Причины и решения пожелтения профилей из ПВХ

При производстве профиля из ПВХ и его применении происходит термофотоокислительная реакция. Макромолекула полимера окисляется следами влаги, кислотами, щелочами и другими примесями под воздействием тепла и давления, в результате чего молекулярная масса уменьшается, а молекулярная структура изменяется. Этот химический процесс называется деградацией; наиболее очевидным проявлением этого явления является пожелтение поверхности, постепенное исчезновение блеска и даже изменение серого цвета. Обесцвечивание профиля вызывает у заказчика сомнения в эксплуатационных характеристиках материала ПВХ, что чревато серьёзными последствиями.
Обесцвечивание профиля ПВХ
Тепло, кислород, фотостарение
Многие люди считают, что решение проблемы неоднородной обработки цвета профилей может уменьшить хроматическую аберрацию, если только линия производства желтеющих профилей будет работать при пониженной температуре обработки. Однако некоторые полагают, что наибольший эффект желтизны оказывают ПВХ, СПЭ, стабилизаторы, а также различные партии ПВХ, СПЭ и других основных вспомогательных материалов, из-за чего при обработке возникают различия в цвете. В этом случае даже если добавить определённое количество отбеливателя или антифотостарящего агента одним и тем же способом, это практически не повлияет на ситуацию.
Основным проявлением изменения цвета, вызванного теплом, кислородом и фотостарением, является пожелтение профилей. Некоторые производители стабилизаторов при продвижении своей продукции утверждают, что их продукты превосходят аналогичные товары конкурентов, позволяя сократить количество копий и снизить затраты. Это действительно может привести к получению внешне удовлетворительных профилей, однако при переработке отходов, в условиях жестких требований к температурному режиму процесса, из-за недостаточной эффективности термической стабильности повреждения молекулярной структуры ПВХ не обнаруживаются невооруженным глазом. Поэтому в ходе производства возникают следующие ситуации:
(1) При обработке профиля выясняется, что цвет не однороден (если допускается небольшое отклонение цвета);
(2) Профиль явно становится жёлтым после нагрева и деформации;
(3) Государство становится хорошим после нагрева, но профиль приобретает серый цвет, если дверь и окно недостаточно длинные. Профиль не желтеет в процессе обычного производства, однако желтеет в более поздних оконных изделиях.
В процессе производства профиля, при неизменности основных условий — исходного сырья и форм — повышение температуры на участках пластификации и гомогенизации примерно на 5 °C приводит к тому, что получаемый профиль начинает желтеть, что свидетельствует о недостаточной эффективности термостабилизации. В связи с этим следует увеличить количество добавляемого термостабилизатора, особенно если в состав формулы включен такой помощник, как флуоресцентный отбеливатель; в этом случае термостабилизатора недостаточно, и эффект отбеливания становится неочевидным.
Связь между молекулярной структурой и цветом ПВХ
(1) Поскольку ПВХ-смола является термочувствительным пластиком, её светостойкость низка. Под воздействием тепла и света в цепи происходит реакция отщепления HCl с образованием молекул полиеновой структуры. Если количество сопряжённых двойных связей в основной цепи не слишком велико, возникает заметная разница в цвете; при этом хлороводород сначала реагирует с потенциально кислотно-активными веществами, находящимися вокруг, в результате чего его сопряжённая двойная связь становится новым активным центром в молекулярной цепи ПВХ. После инициирования светом до состояния макромолекулярного радикала ПВХ легко окисляется, что приводит к изменению цвета.
(2) В ПВХ-смоле содержится определённое количество низкомолекулярных компонентов, что снижает термостабильность полимера. Механизм разложения ПВХ включает радикальный механизм, ионный механизм, мономолекулярный механизм и т.д. На него может влиять качество самой ПВХ-смолы, например, наличие избыточного остаточного инициатора в ПВХ-смоле.
(3) Если в полимере присутствует какая-либо примесь, например, инициатор, катализатор, кислота, щёлочь и т.д., добавленные во время полимеризации, которые не удалены полностью, или если вода поглощается при хранении и транспортировке, стабильность полимера снижается. Ведь эти вещества могут вызывать реакцию молекулярно-ионного разложения, в результате чего CPE содержит больше низкомолекулярных веществ, таких как Cl₂ и HCl, что легко ускоряет термическое разложение смолы. Поэтому для системы ПВХ-CPE, которая отличается недостаточной стабильностью, проблему пожелтения некоторых профилей можно устранить, увеличив количество стабилизатора.
(4) структура профиля из жёсткого ПВХ, где полимер ПВХ служит непрерывной фазой многокомпонентной смеси, замешанной с термостабилизаторами, светостабилизаторами, смазочными веществами, наполнителями и пигментом — это «смешанная система, состоящая из профиля ПВХ, которая при воздействии на него естественной окружающей среды, после дегидрохлорирования компонента ПВХ, приводит к преобразованию исходного компонента карбоната кальция в новый компонент хлорида кальция, который распределяется в слое окислительной деградации и образует потенциальную зону поглощения воды, что и становится причиной пожелтения наружного профиля».
(5) Помимо температуры и напряжения, пластик подвергается термическому напряжению из-за касательного и растягивающего напряжений при интенсивном перемешивании, холодном перемешивании, экструзии и т.д. перед формованием.
При устранении хроматических аберраций один метод не является идеальным для решения проблем. Например, по следующим четырём аспектам его применение позволяет быстрее справиться с задачей:
(1) снижение температуры обработки и отбеливание без снижения температуры обработки;
(2) Воздействие простого добавления одной свинцовой соли в составной стабилизатор не лучше, чем увеличение количества самого составного стабилизатора;
(3) Лучше использовать некоторые стабилизаторы вместо стабилизаторов, а также применять отбеливающую маточную смесь или наполнитель с высокой белизной для усиления эффекта диоксида титана.
(4) Просто добавьте диоксид титана, а затем умеренно усиливайте действие некоторых внутренних смазочных материалов. Считается, что низкомолекулярные вещества оказывают пластифицирующее воздействие на полимеры. Один из механизмов заключается в том, что взаимодействие между макромолекулами и малыми молекулами замещает собой взаимодействие между самими макромолекулами, благодаря чему движение сегментов макромолекул становится гораздо более свободным.
Вышеупомянутые меры позволят предотвратить разложение ПВХ в различной степени и уменьшить неоднородность цвета при обработке профилей. Наиболее эффективный способ — оптимизировать дизайн за счёт стабильной системы и принципиально подавлять сопряжённую и редкую структуру цвета ПВХ.
В производственной практике профиль подвергался УФ-старению в течение 12 часов с помощью самодельной УФ-ламповой трубки, и наблюдалось значительное изменение цвета. Своевременное тестирование продукта на естественное атмосферное воздействие при старении, несомненно, необходимо для отбора формул с отличной устойчивостью к погоде из небольших материалов.
Свинцовое серное загрязнение
После того как профиль из ПВХ подвергается воздействию дождя и яркого солнечного света на открытом воздухе, его поверхность меняет цвет. На одном и том же окне некоторые профили более сильно обесцвечены в тех местах, где остаются капли дождя, и их поверхность приобретает светло-серый или бледно-серый оттенок по другим причинам. Кроме того, неравномерное распределение ультрамарина — светлого цианового красителя — также является одной из причин. Ультрамарин, содержащее алюмосиликатную серную соединение, устойчив к щелочам и кислотам и используется в профилях из ПВХ в значительных количествах. Теоретически считается, что явление обесцвечивания может быть вызвано действием серных соединений, и этот процесс уже наблюдается на многих заводах, выпускающих дверные и оконные профили. Это заметная проблема, связанная с использованием стабилизаторов на основе свинцовых солей, а также с добавлением менее качественного диоксида титана и профилей с ультрамарином.
Некоторые производители сообщили, что профили, контактирующие с резиновыми уплотнительными полосами, также имеют явную обесцвечивание, которое распространяется на периферию. Помимо низкокачественных уплотнительных полос, содержащих легко оседающие маслянистые вещества и т.д., другой причиной является остаточный серный компонент и свинец в резиновой уплотнительной полосе, что приводит к образованию сульфида свинца.
Отбеливание профилированных материалов
Диоксид титана является лучшим белым пигментом и широко используется в пластиковых профилях. Он также является очень эффективным светозащитным средством. Диоксид титана рутильного типа (тип R) имеет относительную плотность 4,26 и показатель преломления 2,72. Он способен отражать или преламливать большую часть видимого света и полностью поглощает ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 410 нм. Этот материал обладает хорошей термостойкостью и устойчивостью к атмосферным воздействиям, а также эффективно защищает от ультрафиолетовых лучей. Одним из важных сырьевых компонентов, обеспечивающих стойкость профилей к внешним воздействиям, а также препятствующих дегидрохлорированию ПВХ и замедляющих его разложение, является диоксид титана. Однако из-за высокой рыночной стоимости некоторые производители снижают содержание диоксида титана до 3,6 частей или даже меньше, что значительно ухудшает устойчивость профиля к атмосферным факторам.
Когда содержание диоксида титана в продукте составляет 8%, степень укрывистости стремится к балансу, что не приносит пользы за пределами этого диапазона. Поскольку добавление диоксида титана в полимерный материал увеличивает вязкость, подвижность снижается, а крутящий момент растет, что затрудняет обработку. В целом можно добавить около 5 частей, а для повышения белизны можно добавить небольшое количество флуоресцентного отбеливателя.
Флуоресцентный отбеливающий агент представляет собой особый вид порошкообразного органического вещества, способного поглощать ультрафиолетовый свет длиной волны менее 400 нм, преобразовывать поглощенную энергию и излучать фиолетовую или синюю флуоресценцию длиной волны 400–500 нм, компенсируя таким образом потерю отражения матрицы. Таким образом, можно сказать, что флуоресцентный отбеливающий агент не только осветляет, но и обладает определённым эффектом поглощения ультрафиолетового излучения. Небольшое количество синего пигмента добавляется к белому продукту для достижения цели «приглушения желтизны». Флуоресцентный отбеливающий агент увеличивает количество отражённого света, «добавляя свет», и за счёт этого осветляет с помощью синего цвета. Эффект «приглушения» при этом отличается, благодаря чему повышается поверхностная яркость продукта, делая его цвет более чётким и живым, достигается также эффект «восстановления белизны».
Выбор флуоресцентного отбеливающего агента должен учитывать температуру плавления и разложения, светостойкость, растворимость и длину волны максимального поглощения.
Отечественные общие отбеливатели, такие как тип PF, имеют низкую температуру разложения — начальную температуру разложения 178 °C, максимальную длину волны поглощения 363 нм и явление сублимации. Хотя цена у них невысокая, эффективность оставляет желать лучшего. Например, тип 0B имеет температуру плавления 196–203 °C, температуру разложения выше 220 °C и максимальную длину волну поглощения 375 нм; тип «0B-1» — температуру плавления 353–359 °C, максимальную длину волну поглощения 374 нм и максимальную длину волны флуоресцентного излучения 434 нм; при этом тип «127» особенно подходит для изделий из ПВХ.
Выбор пигмента
Многие производители выбирают неорганические пигменты для придания яркости белому и цветам, полагая, что они обладают хорошей светостойкостью, однако они не знают, что на самом деле их стойкость составляет всего 1–2 (что подтверждено испытаниями на старение в Гуанчжоу). Хотя ультрамариновый синий обладает очень высокой термостойкостью, его кислотостойкость крайне низка. Ведь ПВХ при обработке разлагается с выделением хлороводорода, и если смешивание происходит неравномерно, легко может произойти распад части высокомолекулярного материала с высоким содержанием ультрамарина, что приведёт к образованию свободной серы. В свою очередь, сера вступает в реакцию со свинцовыми солями стабилизатора, образуя сульфид свинца, из-за чего белый профиль становится тёмным.
Флуоресцентный отбеливающий агент и фталоцианиновый синий используются для отбеливания и цветовой градации в профилях из ПВХ; при этом устойчивость к погоде лучше, чем у ультрамарина. Однако количество фталоцианинового синего не контролируется должным образом. Количество красителя на 100 кг ПВХ/1,5 г пигмента фталоцианинового синего в 20 раз превышает аналогичный показатель для ультрамаринового синего, что легко приводит к хроматической аберрации, а общее восприятие цвета из-за характерного зеленоватого оттенка фталоцианинового синего оказывается неудовлетворительным.