建筑塑料制品中需要添加各種助劑, 在被加工制品的樹脂品種相同情況下, 這些助劑的品種、規格、加入量、被加入的程序和方法, 往往就決定了這種建筑塑料制品特定的功能、性能、檔次、應用領域。因此, 把握建筑塑料制品的配方, 尤其是配方中各種助劑的情況, 做到合理的配方設計, 是極為重要的環節。建筑用塑料制品的性能要求主要由所應用領域的功能和客觀需要而定; 其配方設計則緊緊圍繞所要求的功能、性能、制造工藝和生產投資進行綜合考慮。對建筑用塑料制品的功能要求很多,一般可以從幾方面來考慮。
1 裝飾功能
這些年住宅建設和裝飾裝修材料的發展和淘汰速度都很快, 能經得起時間考驗的建筑塑料制品既需要有優秀的裝飾功能, 同時又要有時代流行感, 但選用的材質必須大氣, 風格簡約。無論是用于戶外或是室內的建筑塑料制品, 都需要具有良好的裝飾功能和品質性能。隨著生活水準及審美觀的不斷提高, 人們在這方面的要求和能力也越來越高。為了體現這方面的優勢,在配方設計上需要從選用的主要被加工材質的色系、著色性能、色牢度、流行感等建筑美學角度進行考慮, 還要考慮與之相配合的顏料" target="_blank">顏料、填料的亮度和細度、飽和度、光澤度、風格的協調性等。
由于建筑塑料制品需要長期暴露在戶外或在具有紫外線的環境中, 更要考慮這些材料的抗光老化、熱老化和退色情況。具體可體現在以下幾方面:
(1) 不變色選用的樹脂、填充物、著色劑具有優秀的抗紫外線功能和防水性, 在相當長的時間內不褪色、不變色、不脫落;
(2) 質樸與時代感覺同在選用的材料與建筑整體風格有協調感、光澤和亮度符合時代感、返璞歸真感、天然質感。
(3) 整體協調與簡約、大氣涉及的建筑塑料制品的造型、風格等有建筑裝飾整體協調性, 用于關鍵部位的產品甚至能起到畫龍點睛作用。
2 健康衛生要求
健康衛生、以人為本、環保綠色, 對環境和人無任何污染影響(包括有害氣體、有害輻射、光污染) , 無論加工、建造、施工、居住都沒有不良因素存在。這是目前建筑塑料制品必須重點考慮的因素。這從配方角度主要考慮選用的原材料(尤其是添加劑) 要無毒、無害、無污染。環保型建筑塑料制品的設計中需要考慮的方面很多, 下面介紹幾類環保型建筑材料用的添加劑。
2. 1 稀土熱穩定劑
從健康綠色理念出發, 建筑塑料制品的配方設計中就需要盡可能減少和杜絕以往的不健康物質。如原先用于建筑塑料門窗的穩定劑為鉛鹽類添加物, 對人體有害, 現在高檔次的住宅都提出了這些問題。因此,我們在配方設計上盡可能采用對人體影響少和無影響的穩定劑, 如稀土類穩定劑。可用于建筑塑料(硬PVC) 制品的稀土熱穩定劑品種很多, 近年來在健康住宅觀念的驅使下發展也較快。主要的稀土熱穩定劑有: 羧酸酯稀土、脂肪酸稀土、氟化稀土、硬脂酸稀土、氨基酸稀土、檸檬酸稀土等。稀土類熱穩定劑的加入量一般為1 %～2. 5 %。由于目前純稀土PVC 的熱穩定劑尚不能滿足熱穩定要求, 常用的是低毒的稀土復合熱穩定劑。
2. 2 天然填料
配合健康理念的配方設計還應盡可能多用無機天然填充物。很多天然填充物在建筑塑料制品的配方設計中不僅滿足某些特殊的功能需要, 還大大降低了成本, 提高了制品的性價比, 增加了建筑塑料制品的市場競爭力。常用于建筑塑料制品的無機填充物非常多, 有各種礦粉(如石英砂、滑石粉、碳酸鈣) 及天然纖維(麻纖維、玻璃纖維等) 。天然纖維在制品的配方體系中能起很好的增韌、增強及提高力學性能的作用, 有一定改善耐熱性等作用。建筑塑料制品中的天然纖維加入量一般在10 %～30 %左右。
2. 3 廢棄物填料
由于建筑塑料制品一般為大面積、大體積、規模應用的產品, 有時候它還是使廢棄物變為寶藏的良好載體, 這主要體現在許多固體工業廢棄物經處理后作為功能性填充物。比如,可將尾礦粉體和渣、粉碎和干燥處理的植物纖維、處理過的廢舊熱塑性和熱固性塑料、廢橡膠粉體、金屬渣粉等用于建筑塑料中。只要功能設計合理、性能應用得當, 很多工業廢棄物都可經過處理成為建筑塑料制品配方中具有特定功能的再造新材料。如銅粉、鋁粉、礦石粉、造紙污泥纖維粉、麥秸稈、稻草、木纖維、竹纖維等植物的粉體等經過專門處理后都是有價值的環保建筑功能材料。當然,加入量不能過多, 一般為10 %～50 %不等, 具體視不同的建筑塑料制品的綜合理化性能要求而定。日本在這方面的工作做得非常好。
2. 4 抗菌防霉劑
建筑塑料的抗菌防霉是一個很重要的環節。這里有兩方面: 一是防霉, 涂料、壁紙等裝飾性塑料建材和水性涂料的乳液較易霉變, 在配方中一定要加入防止霉變的添加劑。二是抗菌、抑菌、防菌、防病毒, 在有些特種或特殊場合應用的塑料建材, 還必須考慮能抵御和殺滅細菌和病毒。
3 耐老化性能要求
建筑塑料制品大都用于戶外, 直接受紫外線照射和風雨吹打, 因此對抗光老化、熱老化、抗氧化都有較高的要求。這就要求在建筑塑料的配方中必須加入抗老化和抗氧化的光穩定劑。
3. 1 光穩定劑與聚合物的光敏感性
不同的塑料對紫外光的老化敏感程度不同。
3. 2 光穩定劑的種類和用途
可用作建筑塑料制品光穩定劑的品種很多,主要從幾方面作用進行配方設計。
3. 2. 1 起光屏蔽作用的穩定劑
光穩定劑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線, 主要是反射紫外光, 使其不得進入聚合物內部, 這些光屏蔽劑主要為一些無機填料和顏料, 常用的品種有氧化鋅、炭黑、金紅石型鈦白粉等。
3. 2. 2 紫外線吸收劑
目前建筑塑料制品中的光穩定劑主要采用紫外光吸收劑。有代表性的紫外線吸收劑為:
(1) 水楊酸雙酚酯、水楊酸對叔丁基苯酯等,在光照后能使聚合物分子得到重新排列的先驅性紫外線吸收劑;
(2) 吸收紫外線范圍很寬的苯甲酮類紫外線吸收劑,其代表性物質是UV- 531。這類光穩定劑的熱穩定性好,毒性低,對紫外線的吸收能力強。它的另一特點是有著淡黃色的著色性,加工后,制品可呈現出很自然的象牙色澤。其缺點是與聚合物之間的相容性不是很好,影響制品的綜合性和塑化程度;
(3) 苯并三唑類紫外線吸收劑, 如UV326、UV327。
3. 2. 3 光猝滅型穩定劑
這類添加劑對紫外線的吸收能力很小, 但它能猝滅聚合物的活性自由基, 常用于塑料薄膜和纖維,尤其常用于聚烯烴類聚合物中。其代表性品種有光穩定劑2002、光穩定劑1084 等。但這類穩定劑不適于透明度要求較高的塑料制品。
3. 2. 4 光老化自由基捕捉型穩定劑
這類光穩定劑也稱受阻胺類光穩定劑, 其穩定效能比紫外線吸收劑要高出數倍, 它可以捕獲聚合物中由于老化而產生的自由基, 使得聚合物可以重新保持分子的結構穩定。這類穩定劑常用于聚烯烴類和聚氨酯類塑料制品中, 其代表性的品種有光穩定劑944、744 等和一些亞磷酸酯類物質。
3. 3 光穩定劑的使用方法與性能效果
光穩定劑在配方中的添加量只是百分之幾,但在其中的作用非常重要。一般來說,液態穩定劑的應用效果較好, 而且容易分散, 加工后的材質和性能都很均勻。固體的穩定劑大都呈粉末狀態,為了保證均勻性, 顆粒較大的穩定劑一定要進行粉碎,最好還能與其他的助劑(如顏料" target="_blank">顏料、增塑劑等) 一起研磨成復合漿料, 然后再加入, 以利于建筑塑料制品能夠得到比較均勻的理化性能。由于穩定劑的粒徑和密度的大小各不相同,尤其是在與其他助劑配伍后共同進行研磨時, 由于密度和比重的差異, 耐熱性能等各不相同, 故在初始研磨時研磨溫度和速度都不宜太高, 以防止穩定劑再次結團或發生其他不良性變狀況。另外,對有些鹽類的穩定劑, 還應該注意干燥保存, 以防受潮吸收水分, 從而影響其細度和加工分散均勻效果。
3. 4 光穩定劑的環保性能
從現代建筑環境看, 以人為本的理念日趨受到重視, 相應的建筑和環境法規也在不斷出臺, 這就使得建筑塑料制品的環保和使用安全顯得越來越重要。光穩定劑的環保性能還主要體現在建筑塑料制品所選用的光穩定劑應該是無毒無害的, 尤其是被應用在室內的建筑塑料制品, 人們對這方面的要求已經越來越高, 要嚴格防止穩定劑中的鉛、鎘、鋇、鉻等重金屬超出國家和國際的相關環保標準。還要防止由于不健康的填充料、顏料等引起的放射性、毒性、有害揮發氣體等污染。
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時會阻燃或自熄。有些聚合物本身具有自熄性,如pvc。這也是目前在建筑塑料制品中應用聚氯乙烯材料最多的主要原因之一。但是近年來,由于環保要求越來越高, 尤其是在歐美國家, 對聚氯乙烯材料在居室內的應用和很多重要建筑工程領域的使用提出了很多限制, 從而大多改用聚烯烴塑料。但是, 由于聚烯烴材料很容易燃燒, 其使用中的阻燃性問題、阻燃劑的毒性問題、阻燃效果、使用性能和綜合經濟效果又成了建筑塑料制品配方設計中一個很主要的問題。
表3 列出了一些常用阻燃劑的品種、特點和常見的應用領域。很多無機材料和有機化合物也都可以作為塑料制品中的阻燃劑, 不同的聚合物所適合的阻燃劑的品種是不同的。
5 清潔性要求
5. 1 塑料制品的清潔性能和抗靜電能力
建筑塑料制品的清潔性主要表現在可清潔與抗污性, 而抗污性與制品的抗靜電性能有很大關系。大多數建筑塑料制品都要求有優良的絕緣性, 尤其是應用于電子和電器工業中的聚合物產品。但是, 建筑制品需要在日常生活中與人和物接觸摩擦, 高絕緣性要求從另一方面帶來了靜電的危害。由于摩擦產生靜電時, 電阻值很高, 也很難消除。這使得建筑塑料制品的表面很容易吸附灰塵, 這大大影響了制品的美觀性能和清潔性能, 同時還會降低其透明度, 影響到應用效果。可以用建筑塑料制品的體積電阻率和表面電阻率以及吸塵指數來衡量制品表面的帶靜電程度, 電阻值越高, 吸塵指數越高, 表面越容易積聚電荷,從而產生靜電。塑料的帶電性能根據體積電阻率的大小可分為5 類。用于生產建筑塑料制品的大多數熱塑性樹脂屬于1、2、3 類,體積電阻率較大, 這類聚合物加工時常常需要在配方中加入抗靜電劑。
5. 2 抗靜電劑的種類和應用性能
根據使用方法, 抗靜電劑可以分為外涂型和內添加型。外涂型抗靜電劑通過噴涂、浸涂、刷涂、輥涂等進行表面涂敷, 具有高效、快捷、經濟等優點。但由于僅僅為表面涂敷, 摩擦接觸時間一長,會影響持續抗靜電效果。內添型抗靜電劑是直接在配方中加入, 表里同質均勻, 有長效抗靜電效果,在建筑塑料制品中應用較廣。目前常用的抗靜電劑品種有陽離子型、陰離子型、非離子型、兩性離子型,大都以表面活性劑型為主。
5. 2. 1 常用的陽離子型抗靜電劑
陽離子型抗靜電劑消除靜電的效果比較明顯,缺點是耐熱性差。其代表品種有:
(1) 抗靜電劑SN外觀呈淡黃或琥珀色液狀,180 ℃開始分解,用量0. 5 %～2 % , 適用于abs、PE、PP、PET等, 特點是耐久性好, 可與非離子型抗靜電劑合并使用, 與人接觸無刺激性。
(2) 抗靜電劑LS白色結晶狀粉末, 熔點為100 ℃左右, 235 ℃開始分解。特點是靜電消除效率高, 熱穩定性好, 加工流動性好。常用于PVC、PS、ABS、PE、PP 等多種塑料,一般用量0. 5 %～2 % ,對皮膚有中等刺激。
5. 2. 2 常用的非離子型抗靜電劑
非離子型的抗靜電劑由于耐熱性好而被廣泛使用。
(1) 抗靜電劑HZ- 1外觀呈白色或白灰色粉末狀, 是羥乙基烷基胺、高級脂肪醇、二氧化硅的復配物質。它的分解溫度大于300 ℃, 抗靜電性能很優良。可廣泛用于PP、PE 等建筑用管材、板材。該抗靜電劑的加入量一般在0. 3 %～1 %。
(2) 抗靜電劑ECH烷基酰胺類物質, 淺黃色蠟狀物, 它的分解溫度大于300 ℃,用于硬質聚氯乙烯建筑塑料制品。
(3) 抗靜電劑KHD - 300、KHD - 311前者是高級脂肪醇、環氧氯丙烷、單乙醇胺的縮合物, 后者是前者再加上協同劑之后的復配物,外觀呈黃色蠟狀。該抗靜電劑的抗靜電效果顯著。常用于ABS 等建筑塑料制品中,用量為2 %左右。
(4) LDN、LDB前者為二乙醇月桂酰胺, 外觀為淺色乳白片狀物, 后者為淺黃色粘稠狀, 屬高效非離子型抗靜電劑。常用于多種聚合物建筑塑料中。如用于LHDPE 時的用量小于0. 05 %～0. 25 %; 用于HDPE和PP 時的加入量為0. 05 %～1 % , 主要特點是無毒。
5. 2. 3 通用型抗靜電劑
抗靜電劑CA2 ,外觀為琥珀色液體。它屬于通用型抗靜電劑,常用于ABS 建筑塑料制品中,一般用量為0. 1 %～0. 5 % ,無毒性。
5. 2. 4 常用的導電填料
常用的導電填料主要有炭黑、石墨、各種金屬粉體等。炭黑經常要選用高導電爐炭黑和乙炔炭黑。作為導電建筑塑料制品, 炭黑加量需要50 %;而作為一般的抗靜電劑使用時, 建筑塑料制品中的炭黑加量為25 %左右。加入的抗靜電劑的實際抗靜電效果還與炭黑的粒徑及其分布情況、形狀、炭黑中的灰分含量等因素有關。粒徑越小,比表面積越大, 改變電性能的效果也越好。但是, 粒徑越小,加入和混合時的均勻性越難控制。
其他導電填充料, 包括石墨和金屬粉末, 石墨一般很少單獨作為導電填充料使用, 經常與炭黑并用。常用于建筑塑料制品的金屬粉末有鎳、鋅、鐵、銅等。這些金屬粉體在改變制品的電性能的同時, 還兼作為增強和著色功能助劑, 讓建筑塑料制品具有某種金屬的外觀, 如仿銅、仿銀制品等, 尤其適用于建筑五金和建筑裝飾制品。
6 輕質性要求
建筑塑料制品大都要求高強度、輕質量。除了選用的聚合物本身需要滿足這點以外, 還經常用發泡和選用輕質填充料的方法來降低原料的成本和減輕自重。
6. 1 發泡
將聚合物發泡是建筑塑料制品加工中常用的方法。發泡制品有很多優點, 可以節省成本、減少建筑物自重, 由于聚合物建筑制品很多用作裝飾裝修材料, 經過發泡后還可增加減振、降噪、隔音、保溫等功能。
發泡劑是能使聚合物形成泡孔結構而在配方中加入的一類添加劑, 通過化學發泡或物理發泡的方法使得材料在一定的工藝條件下產生大量氣體, 讓聚合物膨脹后變成均勻的多泡孔結構。常用于建筑塑料制品的物理發泡劑主要是甲烷類、乙烷類、惰性氣體等。化學發泡劑又稱分解性發泡劑,是在加工溫度下使得發泡劑迅速分解,產生大量氣體而發泡, 代表性物質有偶氮二甲酰胺、碳酸氫銨、亞硝基類等。
6. 2 輕質填料
用于建筑塑料制品的填充料除了經濟性能以外,還要考慮質量輕。較常用的輕質填料有輕質碳酸鈣、蟶石、沸石、硅微粉、木粉等。
7 著色性要求
建筑塑料制品必須要有較好的著色性, 這就要在制品設計和加工時, 考慮選用合理的著色劑。建筑塑料制品選用的著色劑要符合幾個原則:
(1) 符合建筑流行色和仿真感、鮮亮度、亞光感、柔和感、并對瑕疵有遮蓋性;
(2) 顏料的可加工性、和聚合物之間的相容性、分散均勻性好;
(3) 耐老化性,耐光照性能,熱穩定性、耐化學性能好。
8 增強性能
建筑用塑料制品在不單純作為裝飾用制品時, 由于結構功能上的要求, 通常采取結構增強措施。增強的形式和方法有多種,有整體增強或局部增強,用于增強的品種也很多。
8. 1 增強劑的種類
由于建筑塑料制品擔當一定的功用, 大都有一定的強度要求, 而且又要強調經濟成本, 合理經濟應用增強材料是建筑塑料制品配方中最有功能性和特色的部分。可用于作為增強劑的物質很多,大都是天然礦物粉末, 此外, 以經過特殊處理的工業織物纖維如麻纖維、化纖纖維、玻璃纖維等; 一些工業廢棄物, 如植物纖維中的木纖維、竹纖維、各種農作物秸稈纖維, 廢玻纖、造紙污泥纖維等也可用作增強劑。建筑塑料制品中常用的礦物增強劑有:石英砂、玻纖、硼纖維、碳纖維、碳酸鈣、滑石粉、晶須、云母粉等。
8. 2 增強劑的應用特性
8. 2. 1 增強纖維
玻纖已經在很多聚合物中作為增強劑, 有全面增加綜合力學性能和改善聚合物熱性能的功能,在建筑塑料制品中的應用較成熟,可在PC、PP、PE、ABS、PS、PA 中提高強度。玻纖的缺點是脆性大, 柔性小, 加工后的制品表面狀況不夠細膩光滑。玻纖在建筑塑料制品中的加入量可根據制品的不同需要從5 %～40 %不等。碳纖維是目前極好的建筑補強材料, 能在多種熱塑性和熱固性樹脂中起增加強度、剛性、耐蠕變性能、耐磨損性能的作用, 輕質、柔韌性好, 還具有增加導電性、導熱性、耐腐蝕性、隔振性、尺寸穩定性等特點,一般在聚合物中的加入量可以達到20 %～40 % , 可成數量級地提高PC、PP、PE、ABS、PS、PA 等的性能, 碳纖維在建筑塑料制品中應用的局限主要是纖維本身的成本較貴。硼纖維的特點是密度較小,彈性模量大, 同樣加入量的硼纖維增強塑料的強度可以達到玻纖增強塑料的5 倍。目前,硼纖維已經大量用于國防建設材料中。在建筑塑料制品中之所以沒有大量應用的主要原因是價格較貴。
8. 2. 2 晶須
主要是氧化鋁、碳化硅等, 是近年來新發展的增強材料, 可以在很多熱塑性樹脂和熱固性樹脂中起增強作用, 有較大的發展空間; 鈦酸鈣纖維的特點是纖維細小, 對加工設備和模具的磨損小, 外觀呈白色針狀結晶體。鈦酸鈣的應用特點是要用合適的偶聯劑(以硅烷偶聯劑為好) 。
8. 2. 3 粉末填料
影響聚合物填料性能的因素很多。首先是填料的形狀,填料的形狀主要有球形、片狀、粒狀、柱狀、針狀纖維等。針狀纖維的填充料對建筑塑料制品的力學性能, 尤其是抗拉強度的改善較為有利,但對成型加工性能有一定的影響; 相反, 圓球狀的填料會提高建筑塑料制品的成型加工性能, 但會降低基本力學性能。為了全面提高綜合性能,經常采用多組分填料, 將兩種填料結合應用, 以便取得綜合優勢性能互補。
9 相容和偶聯性能
9. 1 偶聯劑的應用功能
建筑塑料制品由于是多組分配方, 加工時要考慮各組分之間要有較好的相容性, 這就要考慮在配方中加入合理、適量的相容偶聯劑。偶聯劑其實是一種具有兩性結構的物質, 分子中的一部分基團具有親有機基團的性質, 可與有機高分子材料發生反應或實現物理纏繞; 另一部分基團具有同無機材料結合的能力, 同無機材料的表面基團發生反應,形成化學鍵結合體系。正是偶聯劑作為橋梁將采用無機填充增強的建筑塑料制品中兩種性質截然不同的物質牢固地結合起來。
9. 2 偶聯劑的種類和應用特性
建筑塑料制品中常用的偶聯劑品種有鈦酸酯偶聯劑、硅烷類偶聯劑、鋁酸類偶聯劑、鋁鈦復合偶聯劑等。其中最常用的是硅烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑。
9. 2. 1 硅烷偶聯劑
這是建筑塑料中最常用的偶聯劑, 可用于高分子材料和各種無機材料的偶聯, 尤其對硅酸鹽類的偶聯效果最好。不同聚合物品種對具體的硅烷偶聯劑品種要求不同。
9. 2. 2 鈦酸酯偶聯劑
在鈦酸酯偶聯劑中, 親有機的基團通常為長鏈基團, 會與聚合物鏈團發生纏繞作用, 借助于分子間的范德華力連接在一起。這種偶聯劑特別適合于聚烯烴類樹脂, 長鏈纏繞可改善應力情況, 提高抗沖擊性能、延伸率、剪切強度。這種偶聯劑還能改善聚合物或復合材料的表面能, 降低熔融粘度,有助于改善聚合物的加工熔融流動性。
9. 2. 3 鋁酸類偶聯劑和鋁鈦復合偶聯劑
這些偶聯劑應用不如前兩類多, 它們的優點是能較好地降低熔融粘度, 提高分散均勻性; 價格較低, 充當填充物時可較大比例地進行填充。鈦酸酯偶聯劑還可以和硅烷偶聯劑共用, 具有協同效應。用它對玻纖進行偶聯,可大大提高偶聯效率。影響偶聯效果的因素很多,填充劑的干燥程度、形狀、酸堿度、粒徑及其分布均勻性、比表面積、化學組分等都會直接影響偶聯效果。
10 結束語
建筑塑料制品作為要求規模化應用、有著多重功能、對結構性能和裝飾性能都有較高要求的聚合物制品, 隨著人們生活水準和塑料加工業的不斷發展, 今后還會有更高更新更多的要求, 所有這些要求必須通過配方設計來完成, 根據不同的功能和性能要求, 建筑塑料制品的配方設計將會有不同的特點,進一步實現多功能化。
