1、PVC管材配方設(shè)計(jì)與加工工藝,一、 概述 二、 PVC樹(shù)脂的選擇 三、 穩(wěn)定劑系統(tǒng)的確定 四、 加工改性劑的選用 五、 沖擊改性劑的選用 六、 其他助劑的配方設(shè)計(jì) 1 潤(rùn)滑劑的配方設(shè)計(jì) 2 填充劑的選用 3 著色與其他 七、 管材配方實(shí)例 八、 管材加工工藝,一、概述 硬質(zhì)PVC管材的生產(chǎn)可采用兩種工藝. 采用雙螺桿擠出機(jī),將PVC粉料(包括穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑、填充劑等)經(jīng)高速攪拌機(jī)混合后直接擠出管材.這種方法生產(chǎn)率高,管材質(zhì)量好,在我國(guó)和其他一些國(guó)家生產(chǎn)硬質(zhì)PVC管材均采用此法. 采用單螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)時(shí),由于其混合、塑化性能較差,先將PVC粉料制成粒料,然后擠出管材,其生產(chǎn)工藝流程如下:,擠出P

2、VC管材的配方比較復(fù)雜,包含有PVC樹(shù)脂、抗沖擊改性劑、穩(wěn)定劑、加工改性劑、填充劑、色料及潤(rùn)滑劑等多種成分.穩(wěn)定劑系統(tǒng)總是根據(jù)對(duì)制品性能的要求來(lái)選擇,穩(wěn)定劑的用量應(yīng)保證加工中熱穩(wěn)定性的要求和制品使用環(huán)境的要求.在穩(wěn)定劑種類(lèi)和用量確定之后,根據(jù)加工設(shè)備的特點(diǎn)和制品性能要求進(jìn)行潤(rùn)滑劑配合的設(shè)計(jì).目前尚無(wú)簡(jiǎn)單的公式和模板用于配方設(shè)計(jì).只能利用已知的成功配方或所謂基礎(chǔ)配方,在制品生產(chǎn)中,根據(jù)實(shí)用情況,利用一些設(shè)計(jì)基本原則加以調(diào)整.,二、PVC樹(shù)脂的選擇 我國(guó)工業(yè)化生產(chǎn)的PVC樹(shù)脂主要以懸浮法和乳液法兩種為主. 原料直接關(guān)系到管材的質(zhì)量,選擇原料時(shí)要考慮其來(lái)源和成本,管材的使用場(chǎng)合和環(huán)境條件.因?yàn)槭褂脳l

3、件不同對(duì)管材有不同要求,所用成型設(shè)備和成型工藝也不盡相同.用于輸送腐蝕性液體和氣體的硬質(zhì)PVC管材要求有一定強(qiáng)度,能承受內(nèi)外壓力,耐熱耐腐蝕.型號(hào)不同,樹(shù)脂的聚合度不同,聚合度越高,其物理機(jī)械性能,耐熱性能愈好,但樹(shù)脂流動(dòng)性能愈差,給加工帶來(lái)一定困難.采用疏松型樹(shù)脂則可增加PVC在擠壓過(guò)程中的摩擦熱,易使物料塑化均勻,制品質(zhì)量有所提高.耐壓過(guò)程則應(yīng)選用平均聚合度為1160的樹(shù)脂(如SG4或SG5型).大口徑管材其壁厚較大,為了保持良好的性能又便于加工,可選用高、低聚合度的樹(shù)脂按一定比例(前者的比例較大)共混后進(jìn)行擠出成型. 用于給水管的樹(shù)脂,應(yīng)屬”衛(wèi)生級(jí)”,樹(shù)脂中殘留氯乙烯在1mg/kg以?xún)?nèi).

4、為了保證管材的質(zhì)量,減少次品率,樹(shù)脂的來(lái)源要穩(wěn)定.,三、穩(wěn)定劑系統(tǒng)的確定 PVC樹(shù)脂在熱、光、氧和重金屬離子等作用下,常會(huì)變色,以致影響其力學(xué)性能,這種變質(zhì)過(guò)程常成為老化.穩(wěn)定劑就是一類(lèi)能抑制熱、光、氧和重金屬離子等因素對(duì)PVC樹(shù)脂產(chǎn)生老化,增加其穩(wěn)定性,延長(zhǎng)其使用壽命的物質(zhì). 穩(wěn)定劑常分為以下幾種. 鉛鹽類(lèi) 穩(wěn)定作用較強(qiáng),價(jià)格低廉,應(yīng)用廣泛,但鉛鹽有毒,不能用于接觸食品的制品.常用的有三堿式硫酸鉛和二堿式亞磷酸鉛. 金屬皂類(lèi) 是鉛、鋇、鈣、鋁、鋰等金屬與硬脂酸、月桂酸、蓖麻油酸所生成的皂類(lèi).主要有硬脂酸鹽、月桂酸、蓖麻油酸鹽. 有機(jī)錫類(lèi)穩(wěn)定劑 有良好的耐熱性和透明性,可單獨(dú)使用,也可與金屬皂

5、類(lèi)穩(wěn)定劑并用.用量少(一般0.250.75份),雖然價(jià)貴,但在聚氯乙烯穩(wěn)定劑中占重要地位.,復(fù)合穩(wěn)定劑包括3種: 以金屬皂類(lèi)或鹽類(lèi)為基礎(chǔ)的液體混合復(fù)合物; 上述基礎(chǔ)的固體復(fù)合物; 以有機(jī)錫穩(wěn)定劑為基礎(chǔ)的復(fù)合物. 其中以第一類(lèi)最為常用. 在選擇穩(wěn)定劑系統(tǒng)時(shí),應(yīng)首先考慮制品性能和使用場(chǎng)合的特殊要求.據(jù)此選擇主穩(wěn)定劑.例如為了獲得制品的透明性,要選用有機(jī)錫或液體Ca-Zn皂;為了滿足食品衛(wèi)生的要求,要選用適當(dāng)?shù)男粱a而不能選擇丁基錫;為了防止硫污,淺色或透明制品中不用含硫的有機(jī)錫.為了滿足衛(wèi)生要求,上水管中,可選用低溶解度和低遷移性的鉛鹽穩(wěn)定劑,不能使用毒性大的含鎘穩(wěn)定劑,但含鉛穩(wěn)定劑總用量不能超過(guò)

6、3份.室外用品要采用耐紫外線老化的穩(wěn)定劑配合,如亞磷酸酯、亞磷酸鹽等.金屬皂類(lèi)穩(wěn)定劑具有初期抑制著色作用與鉛鹽穩(wěn)定劑有協(xié)同效果,兼有外潤(rùn)滑作用,一般均要配合使用.,主穩(wěn)定劑選擇之后,應(yīng)根據(jù)穩(wěn)定劑配合的原則,選擇輔助穩(wěn)定劑,發(fā)揮協(xié)同效應(yīng),以提高穩(wěn)定效果,降低成本.在穩(wěn)定劑種類(lèi)和配合比例選定以后,穩(wěn)定劑的總量則要按加工方式確定.雙螺桿擠出過(guò)程,樹(shù)脂受熱過(guò)程較短,穩(wěn)定劑用量可比造粒后單螺桿擠出的少些.透明和淺色制品加工用的穩(wěn)定劑要比深色制品多些. 穩(wěn)定劑的用量除滿足制品正常生產(chǎn)的要求,還要考慮到加工溫度選擇不當(dāng)或溫度失控,意外停車(chē)等情況.總之穩(wěn)定劑的用量不僅可保證正常生產(chǎn)的需要,還要留有充分余地以免

7、意外情況時(shí)物料嚴(yán)重分解.比起潤(rùn)滑劑配合的設(shè)計(jì),穩(wěn)定劑系統(tǒng)的確簡(jiǎn)單些,有許多現(xiàn)成配方可借鑒.根據(jù)現(xiàn)有配方或比現(xiàn)有配方適當(dāng)增加用量往往是可行的.,四、加工改性劑的選用 增加外潤(rùn)滑劑用量,雖可減少熔體和口模的附著力、降低剪切速率,減小擠出漲大和改善制品外觀,卻往往造成塑化不良,影響制品的力學(xué)性能. 若想既不降低PVC的塑化程度,又要保持制品的良好外觀就要使用加工改性劑.目前已有數(shù)種加工改性劑問(wèn)世,公認(rèn)最好的還是聚丙烯酸酯類(lèi)加工改性劑ACR(亦稱(chēng)加工助劑). 1、加工改性劑主要品種 K-120是甲基丙烯酸甲酯(MMA)與少量丙烯酸乙酯(EA)或丙烯酸丁酯(BA)經(jīng)乳液或懸浮聚合得到的相對(duì)分子質(zhì)量很高(

8、1百萬(wàn)至5百萬(wàn))的無(wú)規(guī)共聚物.后來(lái)又發(fā)展了多種產(chǎn)品如K-120N,K-120ND,K-175,K-125,KM-334等.,2、加工改性劑的功能 加工改性劑促進(jìn)PVC初級(jí)粒子塑化成為區(qū)域粒子,提高熔體結(jié)構(gòu)的均勻性,降低塑化溫度. 削弱外潤(rùn)滑劑對(duì)塑化情況的影響. 增加熔體彈性,縮短取向后松弛的時(shí)間,提高熔體缺陷產(chǎn)生的臨界剪切速率,獲得高速生產(chǎn)制品時(shí)的良好外觀和光澤度. 增加熔體強(qiáng)度. 3、加工改性劑的選用:見(jiàn)下表1. 4、加工改性劑用量的確定 實(shí)際生產(chǎn)配方加工改性劑的用量范圍, 常要調(diào)整.比如單螺桿擠出機(jī)中,螺槽與螺棱處剪切速率相差很大,塑化后熔體結(jié)構(gòu)的均勻性較差.為了提高熔體結(jié)構(gòu)均勻性,往往要

9、使用較雙螺桿擠出配方更多的加工改性劑.,表1 加工改性劑的選用,五、沖擊改性劑選用 按我國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),除化工用管外,直徑200mm以下其他類(lèi)管材均有落錘沖擊性能要求.為滿足低溫沖擊要求,配方中可使用48份沖擊改性劑,一般用CPE即可.為了使制品獲得更低溫下的抗沖擊性,可選用MBS、ABS或ACR改性劑. CPE 氯含量為25%40%,用CPE改性的PVC制品,除具有較好的耐沖擊性外,還具有較好的耐候性,耐寒性、阻燃性和耐化學(xué)藥品性.下表2為CPE含量對(duì)制品的改性效果. 含量在1015份時(shí)增幅最大,大于20份增幅又趨平緩. ABS 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物,主要用于擠出和壓延片材,供熱成型

10、制品使用. MBS 甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物,主要用在透明膜,片的擠出以及中空吹塑過(guò)程.,表2 國(guó)產(chǎn)CPE含量對(duì)制品的改性效果,六、其他助劑的配方設(shè)計(jì) 1、潤(rùn)滑劑的配方設(shè)計(jì) 按潤(rùn)滑劑的功能進(jìn)行分類(lèi),有內(nèi)潤(rùn)滑劑、外潤(rùn)滑劑,以及兼具內(nèi)外潤(rùn)滑功能的內(nèi)外潤(rùn)滑劑. 內(nèi)潤(rùn)滑劑是指熔化后能夠滲入PVC微粒內(nèi)分子鏈之間,減小PVC分子間作用力,促進(jìn)各層次微粒熔化、樹(shù)脂塑化,降低熔體粘度的助劑.外潤(rùn)滑劑是指助劑熔化后不能進(jìn)入PVC分子之間,只能分布于PVC微粒之間和PVC熔體與加工設(shè)備金屬壁之間,推遲塑化,降低粘附金屬傾向,并不能降低熔體粘度的助劑.內(nèi)外潤(rùn)滑劑是指助劑的分子有部分可進(jìn)入PVC分子

11、鏈之間(或溫度較高時(shí)可進(jìn)入PVC分子之間),其余部分不能進(jìn)入PVC分子之間,因而兼有兩種功能的助劑.按潤(rùn)滑劑的相容性來(lái)說(shuō),內(nèi)潤(rùn)滑劑與PVC有較好的相容性,外潤(rùn)滑劑與PVC相容性較差.在內(nèi)潤(rùn)滑劑與外潤(rùn)滑劑之間并無(wú)截然可分的界限.,常用的潤(rùn)滑劑有以下5類(lèi). 聚乙烯蠟 外潤(rùn)滑作用很強(qiáng),通常加0.20.6份. 石蠟(典型的外潤(rùn)滑劑) 由于石蠟熔點(diǎn)低,粘度小,易蒸發(fā),只能較窄溫度范圍內(nèi)起潤(rùn)滑作用. 脂肪酸皂 普遍認(rèn)為是外潤(rùn)滑劑,有硬脂酸鉛、鈣、鋇等. 脂肪酸 國(guó)內(nèi)主要用硬脂酸,外潤(rùn)滑為主,可歸入外潤(rùn)滑劑或內(nèi)外潤(rùn)滑劑,國(guó)外用褐煤酸,外潤(rùn)滑作用很強(qiáng). 酯類(lèi)與醇類(lèi)潤(rùn)滑劑 高級(jí)脂肪酸與高級(jí)脂肪酸的酯常歸入內(nèi)潤(rùn)滑

12、劑或內(nèi)外潤(rùn)滑劑.一般高級(jí)脂肪酸系列的內(nèi)潤(rùn)滑劑價(jià)格較高,在硬制品中,用量常在0.20.5份,使用內(nèi)潤(rùn)滑劑可收到以下效果: 與蠟類(lèi)并用,可改善PVC的熱穩(wěn)定性; 使用酯類(lèi)潤(rùn)滑劑,可增加填充劑的用量; 酯類(lèi)潤(rùn)滑劑可促進(jìn)塑化,往往可不必使用加工改性劑; 適當(dāng)增加酯類(lèi)潤(rùn)滑劑,減少蠟類(lèi)用量,可提高制品的抗沖擊能力.,對(duì)管材一般不用酯類(lèi)內(nèi)潤(rùn)滑劑.采用硬脂酸鉛-鈣配合,或硬脂酸鉛-鋇配合,既可控制PVC樹(shù)脂的塑化速度,又可防止物料粘附金屬,還可起到助穩(wěn)定作用.在單螺桿擠出管材配方中,兩類(lèi)脂肪酸皂的配比可取1:1或鈣皂(鋇皂)用量略高于鉛皂,總量一般在1.5份以?xún)?nèi).在雙螺桿擠出普通管材配方中,鉛皂往往超過(guò)鈣皂,

13、總量一般在1份之內(nèi).皂類(lèi)潤(rùn)滑劑較貴,要盡可能減少用量,避免管材表面見(jiàn)到鉛皂析出.使用蠟類(lèi)與硬脂酸配合,也有良好的外潤(rùn)滑作用.一般兩者總用量在1份左右,按等量并用原則配合.為了改善制品外觀降低口模阻力可選用聚乙烯蠟. 總之潤(rùn)滑劑的用量要盡可能減少,避免因潤(rùn)滑過(guò)度造成塑化不良、塑化溫度過(guò)高等. 潤(rùn)滑劑配比與用量的關(guān)系:潤(rùn)滑劑的配比和用量均影響物料的塑化速度,兩者之間有協(xié)同效應(yīng).以石蠟-硬脂酸鈣為例,研究結(jié)果見(jiàn)表3.,表3 石蠟-硬脂酸鈣配合對(duì)塑化時(shí)間的影響,結(jié)果表明:以極性潤(rùn)滑劑為主的潤(rùn)滑劑配合,配合比例常是決定塑化速度的首要因素,如石蠟/硬脂酸鈣為1/1、1/2、1/3;配比一定時(shí)(如1/1),

14、潤(rùn)滑劑總量對(duì)塑化速度的影響多數(shù)情況并不明顯.以非極性潤(rùn)滑劑為主的配方,如石蠟/硬脂酸鈣為2/1,潤(rùn)滑劑總量對(duì)塑化速度的影響很明顯.潤(rùn)滑劑比例很大,一種組分是另一組分重量的3倍以上,如4/1或1/4,配合比例增加對(duì)塑化速度的影響已不明顯,比例懸殊的配合沒(méi)有實(shí)際意義.,2、填充劑的選用 主要種類(lèi)有碳酸鈣、陶土、白炭黑、石棉等. 碳酸鈣(重質(zhì))密度3.05.0,(輕質(zhì))2.52.6,(沉淀)2.6;白炭黑(SiO2)粒徑210m只能作增量劑,0.1um有增強(qiáng)效果. 生產(chǎn)合乎國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的給、排水管,化工用管和雙壁波紋管等管時(shí),填充劑的作用主要是提高管材的剛性,減少收縮率,以及著色,次要作用是可降低成本.

15、由于,目前國(guó)內(nèi)超細(xì)填料(1um)還很貴,普通輕鈣用量過(guò)大會(huì)造成抗沖擊性降低和管耐用性下降,所以,在化工用管和給水管中,填料用量在2份以?xún)?nèi). 排水管,冷彎穿線套管中填料用量可多些,一般也不超過(guò)15份. 對(duì)管材性能要求較低的管材,如落雨管,填料量可大到2030份,但是不宜用雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn),因?yàn)樘盍蠈?duì)設(shè)備的磨損較嚴(yán)重.,3、著色與其他 硬PVC管的配方中還有色素,主要是鈦白粉或炭黑,可依管材外觀要求選用. 冷管穿電線套管配方中,考慮管材冷彎性需加入CPE改性劑,為降低成本又使用了增塑劑.增塑劑的使用降低了耐燃性,需使用氯化石蠟(含Cl:70%)配合Sb2O3提高耐燃性.,七、管材配方實(shí)例,軟管配方

16、:對(duì)PVC軟管不僅要求柔軟,還要求有一定的耐腐蝕性和物理力學(xué)強(qiáng)度以滿足特定的液體、氣體輸送要求.生產(chǎn)軟管時(shí)常選用XJ-3型樹(shù)脂,增塑劑總用量一般50份以下.增塑劑和穩(wěn)定劑根據(jù)使用要求和生產(chǎn)成本進(jìn)行選擇,幾種軟PVC管配方見(jiàn)表12.,八、管材加工工藝 1、擠出溫度 硬聚氯乙烯的加工溫度與分解溫度頗為接近,因此應(yīng)嚴(yán)格控制各點(diǎn)的料溫,同時(shí)注意測(cè)溫儀表的誤差及測(cè)溫點(diǎn)的位置.具體各點(diǎn)的溫度則根據(jù)擠出成型機(jī)的特性、螺桿、轉(zhuǎn)速、機(jī)頭結(jié)構(gòu)及物料配方等具體情況而定,不能強(qiáng)求一致. 擠出中,塑料從加料段至機(jī)頭各點(diǎn)溫度逐步升高,最高溫度應(yīng)控制在180190. 2、螺桿轉(zhuǎn)速 擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速取決于擠出機(jī)螺桿的大小,又取

17、決于產(chǎn)品的規(guī)格,還與物料的塑化加工性有關(guān).必須根據(jù)產(chǎn)品的外觀、物理力學(xué)性能、生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)因素綜合考慮,適當(dāng)提高螺桿轉(zhuǎn)速可以縮短物料在擠出機(jī)中停留時(shí)間,增加剪切摩擦熱,使擠出產(chǎn)量和塑化質(zhì)量均處于較高水平.螺桿轉(zhuǎn)速太高,會(huì)使管內(nèi)壁毛糙.單螺桿擠出機(jī)一般控制在2035r/min,雙螺桿擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為2030r/min.,3、機(jī)頭壓力 機(jī)頭壓力的大小會(huì)影響制品的質(zhì)量、出料的穩(wěn)定及產(chǎn)量等.影響機(jī)頭壓力的因素較多,例如機(jī)頭壓力正比于熔體粘度,口模平直部分和螺桿計(jì)量段的長(zhǎng)度、機(jī)頭壓縮比及擠出量等;而反比于模口間隙、螺槽深度、螺紋升角正切值等.故必須綜合考慮,合理選擇.就開(kāi)車(chē)時(shí)擠出過(guò)程的壓力變化來(lái)看,

18、以熔體進(jìn)入口模時(shí)的壓力最高.螺桿頭部和多孔板之間壓力如果過(guò)高則會(huì)損壞多孔板或機(jī)筒連接的螺栓,因此在操作過(guò)程中應(yīng)加以防止.一般硬聚氯乙烯的機(jī)頭壓力在17.040.0MPa. 4、熔料在口模內(nèi)的剪切速率 熔料在口模內(nèi)的剪切速率應(yīng)控制在100s-1以下,超過(guò)極限值時(shí)就會(huì)導(dǎo)致熔體破裂,以致管材表面粗糙.在口模平直部分的剪切速率正比于擠出量,反比于口模間隙的三次方. 5、螺桿冷卻 由于硬質(zhì)聚氯乙烯的熔體粘度高,有摩擦產(chǎn)生的熱量較大,易引起螺桿粘料分解或管材內(nèi)部粗糙,故采用螺桿通水冷卻,以減少聚氯乙烯熔體與螺桿表面的摩擦熱,從而使管材內(nèi)部光滑.螺桿通水冷卻后,會(huì)減少擠出量和影響塑化,不利于制品質(zhì)量,甚至料流堵塞.因此必須嚴(yán)格控制冷卻水溫度,一般出水溫度應(yīng)在70左右.,6、機(jī)身真空 雙螺桿擠出機(jī)排氣段的真空度應(yīng)在-0.080.09MPa,真空度較低