建筑塑料制品的配方设计特点

发布时间:2011-05-31 来源: 环球塑化网 专题: 材料研发 打印

  建筑塑料制品中需要添加各种助剂, 在被加工制品的树脂品种相同情况下, 这些助剂的品种、规格、加入量、被加入的程序和方法, 往往就决定了这种建筑塑料制品特定的功能、性能、档次、应用领域。因此, 把握建筑塑料制品的配方, 尤其是配方中各种助剂的情况, 做到合理的配方设计, 是极为重要的环节。建筑用塑料制品的性能要求主要由所应用领域的功能和客观需要而定; 其配方设计则紧紧围绕所要求的功能、性能、制造工艺和生产投资进行综合考虑。对建筑用塑料制品的功能要求很多,一般可以从几方面来考虑。

  1 装饰功能

  这些年住宅建设和装饰装修材料的发展和淘汰速度都很快, 能经得起时间考验的建筑塑料制品既需要有优秀的装饰功能, 同时又要有时代流行感, 但选用的材质必须大气, 风格简约。无论是用于户外或是室内的建筑塑料制品, 都需要具有良好的装饰功能和品质性能。随着生活水准及审美观的不断提高, 人们在这方面的要求和能力也越来越高。为了体现这方面的优势,在配方设计上需要从选用的主要被加工材质的色系、着色性能、色牢度、流行感等建筑美学角度进行考虑, 还要考虑与之相配合的颜料" target="_blank">颜料、填料的亮度和细度、饱和度、光泽度、风格的协调性等。

  由于建筑塑料制品需要长期暴露在户外或在具有紫外线的环境中, 更要考虑这些材料的抗光老化、热老化和退色情况。具体可体现在以下几方面:

  (1) 不变色选用的树脂、填充物、着色剂具有优秀的抗紫外线功能和防水性, 在相当长的时间内不褪色、不变色、不脱落;

  (2) 质朴与时代感觉同在选用的材料与建筑整体风格有协调感、光泽和亮度符合时代感、返璞归真感、天然质感。

  (3) 整体协调与简约、大气涉及的建筑塑料制品的造型、风格等有建筑装饰整体协调性, 用于关键部位的产品甚至能起到画龙点睛作用。

  2 健康卫生要求

  健康卫生、以人为本、环保绿色, 对环境和人无任何污染影响(包括有害气体、有害辐射、光污染) , 无论加工、建造、施工、居住都没有不良因素存在。这是目前建筑塑料制品必须重点考虑的因素。这从配方角度主要考虑选用的原材料(尤其是添加剂) 要无毒、无害、无污染。环保型建筑塑料制品的设计中需要考虑的方面很多, 下面介绍几类环保型建筑材料用的添加剂。

  2. 1 稀土热稳定剂

  从健康绿色理念出发, 建筑塑料制品的配方设计中就需要尽可能减少和杜绝以往的不健康物质。如原先用于建筑塑料门窗的稳定剂为铅盐类添加物, 对人体有害, 现在高档次的住宅都提出了这些问题。因此,我们在配方设计上尽可能采用对人体影响少和无影响的稳定剂, 如稀土类稳定剂。可用于建筑塑料(硬PVC) 制品的稀土热稳定剂品种很多, 近年来在健康住宅观念的驱使下发展也较快。主要的稀土热稳定剂有: 羧酸酯稀土、脂肪酸稀土、氟化稀土、硬脂酸稀土、氨基酸稀土、柠檬酸稀土等。稀土类热稳定剂的加入量一般为1 %~2. 5 %。由于目前纯稀土PVC 的热稳定剂尚不能满足热稳定要求, 常用的是低毒的稀土复合热稳定剂。

  2. 2 天然填料

  配合健康理念的配方设计还应尽可能多用无机天然填充物。很多天然填充物在建筑塑料制品的配方设计中不仅满足某些特殊的功能需要, 还大大降低了成本, 提高了制品的性价比, 增加了建筑塑料制品的市场竞争力。常用于建筑塑料制品的无机填充物非常多, 有各种矿粉(如石英砂、滑石粉、碳酸钙) 及天然纤维(麻纤维、玻璃纤维等) 。天然纤维在制品的配方体系中能起很好的增韧、增强及提高力学性能的作用, 有一定改善耐热性等作用。建筑塑料制品中的天然纤维加入量一般在10 %~30 %左右。

  2. 3 废弃物填料

  由于建筑塑料制品一般为大面积、大体积、规模应用的产品, 有时候它还是使废弃物变为宝藏的良好载体, 这主要体现在许多固体工业废弃物经处理后作为功能性填充物。比如,可将尾矿粉体和渣、粉碎和干燥处理的植物纤维、处理过的废旧热塑性和热固性塑料、废橡胶粉体、金属渣粉等用于建筑塑料中。只要功能设计合理、性能应用得当, 很多工业废弃物都可经过处理成为建筑塑料制品配方中具有特定功能的再造新材料。如铜粉、铝粉、矿石粉、造纸污泥纤维粉、麦秸秆、稻草、木纤维、竹纤维等植物的粉体等经过专门处理后都是有价值的环保建筑功能材料。当然,加入量不能过多, 一般为10 %~50 %不等, 具体视不同的建筑塑料制品的综合理化性能要求而定。日本在这方面的工作做得非常好。

  2. 4 抗菌防霉剂

  建筑塑料的抗菌防霉是一个很重要的环节。这里有两方面: 一是防霉, 涂料、壁纸等装饰性塑料建材和水性涂料的乳液较易霉变, 在配方中一定要加入防止霉变的添加剂。二是抗菌、抑菌、防菌、防病毒, 在有些特种或特殊场合应用的塑料建材, 还必须考虑能抵御和杀灭细菌和病毒。

  3 耐老化性能要求

  建筑塑料制品大都用于户外, 直接受紫外线照射和风雨吹打, 因此对抗光老化、热老化、抗氧化都有较高的要求。这就要求在建筑塑料的配方中必须加入抗老化和抗氧化的光稳定剂。

  3. 1 光稳定剂与聚合物的光敏感性

  不同的塑料对紫外光的老化敏感程度不同。

  

 

  3. 2 光稳定剂的种类和用途

  可用作建筑塑料制品光稳定剂的品种很多,主要从几方面作用进行配方设计。

  3. 2. 1 起光屏蔽作用的稳定剂

  光稳定剂的主要作用之一是光屏蔽。光屏蔽是防止聚合物老化的第一道防线, 主要是反射紫外光, 使其不得进入聚合物内部, 这些光屏蔽剂主要为一些无机填料和颜料, 常用的品种有氧化锌、炭黑、金红石型钛白粉等。

  3. 2. 2 紫外线吸收剂

  目前建筑塑料制品中的光稳定剂主要采用紫外光吸收剂。有代表性的紫外线吸收剂为:

  (1) 水杨酸双酚酯、水杨酸对叔丁基苯酯等,在光照后能使聚合物分子得到重新排列的先驱性紫外线吸收剂;

  (2) 吸收紫外线范围很宽的苯甲酮类紫外线吸收剂,其代表性物质是UV- 531。这类光稳定剂的热稳定性好,毒性低,对紫外线的吸收能力强。它的另一特点是有着淡黄色的着色性,加工后,制品可呈现出很自然的象牙色泽。其缺点是与聚合物之间的相容性不是很好,影响制品的综合性和塑化程度;

  (3) 苯并三唑类紫外线吸收剂, 如UV326、UV327。

  3. 2. 3 光猝灭型稳定剂

  这类添加剂对紫外线的吸收能力很小, 但它能猝灭聚合物的活性自由基, 常用于塑料薄膜和纤维,尤其常用于聚烯烃类聚合物中。其代表性品种有光稳定剂2002、光稳定剂1084 等。但这类稳定剂不适于透明度要求较高的塑料制品。

  3. 2. 4 光老化自由基捕捉型稳定剂

  这类光稳定剂也称受阻胺类光稳定剂, 其稳定效能比紫外线吸收剂要高出数倍, 它可以捕获聚合物中由于老化而产生的自由基, 使得聚合物可以重新保持分子的结构稳定。这类稳定剂常用于聚烯烃类和聚氨酯类塑料制品中, 其代表性的品种有光稳定剂944、744 等和一些亚磷酸酯类物质。

  

 

  3. 3 光稳定剂的使用方法与性能效果

  光稳定剂在配方中的添加量只是百分之几,但在其中的作用非常重要。一般来说,液态稳定剂的应用效果较好, 而且容易分散, 加工后的材质和性能都很均匀。固体的稳定剂大都呈粉末状态,为了保证均匀性, 颗粒较大的稳定剂一定要进行粉碎,最好还能与其他的助剂(如颜料" target="_blank">颜料、增塑剂等) 一起研磨成复合浆料, 然后再加入, 以利于建筑塑料制品能够得到比较均匀的理化性能。由于稳定剂的粒径和密度的大小各不相同,尤其是在与其他助剂配伍后共同进行研磨时, 由于密度和比重的差异, 耐热性能等各不相同, 故在初始研磨时研磨温度和速度都不宜太高, 以防止稳定剂再次结团或发生其他不良性变状况。另外,对有些盐类的稳定剂, 还应该注意干燥保存, 以防受潮吸收水分, 从而影响其细度和加工分散均匀效果。

  3. 4 光稳定剂的环保性能

  从现代建筑环境看, 以人为本的理念日趋受到重视, 相应的建筑和环境法规也在不断出台, 这就使得建筑塑料制品的环保和使用安全显得越来越重要。光稳定剂的环保性能还主要体现在建筑塑料制品所选用的光稳定剂应该是无毒无害的, 尤其是被应用在室内的建筑塑料制品, 人们对这方面的要求已经越来越高, 要严格防止稳定剂中的铅、镉、钡、铬等重金属超出国家和国际的相关环保标准。还要防止由于不健康的填充料、颜料等引起的放射性、毒性、有害挥发气体等污染。

  4 阻燃性要求

  建筑塑料制品具有阻燃性是指制品在遇到明火时会阻燃或自熄。有些聚合物本身具有自熄性,如pvc。这也是目前在建筑塑料制品中应用聚氯乙烯材料最多的主要原因之一。但是近年来,由于环保要求越来越高, 尤其是在欧美国家, 对聚氯乙烯材料在居室内的应用和很多重要建筑工程领域的使用提出了很多限制, 从而大多改用聚烯烃塑料。但是, 由于聚烯烃材料很容易燃烧, 其使用中的阻燃性问题、阻燃剂的毒性问题、阻燃效果、使用性能和综合经济效果又成了建筑塑料制品配方设计中一个很主要的问题。

  表3 列出了一些常用阻燃剂的品种、特点和常见的应用领域。很多无机材料和有机化合物也都可以作为塑料制品中的阻燃剂, 不同的聚合物所适合的阻燃剂的品种是不同的。

  5 清洁性要求

  5. 1 塑料制品的清洁性能和抗静电能力

  建筑塑料制品的清洁性主要表现在可清洁与抗污性, 而抗污性与制品的抗静电性能有很大关系。大多数建筑塑料制品都要求有优良的绝缘性, 尤其是应用于电子和电器工业中的聚合物产品。但是, 建筑制品需要在日常生活中与人和物接触摩擦, 高绝缘性要求从另一方面带来了静电的危害。由于摩擦产生静电时, 电阻值很高, 也很难消除。这使得建筑塑料制品的表面很容易吸附灰尘, 这大大影响了制品的美观性能和清洁性能, 同时还会降低其透明度, 影响到应用效果。可以用建筑塑料制品的体积电阻率和表面电阻率以及吸尘指数来衡量制品表面的带静电程度, 电阻值越高, 吸尘指数越高, 表面越容易积聚电荷,从而产生静电。塑料的带电性能根据体积电阻率的大小可分为5 类。用于生产建筑塑料制品的大多数热塑性树脂属于1、2、3 类,体积电阻率较大, 这类聚合物加工时常常需要在配方中加入抗静电剂。

  

 

  5. 2 抗静电剂的种类和应用性能

  根据使用方法, 抗静电剂可以分为外涂型和内添加型。外涂型抗静电剂通过喷涂、浸涂、刷涂、辊涂等进行表面涂敷, 具有高效、快捷、经济等优点。但由于仅仅为表面涂敷, 摩擦接触时间一长,会影响持续抗静电效果。内添型抗静电剂是直接在配方中加入, 表里同质均匀, 有长效抗静电效果,在建筑塑料制品中应用较广。目前常用的抗静电剂品种有阳离子型、阴离子型、非离子型、两性离子型,大都以表面活性剂型为主。

  5. 2. 1 常用的阳离子型抗静电剂

  阳离子型抗静电剂消除静电的效果比较明显,缺点是耐热性差。其代表品种有:

  (1) 抗静电剂SN外观呈淡黄或琥珀色液状,180 ℃开始分解,用量0. 5 %~2 % , 适用于abs、PE、PP、PET等, 特点是耐久性好, 可与非离子型抗静电剂合并使用, 与人接触无刺激性。

  (2) 抗静电剂LS白色结晶状粉末, 熔点为100 ℃左右, 235 ℃开始分解。特点是静电消除效率高, 热稳定性好, 加工流动性好。常用于PVC、PS、ABS、PE、PP 等多种塑料,一般用量0. 5 %~2 % ,对皮肤有中等刺激。

  5. 2. 2 常用的非离子型抗静电剂

  非离子型的抗静电剂由于耐热性好而被广泛使用。

  (1) 抗静电剂HZ- 1外观呈白色或白灰色粉末状, 是羟乙基烷基胺、高级脂肪醇、二氧化硅的复配物质。它的分解温度大于300 ℃, 抗静电性能很优良。可广泛用于PP、PE 等建筑用管材、板材。该抗静电剂的加入量一般在0. 3 %~1 %。

  (2) 抗静电剂ECH烷基酰胺类物质, 浅黄色蜡状物, 它的分解温度大于300 ℃,用于硬质聚氯乙烯建筑塑料制品。

  (3) 抗静电剂KHD - 300、KHD - 311前者是高级脂肪醇、环氧氯丙烷、单乙醇胺的缩合物, 后者是前者再加上协同剂之后的复配物,外观呈黄色蜡状。该抗静电剂的抗静电效果显著。常用于ABS 等建筑塑料制品中,用量为2 %左右。

  (4) LDN、LDB前者为二乙醇月桂酰胺, 外观为浅色乳白片状物, 后者为浅黄色粘稠状, 属高效非离子型抗静电剂。常用于多种聚合物建筑塑料中。如用于LHDPE 时的用量小于0. 05 %~0. 25 %; 用于HDPE和PP 时的加入量为0. 05 %~1 % , 主要特点是无毒。

  5. 2. 3 通用型抗静电剂

  抗静电剂CA2 ,外观为琥珀色液体。它属于通用型抗静电剂,常用于ABS 建筑塑料制品中,一般用量为0. 1 %~0. 5 % ,无毒性。

  5. 2. 4 常用的导电填料

  常用的导电填料主要有炭黑、石墨、各种金属粉体等。炭黑经常要选用高导电炉炭黑和乙炔炭黑。作为导电建筑塑料制品, 炭黑加量需要50 %;而作为一般的抗静电剂使用时, 建筑塑料制品中的炭黑加量为25 %左右。加入的抗静电剂的实际抗静电效果还与炭黑的粒径及其分布情况、形状、炭黑中的灰分含量等因素有关。粒径越小,比表面积越大, 改变电性能的效果也越好。但是, 粒径越小,加入和混合时的均匀性越难控制。

  其他导电填充料, 包括石墨和金属粉末, 石墨一般很少单独作为导电填充料使用, 经常与炭黑并用。常用于建筑塑料制品的金属粉末有镍、锌、铁、铜等。这些金属粉体在改变制品的电性能的同时, 还兼作为增强和着色功能助剂, 让建筑塑料制品具有某种金属的外观, 如仿铜、仿银制品等, 尤其适用于建筑五金和建筑装饰制品。

  6 轻质性要求

  建筑塑料制品大都要求高强度、轻质量。除了选用的聚合物本身需要满足这点以外, 还经常用发泡和选用轻质填充料的方法来降低原料的成本和减轻自重。

  6. 1 发泡

  将聚合物发泡是建筑塑料制品加工中常用的方法。发泡制品有很多优点, 可以节省成本、减少建筑物自重, 由于聚合物建筑制品很多用作装饰装修材料, 经过发泡后还可增加减振、降噪、隔音、保温等功能。

  发泡剂是能使聚合物形成泡孔结构而在配方中加入的一类添加剂, 通过化学发泡或物理发泡的方法使得材料在一定的工艺条件下产生大量气体, 让聚合物膨胀后变成均匀的多泡孔结构。常用于建筑塑料制品的物理发泡剂主要是甲烷类、乙烷类、惰性气体等。化学发泡剂又称分解性发泡剂,是在加工温度下使得发泡剂迅速分解,产生大量气体而发泡, 代表性物质有偶氮二甲酰胺、碳酸氢铵、亚硝基类等。

  6. 2 轻质填料

  用于建筑塑料制品的填充料除了经济性能以外,还要考虑质量轻。较常用的轻质填料有轻质碳酸钙、蛏石、沸石、硅微粉、木粉等。

  7 着色性要求

  建筑塑料制品必须要有较好的着色性, 这就要在制品设计和加工时, 考虑选用合理的着色剂。建筑塑料制品选用的着色剂要符合几个原则:

  (1) 符合建筑流行色和仿真感、鲜亮度、亚光感、柔和感、并对瑕疵有遮盖性;

  (2) 颜料的可加工性、和聚合物之间的相容性、分散均匀性好;

  (3) 耐老化性,耐光照性能,热稳定性、耐化学性能好。

  8 增强性能

  建筑用塑料制品在不单纯作为装饰用制品时, 由于结构功能上的要求, 通常采取结构增强措施。增强的形式和方法有多种,有整体增强或局部增强,用于增强的品种也很多。

  8. 1 增强剂的种类

  由于建筑塑料制品担当一定的功用, 大都有一定的强度要求, 而且又要强调经济成本, 合理经济应用增强材料是建筑塑料制品配方中最有功能性和特色的部分。可用于作为增强剂的物质很多,大都是天然矿物粉末, 此外, 以经过特殊处理的工业织物纤维如麻纤维、化纤纤维、玻璃纤维等; 一些工业废弃物, 如植物纤维中的木纤维、竹纤维、各种农作物秸秆纤维, 废玻纤、造纸污泥纤维等也可用作增强剂。建筑塑料制品中常用的矿物增强剂有:石英砂、玻纤、硼纤维、碳纤维、碳酸钙、滑石粉、晶须、云母粉等。

  8. 2 增强剂的应用特性

  8. 2. 1 增强纤维

  玻纤已经在很多聚合物中作为增强剂, 有全面增加综合力学性能和改善聚合物热性能的功能,在建筑塑料制品中的应用较成熟,可在中文在线天堂AV、PP、PE、ABS、PS、PA 中提高强度。玻纤的缺点是脆性大, 柔性小, 加工后的制品表面状况不够细腻光滑。玻纤在建筑塑料制品中的加入量可根据制品的不同需要从5 %~40 %不等。碳纤维是目前极好的建筑补强材料, 能在多种热塑性和热固性树脂中起增加强度、刚性、耐蠕变性能、耐磨损性能的作用, 轻质、柔韧性好, 还具有增加导电性、导热性、耐腐蚀性、隔振性、尺寸稳定性等特点,一般在聚合物中的加入量可以达到20 %~40 % , 可成数量级地提高中文在线天堂AV、PP、PE、ABS、PS、PA 等的性能, 碳纤维在建筑塑料制品中应用的局限主要是纤维本身的成本较贵。硼纤维的特点是密度较小,弹性模量大, 同样加入量的硼纤维增强塑料的强度可以达到玻纤增强塑料的5 倍。目前,硼纤维已经大量用于国防建设材料中。在建筑塑料制品中之所以没有大量应用的主要原因是价格较贵。

  8. 2. 2 晶须

  主要是氧化铝、碳化硅等, 是近年来新发展的增强材料, 可以在很多热塑性树脂和热固性树脂中起增强作用, 有较大的发展空间; 钛酸钙纤维的特点是纤维细小, 对加工设备和模具的磨损小, 外观呈白色针状结晶体。钛酸钙的应用特点是要用合适的偶联剂(以硅烷偶联剂为好) 。

  8. 2. 3 粉末填料

  影响聚合物填料性能的因素很多。首先是填料的形状,填料的形状主要有球形、片状、粒状、柱状、针状纤维等。针状纤维的填充料对建筑塑料制品的力学性能, 尤其是抗拉强度的改善较为有利,但对成型加工性能有一定的影响; 相反, 圆球状的填料会提高建筑塑料制品的成型加工性能, 但会降低基本力学性能。为了全面提高综合性能,经常采用多组分填料, 将两种填料结合应用, 以便取得综合优势性能互补。

  9 相容和偶联性能

  9. 1 偶联剂的应用功能

  建筑塑料制品由于是多组分配方, 加工时要考虑各组分之间要有较好的相容性, 这就要考虑在配方中加入合理、适量的相容偶联剂。偶联剂其实是一种具有两性结构的物质, 分子中的一部分基团具有亲有机基团的性质, 可与有机高分子材料发生反应或实现物理缠绕; 另一部分基团具有同无机材料结合的能力, 同无机材料的表面基团发生反应,形成化学键结合体系。正是偶联剂作为桥梁将采用无机填充增强的建筑塑料制品中两种性质截然不同的物质牢固地结合起来。

  9. 2 偶联剂的种类和应用特性

  建筑塑料制品中常用的偶联剂品种有钛酸酯偶联剂、硅烷类偶联剂、铝酸类偶联剂、铝钛复合偶联剂等。其中最常用的是硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂。

  9. 2. 1 硅烷偶联剂

  这是建筑塑料中最常用的偶联剂, 可用于高分子材料和各种无机材料的偶联, 尤其对硅酸盐类的偶联效果最好。不同聚合物品种对具体的硅烷偶联剂品种要求不同。

  

 

  9. 2. 2 钛酸酯偶联剂

  在钛酸酯偶联剂中, 亲有机的基团通常为长链基团, 会与聚合物链团发生缠绕作用, 借助于分子间的范德华力连接在一起。这种偶联剂特别适合于聚烯烃类树脂, 长链缠绕可改善应力情况, 提高抗冲击性能、延伸率、剪切强度。这种偶联剂还能改善聚合物或复合材料的表面能, 降低熔融粘度,有助于改善聚合物的加工熔融流动性。

  9. 2. 3 铝酸类偶联剂和铝钛复合偶联剂

  这些偶联剂应用不如前两类多, 它们的优点是能较好地降低熔融粘度, 提高分散均匀性; 价格较低, 充当填充物时可较大比例地进行填充。钛酸酯偶联剂还可以和硅烷偶联剂共用, 具有协同效应。用它对玻纤进行偶联,可大大提高偶联效率。影响偶联效果的因素很多,填充剂的干燥程度、形状、酸碱度、粒径及其分布均匀性、比表面积、化学组分等都会直接影响偶联效果。

  10 结束语

  建筑塑料制品作为要求规模化应用、有着多重功能、对结构性能和装饰性能都有较高要求的聚合物制品, 随着人们生活水准和塑料加工业的不断发展, 今后还会有更高更新更多的要求, 所有这些要求必须通过配方设计来完成, 根据不同的功能和性能要求, 建筑塑料制品的配方设计将会有不同的特点,进一步实现多功能化。

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