硬聚氯乙烯 ( PVC —U) 管材 ，與傳統(tǒng)的金屬管材 ，水泥管材及玻璃鋼類管材相比，具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、水流阻力小、力學(xué)強(qiáng)度好、環(huán)保衛(wèi)生、施工方便、性價(jià) 比高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn) ，已在城市給排水、人飲工程、建筑給排水、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、綠化 ，高爾夫球場工程等許多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。
而針對低壓 ( ≤0．6MPa ) 輸水灌溉用硬聚氯乙烯管材 (特別是滴灌系統(tǒng)、林帶灌水、農(nóng)田節(jié)水灌溉用等 ) 生產(chǎn)加工方面的技術(shù)文獻(xiàn)很少 ，造成低壓輸水灌溉用PVC—U管材質(zhì)量參差不齊，很大程度上影響了行業(yè)的良性的發(fā)展 ，鑒于此因，為了進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量 ，
本文研究了以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T13664—2006依據(jù) ，研究開發(fā)高填充 (納米級活性碳酸鈣 ) PVC—U管材 ，不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量 ，還可以節(jié)約原材料 ，降低生產(chǎn)成本 ，為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。因此 ，本文將各方面因素加以綜合考慮分析、客觀評價(jià) ，然后進(jìn)行優(yōu)化 ，才能得到成本最低、性能最優(yōu)的產(chǎn)品。我們選擇了在 D90mm ，L／D= 22 ：1平行雙螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn) ，生產(chǎn) 中l(wèi)60×3．2m m ，PN0.32Mpa規(guī)格的低壓輸水灌溉用PVC—U管材 ，取得了較好的結(jié)果。
1、PVC -U 管材實(shí)驗(yàn)部分
1.1 主要原輔料
PVC (SG一5型 ) 樹脂粉 ，新疆天業(yè) (集團(tuán) ) 天能化工有限公司復(fù)合穩(wěn)定劑(1904 7T)，大連開米森化工產(chǎn)品有限公司 ；外潤滑劑(PE蠟) 成都盛騰塑料助劑有限公司 ；半精煉石蠟遼寧撫順石化公司 ；抗 中加工改性劑CPE—l 35A山東日科橡塑科技有限公司 ，加工改性劑 ( HLn一401 ) 山東日科化學(xué)股份有限公司；納米級( 活性 ) CaCO 山西蘭花華明納米材料有限公司；著色劑炭黑N330新疆阜康市鴻泰化工有限公司等均為市購.
1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
D90mm ，L／D= 22 ：1平行雙螺桿擠 出機(jī)、擠出模頭、定徑套、擴(kuò)口模具等，杭州雙林?jǐn)D出設(shè)備制造 有限公司：高低混合機(jī)組 ，張家港連冠股份有限公司。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
將PVC ( SG～5型 ) 樹脂粉、復(fù)合穩(wěn)定劑、外潤滑劑、抗 中加工改性劑、納米級 (活性 )碳酸鈣、炭黑N330等按一定的比例在高混機(jī)中混合 ，經(jīng)冷混后在D90平行雙螺桿擠出機(jī)上擠出管材。適當(dāng)調(diào)整工藝溫度、主機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料轉(zhuǎn)速 、主機(jī)真空度、牽引速度、真空水箱真空度等工藝參數(shù)，生產(chǎn)出達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求的低成本高填充低壓輸水灌溉用PVC—u管材。
2、 PV C -U 管材生產(chǎn)因素分析
2.1 設(shè)備與模具
擠出機(jī)螺桿的設(shè)計(jì)參數(shù)，直接影響物料塑化時(shí)的背壓和塑化程度。但對于已經(jīng)大眾化使用的通用擠出機(jī) ，最關(guān)心的應(yīng)是螺桿與機(jī)筒的間隙，間隙過大 ，容易引起漏料回流，勢必也就影響了塑化。模具 (機(jī)頭 ) 設(shè)計(jì) ，供料量數(shù)據(jù)和壓縮比數(shù)據(jù)十分關(guān)鍵。對于高填充PVC管材來說需要有更大的供料量和更大的壓縮比，這樣才有利于供料的穩(wěn)定和管材密實(shí)度 ，保證塑化均勻，芯棒支架設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能小而光滑 ，模具表面要鍍硬鉻表面處理 ，使合縫線對管材性能的影響盡可能小阻 。針對高填充PVC- U管材生產(chǎn)來說必須使用專業(yè)廠家制作的機(jī)頭、口模、芯棒、定徑套和擴(kuò) 口模具。
2.2 配料與混料
這是一個(gè)容易忽略的因素。一般談到混料工藝 ，認(rèn)為在按配方精確計(jì)量的前提 下，控制混料溫度 即可。而實(shí)際上，配料與混料，最重要的應(yīng)是物料分散均勻 ，以及易揮發(fā)物揮發(fā)徹底。物料分散不均勻 ，在擠出生產(chǎn)時(shí)就會(huì) 出現(xiàn)產(chǎn)品性能不穩(wěn)定 ；易揮發(fā)物揮發(fā)不徹底 ，擠出高填充PVC- U管材更容 易產(chǎn)生氣泡和翻料 ，因而也就影響了產(chǎn) 品性能。一般建議混料溫度控制在 11 5 ～1 35度 ，新疆冬季高混溫度應(yīng)略高 ，混料 時(shí)間在8 ～10min ，干混料的表觀密度控制在0．60 ～0．65g／ml，高攪鍋的加料量應(yīng)控制在高混室空容積的50～70 ％ (例如高混室容積為800L的高攪鍋，則加料量應(yīng)控制在200KG ～280KG之間建議在240KG上下 ) 為宜 。當(dāng)未均勻分散的混合料進(jìn)入到機(jī)筒螺桿時(shí)，經(jīng)過剪切嚙合的物料在機(jī)頭里就會(huì)表現(xiàn)出不同的凝膠化狀態(tài) ，形成疏密不均的彈性體。此外 ，經(jīng)過低速混合機(jī)排放的混合料溫度也十分關(guān)鍵 ，一般在40 ～50度 為宜。這樣既可提高擠出速度又可保證高填充PVC—u管材壁厚不發(fā)生波動(dòng)。另外，易揮發(fā)物揮發(fā)時(shí)易在高攪鍋頂蓋內(nèi)側(cè)凝結(jié) ，凝結(jié)量 多時(shí) ，形成液滴與PVC樹脂粉、納米級(活性 )碳酸鈣、炭黑及其它物料凝聚成顆粒。這些顆粒在擠出生產(chǎn)時(shí)極易產(chǎn)生塑化不良的 “晶點(diǎn) ”，影響了管材的性能 ，液壓試驗(yàn)時(shí)容易產(chǎn)生變形沙眼刺水，因此在原輔料投入使用前應(yīng)嚴(yán)格控制其揮發(fā)份含量并保證高攪鍋項(xiàng)蓋排氣裝置的暢通 ，預(yù)防 “晶點(diǎn)”的產(chǎn)生 ，并對高混后的物料進(jìn)行冷混至50度以下放料，干混后的物料過旋振篩 (20 ～40目 ) ，是確保高填充PVC—U管材質(zhì)量的一個(gè)十分必要的工序。
2.3 原輔材料及配方
由于原輔材料檢測只是抽樣檢測 ，而且根據(jù)檢測指標(biāo)對原輔材料性能進(jìn)行評價(jià)有一定的局限性，因此有經(jīng)驗(yàn)的配方人員，除了參考原輔材料檢測結(jié)果外 ，還進(jìn)行一些額外的經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn) ，或上機(jī)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)管材的檢驗(yàn)結(jié)果 ，進(jìn)一步確定原輔材料性能。對于低壓輸水灌溉用PVC- U管材的配方設(shè)計(jì) ，除了像常規(guī)產(chǎn)品考慮加工性能外 ，還須特別重視管材耐壓性能。根據(jù)塑料管材在靜液壓P作用下的受力分析 ，可得到壁厚受到的環(huán)向應(yīng)力 (拉伸強(qiáng)度 )與外徑、壁厚的關(guān)系式
在管材外徑與壁厚一定的情況下，瞬時(shí)破壞壓力與瞬時(shí)拉伸強(qiáng)度呈正比，即拉伸強(qiáng)度越高 ，耐水壓能力越強(qiáng)。拉伸強(qiáng)度除了與配方中的抗 中改性劑、加工改性劑等配方材料的種類和數(shù)量有關(guān)外 ，還與管材的主機(jī)負(fù)載 (機(jī)臺加工時(shí)主機(jī)電流值／主電機(jī)電流 ) 密切相關(guān)。因而設(shè)計(jì)一個(gè)合理的配方 ，并進(jìn)行相應(yīng)合理的配方工藝調(diào)整 ，使高填充PVC—u管材主機(jī)負(fù)載控制在60 ％～75 ％，才能獲得好的產(chǎn)品性能。同時(shí)管材的拉伸強(qiáng)度與環(huán)境和流體的溫度呈反比，所以在管材外徑和壁厚一定的情況下，瞬時(shí)破壞壓力也隨環(huán)境和流體溫度升高而降低。
當(dāng)環(huán)境溫度和輸水溫度不同時(shí)，應(yīng)按表2 (參見GB/T10002.1 ) 給出的不同溫度對壓力的折減系數(shù) (ft ) 修正工作壓力。用折減系數(shù)乘以公稱壓力得到最大允許工作壓力。因此為防止瞬時(shí)壓力破壞管材 ，即要防止0度以下時(shí)的脆性破壞 ，也要考慮不能超過PVC-u管材的最高使用溫度為45度。
2.3.1 PVC樹脂粉
按GB／T5761 —2006國家標(biāo)準(zhǔn)對PVC樹脂粉進(jìn)行檢測 ，高填充PVC-U管材的擠出速率與樹脂的性能有較大關(guān)系，外形規(guī)整、內(nèi)部孔隙均勻、表觀密度高的樹
脂一般具有較好的加工流變行為，擠出速率也較高。樹脂的這些性能對管材加工企業(yè)提高擠出機(jī)的生產(chǎn)效率、降低制品的成本是十分有利的。因此 ，管用樹脂應(yīng)具有形狀因數(shù)高(外形規(guī)整)、表觀密度高、孔隙率高(增塑劑吸收量高)等特點(diǎn)。
實(shí)踐證明采用表觀密度0.64 g/m ]的PVC(SG-5)樹脂，生產(chǎn) PVC-U管材 ，可以提高擠出速率1 5～25％，且管材其它性能 良好。根據(jù)十多年從事給水管生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)和管材的試驗(yàn)結(jié)果來看如果PVC(SG一5型)樹脂技術(shù)指標(biāo)的118ml/g≥粘數(shù)≥113mI/g ，表觀密度≥0．54g/ml，其余指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)即可 ，這種樹脂用來生產(chǎn)PVC—u管材則液壓從源頭上有了保證 ，擠出速率穩(wěn)定。
2.3.2 穩(wěn)定劑、潤滑劑體系
這是一個(gè)要求最高、最難量化的因素。當(dāng)然。生產(chǎn)的管材熱穩(wěn)定性好 ，不粘料、不變色 ，內(nèi)外壁平整光滑 ，無合流線是基本要求 ；塑化性能好 (二氯甲烷浸漬合格 ) ，加工穩(wěn)定 ，是較高要求 ；流變性能好 ，工藝可調(diào)范圍廣 ，適合快速擠出，是更高要求。添加穩(wěn)定劑是為了抑制PVC樹脂在加工過程中制品變色、分解、性能變差。目前國內(nèi)大多數(shù)廠家使用的是鈣鋅復(fù)合穩(wěn)定劑、有機(jī)錫穩(wěn)定劑等 ，鈣鋅復(fù)合穩(wěn)定劑和有機(jī)錫穩(wěn)定劑主要用于給排水管材的生產(chǎn)。一般情況下納米級 (活性 ) 碳酸鈣份數(shù)在20份以內(nèi)時(shí)，不使用內(nèi)潤滑劑，而加工所必須的外潤滑劑用量最好比較小，建議在0.1份以內(nèi)甚至可以不添加。
2.3.3 納米級 (活性 ) 碳酸鈣
納米級 (活性 ) 碳酸鈣 ，活性納米碳酸鈣表面經(jīng)專用活化劑特殊處理 ，與樹脂相容性好 ，能夠有效地提高材料的流動(dòng)性、光潔度以及彎曲強(qiáng)度 ；降低熔融指數(shù)和體系粘度，改善加工性能 ；改善制品的流變性能、尺寸穩(wěn)定性能 、耐熱耐老化性能 ；在對材料增強(qiáng)的同時(shí)能保持其韌性 ，并部分替代價(jià)格昂貴 的鈦白粉 、熒光增白劑、氣象白炭黑等填充料和助劑 ，較大程度地減少PVC樹脂和pvc抗中加工改性劑的用量 ，降低生產(chǎn)成本 ，提高市場競爭 力。(表面專用活化劑硬脂酸HST添加量3-5％) 。
2.3.4 抗 中加工改性體系
對于PVC—U管材生產(chǎn) ，建議添加0．5～1份ACR加工改性劑，它促進(jìn)PVC的塑化 ，提高熔體塑化的均勻性 ，降低塑化溫度 ，既可 以最大限度地減少熱穩(wěn)定劑在加工中的損耗 ，提升后期耐老化能力又可以提高制品強(qiáng)度 ，是PVC—u管材配方中重要控制點(diǎn)。經(jīng)過在生產(chǎn)機(jī)臺上前后20余次的試驗(yàn) ，前后歷時(shí)6個(gè)多月，優(yōu)選出可批量生產(chǎn)定型的配方
2.4 擠出工藝
調(diào)整工藝其主要效 果表現(xiàn)為調(diào)整主機(jī)負(fù)載 。在配方合理 的情況下 ，調(diào)整工藝溫度 、螺桿轉(zhuǎn)速 、喂料轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)具體來講螺桿轉(zhuǎn)速控制在最高轉(zhuǎn)速的60～75％如最高轉(zhuǎn)速為40rpm 的則實(shí)際生產(chǎn)轉(zhuǎn)速在24 ～30rpm 左右 ，同時(shí)喂料轉(zhuǎn)速與之匹配保證主機(jī)扭矩 在40～60％左右 ，螺桿轉(zhuǎn)速和 喂料轉(zhuǎn)速的匹配 與配方的流變性能相對應(yīng) ，否則影響塑化。特別注意擠出機(jī)真空排氣裝置要正常工作 ，保證真空度≥0.05MPa，以防止混料中易揮發(fā)物引起的PVC- U管材制品截面出現(xiàn)氣 泡 ，進(jìn) 而影響產(chǎn)品的物理力學(xué)性能。
2.5 其它
機(jī)頭出料均勻后 ，還要注意水箱托架、定徑套、牽引機(jī)履帶及管材表面是否處于同一平面 ，定徑套四周溫度是否一致等 ，如有問題及時(shí)調(diào)整 ，尤其開車前要做好充分準(zhǔn)備，才能保質(zhì)保量生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。
3、結(jié)論
1)納米級 (活性 ) CaC03 ，可有效的改善PVC管材配方體系的相容性 ，能把無機(jī)材料與高分子材料的界面搭橋鏈接起來 ，形成互穿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) ，增加高分子材料和無機(jī)材料相互問的鍵合力 ，使得熔融后熔體界面粘結(jié)強(qiáng)度得到提高。生產(chǎn)出的納米級PVC管材性能得到改善。
2）納米級 (活性 ) CaC03對PVC管材起到了增韌增強(qiáng)的作用。
3 ) 與原生產(chǎn)配方相比 ，正常生產(chǎn)過程中納米級(活性 ) CaC03添加在PVC中配方體系中替代輕鈣后可使物料具有更強(qiáng)的塑化能力和優(yōu)越的加工流動(dòng)性能。同時(shí)物料成型加工穩(wěn)定，擠出速度得到提高，提高了牽引速度，從而提高產(chǎn)量 ，降低生產(chǎn)成本。
4 ) 加強(qiáng)高填充PVC管材的工藝配方控制 ，不但可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，還可以節(jié)約原材料降低成本。以某PVC管材生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的D160 ×4.0mm管材為例 ，其每噸納米級PVC管材僅配方成本降低 200元／噸左右 ( 口徑不同有差異 ) ，如果一年生產(chǎn)上萬噸管材 ，就可為公司節(jié)約大量PVC樹脂 ，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀 。
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