，尤其混料系统更是决定着型材的内在质量。优质、稳定、均一的混合料可以生产出高质量的型材，大大降低型材废品率，是型材生产的质量保证。由于混料的问题是一个系统的问题，不易掌握，且更多涉及到各厂家的机密，所以这方面的论文并不多见，作者总结了几年来对混料系统质量管理的经验，谈一谈对混料系统质量管理的看法。
二、混料系统设备的选择
1、 系统选择
1．1混料系统的确定关系到运行的安全性、科学性，科学的系统设计可以提供合理的配置，使系统安全运行，提高混料质量，确保输送畅通。它包括厂房设计、料罐确定、原料称量、设备选型和配置、原料储存和输送等。
1．2目前在国际上做系统的公司很多，在国内为型材企业做系统的主要有THYSSEN-HENSCHEL、LEIMEIT、COPERION、AZO等公司，他们都是国际知名的公司，有多年做系统的经验，可以提供科学安全的系统配置，国内很多大的型材企业的混料系统都是他们提供的。
2、 热、冷混设备
2．1热冷混设备的选择关系到工厂的产能、混合料的质量，优良的桨叶设计、弧形设计、锅壁的光泽度、材质是选择热、冷混设备的重点。科学的桨叶设计可以使物料得到充分的搅拌，达到理想化的凝胶化状态，优质的材质可以保证系统的连续运行和足够长的设备寿命，降低成本。目前国内混料设备制造企业很多，但大多数企业还停留在测绘、仿制的水平上，技术水平低，产品寿命短，与国外先进水平有较大差距。国外热冷混设备制造厂商我们常见的有THYSSEN-HENSCHEL、PLASMEC、PAPENMEIER、MTI等。
2．2热混机常见的机型有500L、800L、1000L、1500L、2000L等型号，热混机搅拌桨叶和导流片设计各厂家各有不同，很难说谁优谁劣，但都应能达到充分的混合效果，企业在选择的时候可以注意温控装置的安全性和运行性；冷混机的配置各个厂家从设计的角度出发，也不完全一样，容量一般为热混机容量的2-3.5倍，机体设计一般分立式和卧式两种，厂家常根据热混机的容量选择冷混机体设计，容量较大的更多的使用卧式冷混配置。
2．3企业可以根据自己的产能来选择不同型号的混料设备，混料产能应大于型材挤出产能，才能保证生产正常运行。混料的产能是根据热混机的容积来确定的，可以用下面的公式进行计算：
年产能＝75%×L×M×7200×B÷1000
L：热混机的容积
M：混合料的表观密度
B：每小时可混的份数
以一台热混机容积为1000L的系统为例，混合料的表观密度按0.6g/ml,每小时可混7.5份料,300个有效工作日计算,它的年产能为：
年产能＝75%×1000×0.6×7200×7.5÷1000＝24300吨
这样的一套热冷混设备可以满足一个年设计能力为20000吨型材的企业需要。
3、 输送方式
3．1混合料的输送在整个系统内占有重要的地位，很多企业经常出现送料不畅的情况，输送管道磨损严重，跑冒滴漏到处可见，严重制约了生产的正常运行。系统厂家要根据不同的原料来确定输送的长度,管道的材质及弯管的数量.
3．2现在使用的输送方式基本有三种，详见6.3。
三、配方的确定
1、 配方现状
1. 1PVC树脂的热稳定性和加工性能均较差，加工过程中必须添加多种不同用途的助剂，才能发挥PVC树脂本身的优点。国内外配方体系基本相同，但个别助剂加入量又不尽相同，根据抗冲改性剂可分为PVC/CPE和PVC/ACR两大共混增韧体系；根据稳定剂体系可分为：铅盐体系、有机锡体系、钙锌体系、稀土体系四大类。无论哪种配方，均由：PVC＋改性增韧体系＋稳定润滑体系＋防老化体系＋填充体系，下表是配方基本构成情况：
2、 配方设计要求
铅盐体系 有机锡体系 钙锌体系 稀土体系
单体铅 复合铅
基体 PVC 100 100 100 100 100
改性增韧体系 抗冲 CPE 8-10 8-10 8-10 8-10 8-9
ACR 6-8 6-8 6-8 6-8 6-7
加工 ACR 1.5-2 1.5-2 1-2 1.5-2.5 1-1.5
稳定润滑体系 二盐 4-5 --- --- --- ---
硬铅 0.5-0.8 --- --- --- ---
硬钙 0.5-0.8 0.4-0.6 0.7-1.4 --- ---
内外润滑剂 0.3-0.6 0-0.3 0.9-1.1 0.3-1 0-0.2
复合铅 --- 4-6 --- --- ---
有机锡 --- --- 1-2.5 --- ---
钙锌 --- --- --- 4 ---
亚磷酸 --- --- --- 0.5-0.8 ---
环氧大豆油 --- --- --- 1-1.5 ---
稀土 --- --- --- --- 3-3.5
填充体系 轻质、重质碳酸钙 5-8 5-8 4-7 6-8 10-12
防老化体系 钛白粉 4-5 4-5 5-7 6-8 4-6
紫外线吸收剂 0-0.3
配方设计是对型材制品起决定性作用的因素之一，配方设计的好坏关系到型材生产的稳定性、型材的物理性能和成本。寻求最优的性能价格比是配方设计的基本原则。
一般来说，配方设计应遵循以下原则：
1）、保证制品有良好的力学性能；在强度、刚度、抗冲击和焊接性能应达到GB/T8814的要求。
2）、有良好的加工性能、热稳定性，适合挤出成型，保证加工过程中的尺寸稳定性和表面光泽度。
3）、保证门窗制品能够在-40℃-70℃的温度条件下正常使用。
4）、有优异的耐候性、耐酸碱性、颜色牢固性，保证制品在不同的气候条件下长期使用，不产生变色、变形、表面粉化、光泽度丢失、物理性能下降等现象，达到期望的寿命。
5）、有较高的性能价格比；在满足以上要求的同时，要尽量降低配方成本。
四、原材料的选择
1、主原料的选择
1．1混合料是由聚氯乙烯树脂和助剂经过高速搅拌摩擦剪切产生热量达到一定的温度混合而成,树脂约占总量的80%左右,因此树脂的选择和质量控制尤为重要。工业化生产聚氯乙烯树脂常用的方法有悬浮聚合、乳液聚合、本体聚合和溶液聚合四种。树脂分为XJ-紧密型和SG-疏松型，疏松型树脂颗粒较粗，外表呈粗糙不平的棉团形状，内部疏松多孔，外形不规则，加工表现在干流动性好、易塑化、成型时间短、加工操作方便，使用于粉料挤出。型材企业一般选择悬浮法聚合的疏松型树脂作为主原料。
1．2聚氯乙烯树脂的性能取决于分子量的大小及其分布。分子量大小常用平均聚合度、粘度、粘数、K值表示，树脂的分子量越高，制品的机械性能、热稳定性、耐寒性越好，但流动性差、加工温度高，加工困难，综合各项因素，一般选择K值为65-68、平均聚合度为870-1000的SG-5型树脂。
1．3选用相应型号的树脂后，还应注意表观密度、过筛率、白度、鱼眼数、挥发物含量等几个指标，这些指标影响着混合料的流动性、过筛率、挥发份及制品的外观、颜色和加工性能。
2、辅助原料的选择
2．1抗冲击改性剂
PVC是硬脆性材料，抗冲击强度低，低温下韧性差，随着温度的降低迅速变硬变脆，受冲击时极易脆裂。为改善制品对缺口的敏感性和改进低温抗冲击性能，需在PVC混炼过程中加入抗冲击改性剂以改善其性能，抗冲击改性剂主要品种有CPE、ACR、EVA等，国外使用ACR改性较多，我国以CPE改性为主，也有部分企业使用ACR抗冲改性剂。
1）、氯化聚乙烯（CPE）
CPE为无定形网络聚合物，具有较好的耐候性、耐寒性、抗冲击性，与PVC有较好的相容性。随着CPE用量的增加，缺口冲击强度增加，拉伸强度、弯曲强度、维卡软化点下降，流动性能提高，综合各项因素，配方中选择8-10PHR为宜。CPE的氯含量和残余结晶度对抗冲效果影响较大，CPE氯含量在36-38%时，残余结晶度较低，抗冲效果较好。企业应定期对氯含量、热稳定性能等指标进行检测。
2）、丙烯酸酯类（ACR）
丙烯酸酯类抗冲改性剂是国外企业普遍采用的改性剂，在我国近年也有较快的发展。它属于核-壳结构共聚物，抗冲击效果优于CPE，具有加工范围宽、塑化快、热稳定性好、制品光泽度高等优点，且具有较好的耐候性，虽然价格昂贵，但正逐渐被中国市场所接受。现在也有厂家采用CPE与ACR共用改性的方法来提高抗冲性能，降低成本，可以借鉴。
2．2热稳定剂
聚氯乙烯树脂在高于100℃的温度下易发生脱HCl反应并导致降解和变色现象，因此加工中应加入热稳定剂，提高树脂的热稳定性能。国内常用的有铅盐、有机锡和稀土热稳定剂。
1)、铅盐稳定剂
铅盐稳定剂由于热稳定性能好，价格低廉，被欧洲和国内广泛采用，但由于铅有毒，易被污染，随着国内外对环保的要求越来越高，众多企业和机构正在寻求新的热稳定剂来替代。铅盐稳定剂的品种主要是三盐和二盐，可单独使用，也可共同使用。
2）、有机锡稳定剂
有机锡稳定剂被北美企业作为PVC的主要稳定剂，它价格较贵，但用量少、没有毒性、透明性和热稳定性好，所以也是主要的热稳定剂之一。
3）、稀土稳定剂
稀土稳定剂是近年我国涌现的新型稳定剂，由于具备独特的优势，发展迅速。稀土稳定剂与传统稳定剂相比，具有塑化快、流动性好、耐候性高等优点，特别是可以大大提高型材的冲击强度和门窗的焊角强度，在我国型材断面偏小的情况下，深受企业的欢迎，正在逐步推广。
2．3润滑剂
为改善物料的流动性，减少与设备的摩擦，提高加工性能，在加工过程中应加入适量的润滑剂，润滑剂分为内润滑和外润滑，常用的润滑剂有硬脂酸铅、氧化聚乙烯蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸等。
2．4光稳定剂
PVC和其他聚合物一样受紫外线照射会产生降解，因此必须在配方中添加必要的光稳定剂。型材制品中常用的光稳定剂有钛白粉和紫外线吸收剂。
1）、钛白粉
钛白粉在制品中，一方面提供遮盖力，一方面起到屏蔽紫外线的作用，防止PVC降解。钛白粉从晶型结构分为金红石型和锐钛型，型材制品使用经表面处理的金红石型钛白粉，所以在选择钛白粉时，要注意硅含量、铝含量、TIO2含量和表面处理技术，最重要的是通过制品进行耐候性实验选择钛白粉。
2）、紫外线吸收剂
由于配方中如二盐基铅盐、有机锡、稀土稳定剂等均可赋予PVC好的光稳定性，因此在一般情况下，门窗型材可以不加紫外线吸收剂，但在日照时间较长、紫外线辐射强的气候下、彩色型材或出于耐候目的，必须另外添加0.1-0.3PHR的紫外线吸收剂。使用较多的紫外线吸收剂有UV-531、UV-9等。
2．5填充剂
填充剂的主要作用是降低成本，提高硬度、刚度、挤出稳定性和尺寸稳定性，减小收缩率。型材制品采用的填充剂通常为活化轻质碳酸钙和重质碳酸钙，国内大多采用沉淀法生产硬脂酸活化的轻质碳酸钙，部分厂家正在尝试偶联剂（钛酸酯、铝酸酯等）处理的轻质碳酸钙。选择碳酸钙应注意它的细度、白度、活化效果、粒径分布等指标。
重质碳酸钙价格稍高，加工流动性好，但制品表面光泽度稍差，国外企业多采用重钙进行填充。
2．6加工助剂
加工助剂可以提高树脂的流动性，促进塑化，加快熔融速度，明显改善加工性能，型材制品常用丙烯酸酯类作为加工助剂。
五、混料工艺控制
1、 投料顺序
投料顺序应考虑各组份物质在配方中所起的作用、设备对物料投料顺序的要求。
一般顺序为：
PVC 稳定剂 改性剂 填充剂 钛白粉
原因：
a）、PVC物质在一定的温度下就出现分解，早期加入稳定剂，阻止PVC分解；
b）、最后加入钛白粉，一方面是避免钛白粉摩擦设备，另一方面防止早加入而影响挤出最终制品的表面光泽度。
2、 电子称称量
电子秤称量分为两个部分，负压吸料式称量和喂料式称量。
电子秤称量精度程序上分为两个部分控制：粗称极限值和细称极限值。
电子秤称量的静态秤的称量精确度≥动态称的称量精确度。
a）、称量顺序：
启动进料装置粗称极限值 微弱进料 细
显示
称极限值 结果
反馈到系统，重新测算细称极限值
b）、负压吸料式称量和喂料式称量比较
容器密封要求 附加装置（收尘设备） 维保、清理
负压吸料式称量 高 大 一般
喂料式称量 一般 布袋或收尘 容易
3、热、冷混温度的设定
3.1热混温度的设定
热混温度一般在110-120℃之间，具体温度值取决于配方、设备。如果热混温度设定较高，会使物料的凝胶化程度加深，使物料发生分解，严重时会使干混料颜色呈粉色；热混温度设定过低，物料的凝胶化程度不够，挤出时不易塑化。
合理的热混温度设定的方法：
制作热混温度和热混扭矩的曲线图，图中显示热混扭矩随温度的逐渐升高而增加，在达到一定的扭矩后下降，找到下降幅度最大的温度点即为所需的热混设定温度。
3.2冷混温度的设定
冷混温度一般控制在40℃以下。冷却的目的是将热混后的物料温度迅速降下来，以免长时间的高温使物料分解。混合好的干混料需要在室温下放置一段时间，既消除静电，提高干混料的流动性，又能提高挤出最终制品的光泽度。
4、电流
热混电流是热混中的重要参数，通过电流测算电机负荷，通过侧面了解混合料的状态。不同厂家选用的电机类型不同，厂家的配方、配方体系都存在差异，选用的原材料存在差异甚至季节的变化也会影响电流的值，因此电流的大小很难根据混料量的多少来大致确定。但电流变化较大时，需要检查组份的配比、原材料的情况和设备的情况。
5、热混时间
热混时间是指混料步骤启动到结束所用的时间。热混时间的长短一般为6-8分钟，取决于设备本身和控制系统、物料在容器内所占的体积、设定的热混温度的高低以及原材料。
6、转速
热混转速是指混料搅拌叶片最外延的线速度，是恒量设备性能、物料混合效果的重要参数。
线速度计算公式：
V线= n转速πD叶片
D叶片 示:搅拌叶片直径
n转速 示:叶片转速，r/s
不同设备厂家的线速度不同,一般在20-40m/s。在设计线速度时,取决于热混机内壁的形状、热混叶片的形状。
六、储存和输送
1.原材料的储存
原材料的储存条件要求干燥、通风。不同种原料应分开堆放，要有原材料名称标识，考虑到原材料不同批次之间的质量差异，要按批次码放，根据质量体系管理的要求，原材料必须有明显的检验状态表示，未检及不合格原材料不得使用。原材料领用本着先进先出的原则，领用记录必须注明原材料名称、产地、生产批次，以保证产品的可追溯性。
国外一般使用厂家提供的PVC罐装车直接进入PVC料罐，减少了树脂批与批之间的质量差异，保证质量的稳定性。也有将钛白粉和碳酸钙直接储存在料罐内的，在国内并不多见，但无疑是一种很好的储存方法。
2.混合料的储存
2．1PVC的配混过程中的仓储可分为三种类型：树脂及各种助剂混合前的仓储；混料过程中的仓储；混合后、加工前的仓储。在设计料仓容积时，要充分考虑流量平衡，设计过大会造成浪费，设计过小会造成断流。卸料困难是仓储过程中可能碰到的最大问题。卸料的难易取决于物料的特性和料仓底部的设计方式。由于树脂和各种助剂的混合前的物理特性不同，对仓储的要求也不同。一般来说，PVC树脂的流动性较好，颗粒较大，只要将料仓底部锥角控制在30度范围之内，并尽量使料仓表面平滑就可形成整体流动。而各种助剂在放料过程中很容易形成中心空洞或者干脆形成起拱（架桥）。为了防止现象出现，除了在料仓的结构设计上要求更合理之外，一般还需配备破拱的设计。常用的气动式破拱装置是在料仓的弹性夹层中通脉冲的压缩空气，或者直接将压缩空气导入可能产生架桥的部位。最常用的振动破拱的方式是“仓底活化器”式，通过料仓底部的整体振动达到破拱的目的。对于特别难以排放的物料，则可以采用专用的安装于料仓内部的机械卸料器。
2．2经过混合后的混合料应储存12小时以上方可使用，使其达到均化效果。一般在干混料罐内部增设隔流板，使混合料在进入干混料罐时流速不同再次混合，使其尽量均化，尽量减少混合料批与批之间的质量差异。由于混合料通过干混料罐储存，在物料进入料罐时，物料中低分子化合物及挥发物容易粘附在罐壁上，积累到一定程度就会随正常混合料进入挤出机，使挤出系统出现负荷下降、型材断筋及颜色变化，所以增加均化装置是十分必要的，即使有均化装置，也必须定期对混合料罐进行清理，保证混合料质量的稳定性。
在冬季，由于混合料罐内外温差较大，也容易使混合料粘附在料罐壁上。可以给干混料罐增加保温层，也可以在设计时将干混料罐放在厂房内，达到保温效果。
3、混合料的输送
混合料输送可分为稀相输送和密相输送两种输送方式。
设备投资 工艺复杂性 混合料稳定性 最大输送距离
稀相输送 低 低 一般 100米以内
密相输送 高 高 高 较远
根据挤出上料方式的不同，可分为：上料机上料、负压上料和负压绞刀上料。
上料机上料是指利用上料机将制备好的混合料从袋装或容器装内采用负压或弹簧上料的原理将物料送入挤出机料斗内；
真空负压上料是指利用负压将混合料从混合料库直接吸入挤出机料斗内；
负压绞刀上料是指利用负压把混合料从混合料库吸入挤出钢平台中间容器，再利用绞刀螺旋分配到挤出机料斗内；
七、混合料检验和加工性能测试
1、检测项目
1．1有效的控制混合料的质量可以确保型材制品的性能和挤出的稳定性，因此混合料的检测显得尤为重要，企业应具备对混合料的检测能力，国家对混合料的质量并没有什么标准，根据国内外企业的经验，一般需检测混合料的挥发物含量、表观密度、流动性能、热稳定性等指标。
由于企业可能采用不同厂家提供的原材料，而每种原料都有自己的特性，可能在生产工艺中会有差异，因此企业可以根据不同的主原料建立工艺档案，摸索出原料的特性，如更换原料进行生产时，可以相应的调整挤出工艺，保持生产的稳定性。
1．2挥发物含量
原料中的水分和易挥发分会影响混合料的流动性和制品的外观，如果含量过高，导致混合料流动性能差，制品外观有针眼、麻点，内腔有气泡，影响型材加热后状态。一旦发现混合料挥发物含量超标，应立即检查各种原辅材料挥发分状况，或者检查热混机排潮收尘装置是否堵塞，如出现异常要及时清理解决。
1．3表观密度
表观密度受树脂影响较大，不同厂家不同型号都有差异，并且跟原料在混料过程中的凝胶化程度有关，应建立一定的表观密度控制范围，如同种原料的混合料表观密度波动较大，就要及时检查混料效果。
1．4流动性能
混合料的流动性能与不同的原料（特别是树脂和加工助剂）、原料的挥发分有关。流动性能的测定可采用漏斗法测定。
1．5热稳定性
热稳定性的测试分为静态热稳定性和动态热稳定性测试。
1．5．1将混合料通过双辊塑炼机制片后放入热老化烘箱内，温度设置为180℃，每隔10或15分钟观察试片颜色变化和表面状况，评定混合料的静态热稳定性。
也可通过刚果红法进行静态热稳定性测试。将适量原料放在试管内，设置一定的温度后，通过刚果红试纸颜色的变化来判断混合料的氯化氢脱出量。此种方法也可对PVC树脂和CPE进行热稳定性评价。
1．5．2动态热稳定性实验可通过双辊塑炼机进行评价。将混合料放在双辊塑炼机间，在恒定温度下随辊筒旋转，观察记录原料的抱辊时间、粘辊时间、热分解时间，判断混合料的动态热稳定性能。
2、加工性能测试
通过双辊塑炼机可对原料的初期加工性能进行基本评价，有条件的企业也可通过转矩流变仪进行评价。转矩流变仪可以反应在恒定的温度和转速下转矩及温度随时间的变化。与双辊塑炼机相比，转矩流变仪更加接近挤出机的实际加工情况。
使用转矩流变仪，首先要确定加料量、测试温度、转速等参数。加料量可以根据公式W＝V×M×K来计算，温度的设定根据不同的稳定体系来确定，一般在175℃和190℃之间，其他参数根据不同的设备来确定，如果不测定热分解时间，可将测试时间设定在5分钟左右。得出曲线后，根据最低、最高、平衡转矩来判断可加工性和熔体粘度，塑化时间反应混合料在恒定的温度下凝胶化速率和塑化速度，时间-温度变化曲线反应不同转矩下的温度变化，通过观察停机样判断塑化状况和初期着色性。
转矩流变仪除了可以对配方性能进行评价，还可以帮助进行原材料的选择和评价。
结束语
塑料门窗在世界已有接近50年的历史，可在中国还属于一个新兴的行业，它的发展壮大取决于各企业对质量的重视程度。型材企业质量的根本就是混料系统，做好混料系统的质量管理必须从以下几个方面入手；
1、 选择设计合理、加工精密的优良设备；
2、 确定一个能够满足高质量要求、合理经济的配方；
3、 抓好进厂原材料的检验，把握混料系统的源头；
4、 强化混料工艺，围绕关键工艺控制点，确保过程控制；
5、 做好原料检验和测试。
质量取决于意识，重在管理，抓好混料系统质量管理才能确保生产优质的型材产品，牢牢掌握竞争的优势！
参考文献：
1、 韩宝仁,《配方设计技术与成型工艺》,聚氯乙烯塑料助剂与配方设计技术讲义
2、 李志英,《硬聚氯乙烯塑料异型材和塑料窗制造与应用》,中国建材工业出版社
3、 郑德,《门窗型材配方工艺技术与发展讲义》
4、 董文清，《硬PVC异型材生产中的温度控制》，门窗与幕墙，2002.37(1)
5、 王亚明等,《塑料门窗制造新技术》,中国轻工业出版社