聚氯乙烯管材制备及应用.doc

洛阳理工学院毕业设计（论文）聚氯乙烯管材制备及应用摘 要 首先介绍聚氯乙烯及聚氯乙烯管材的分类和聚氯乙烯管材的特性与用途，接着阐述聚氯乙烯管材的配方设计和制造技术，聚氯乙烯管材生产中常见问题及解决办法，然后阐述聚氯乙烯管材PVC管材发展情况和国内目前常用的一些聚氯乙烯管材，对 P V C管材国内现状进行了分析，简述了P V C管道的优异性能、技术标准 、质量监测、环保的要求和节约方面的贡献及其未来的发展前景。 关键词：P V C管材，配方设计和制造技术，优异性能，质量监测PVC Pipe Production And ApplicationABSTRACTThe first introduces the classification of polyvinyl chloride (PVC) and PVC pipe and PVC pipe features and application, then elaborate PVC pipe formula design and manufacturing technology and PVC pipe production in the common problems and solution, then explains PVC pipe PVC pipe and domestic development situation of currently used some PVC pipe material, to P V C pipe domestic analysis of the current situation, this paper describes the P V C pipeline, the excellent properties of technical standards, quality monitoring, environmental protection request and the contribution of conservation and its future development prospects.KEY WORDS:PVC pipes, The formula design and manufacturintechnology, Excellent performance, Quality monitoring10目录前言4第1 章 聚氯乙烯51.1 聚氯乙烯的理化性质和其他性质51.2 聚氯乙烯的应用和分类61.2.1 聚氯乙烯的应用61.2.2 聚氯乙烯塑料的分类71.3 聚氯乙烯的生产工艺81.4 聚氯乙烯的前景展望10第2 章 塑料管材及分类112.1 塑料管材112.2 塑料管材分类13第3章 PVC管材加工工艺143.1 PVC-U管材加工工艺143.2 填料对PVC管材生产的影响及解决方案17第4章 PVC管材发展情况及应用前景254.1 PVC管材发展情况254.1.1 PVC管材254.1.2 PVC 管材生产及消费情况264.2 国内目前常用的一些PVC管材274.3 我国PVC管材发展存在的问题28结 论31谢 辞32参考文献33前言 随着化学工业的发展，聚氯乙烯管材的发展也十分迅速。聚氯乙烯管材与其他塑料管材相比,拉伸强度、压缩强度 、弯曲强度、隔热性能,自熄性等均较好,且价格也较低廉.因此，聚氯乙烯管材的发展一直受到国家的大支支持，已成为继木材、水泥、钢材之后又一类重要的材料。从上个世纪80年代初，国家大力推广应用pvc管材，并制定了一系列的政策、制度、标准，也积累了不少经验。发展到今天，已经具备了完善的产品标准、检测方法标准及检测手段、施工工程技术规范等，从而统一了产品的规格尺寸和质量指标，实现了产品的互换性。这说明了pvc管材的发展已经进入了成熟期，产品质量和施工质量均有了保障，从而保证了pvc管材的使用效。本文以聚氯乙烯管材的制备工艺为路线，重点论述了聚氯乙烯管材料在制备工艺中遇见的问题和解决方法： 介绍了聚氯乙烯管材近年来的生产概况及在工业领域的实际应用情况,并对国内聚氯乙烯管材存在的问题进行分析指出其发展趋势 。 第1 章 聚氯乙烯 1.1 聚氯乙烯的理化性质和其他性质聚氯乙烯属非结晶性高聚物，外观为白色粉末，其玻璃化温度依分子量大小为 105-75，与其他通用塑料相比，聚氯乙烯具有阻燃性和自熄性的特点，具有极好的耐化学腐蚀性，不溶于水，酒精，汽油，在醚、酮及芳烃中能溶胀或溶解。聚氯乙烯树脂，外观为白色稳定性粉末，粒径为60-250um,表观密度为0.4-0.6g/ml，100ml环己酮含0.5克树脂的稀溶液粘数 80-160ml/g，常温下100g树脂吸收增塑剂20-30克。聚氯乙烯是无定形的线型、非结晶的聚合物，基本无支链，链节排列规整。聚合度n的数目一般为50020000。聚氯乙烯树脂为白色粉末，相对密度约1.4。聚氯乙烯塑料有较高的机械强度，良好的化学稳定性。聚氯乙烯分子中含有大量的氯，使其具有较大的极性，同时具有很好的耐燃性。聚氯乙烯塑料有优良的耐酸碱、耐磨、耐燃烧和绝缘性能。但是对光和热的稳定性差。在不加热稳定剂的情况下，聚氯乙烯100时开始分解，130以上分解更快。受热分解出氯化氢气体，使其变色，由白色浅黄色红色褐色黑色。阳光中的紧外线和氧会使聚氯乙烯发生光氧化分解，因而使聚氯乙烯的柔性下降，最后发脆。同时，上述良好的力学和化学性能迅速下降。解决的办法是在加工过程中加入稳定剂，如硬脂酸或其他脂肪酸的镉、钡、锌盐。聚氯乙烯的抗冲击性能差,耐寒性不理想，硬质聚氯乙烯塑料的使用温度下限为-15，软质聚氯乙烯塑料为-30。聚氯乙烯的透水汽率很低。硬聚氯乙烯长期浸入水中的吸水率小于0.5，浸水24小时为0.05，选用适当增塑剂的软聚氯乙烯吸水率不大于0.5。聚氯乙烯室温下的耐磨性超过普通橡胶。聚氯乙烯的电性能取决于聚合物中残留物的数量和各种添加剂。聚氯乙烯的电性能还与受热情况有关，当聚氯乙烯受热分解时，由于氯离子的存在而降低其电绝缘性。燃烧（分解）产物：氯化氢、一氧化碳、苯。 稳定性：稳定。 灭火方法：雾状水、泡沫、干粉、二氧化碳、砂土急救。皮肤接触：脱去污染的衣物，用流动的清水进行冲洗。 眼睛接触：用大量流动的清水或生理盐水冲洗，离开现场至空气新鲜处，如果呼吸困难给输氧，就医。 食入：给饮大量温水，催吐，就医防护措施，密闭系统，通风和照明设施应防爆，不能用易产生火花的工具，戴自吸过滤式防尘口罩，防静电工作服，戴防化学品手套，工作现场禁止吸烟、进食毒性及健康危害性。 毒性：LD50，长期或反复接触，可引起肺功能改变，也可出现皮炎，皮肤脱屑。大量溢出时，切断电源，应急处理人员穿戴全身防护用品，隔离泄漏区，限制出入，用于净塑料布、帆布覆盖，避免扬尘，小心扫起，收集回收，做废料处理。1.2 聚氯乙烯的应用和分类1.2.1 聚氯乙烯的应用 聚氯乙烯(PVC)是一种聚合材料(或树脂)，它是由分子式为CH2-CHCI的单体氯乙烯(VCM)多次叠加而成。除了含氯外，PVC与聚乙烯具有相同的结构。纯PVC是颗粒状材料，机械硬度高，非常好的防气候变化，防水，防化学物性能以及是电绝缘材料。但是，对热和光相对不稳定，加热和紫外光导致了氯在氯化氢(HCL)中丢失，这可以通过加稳定剂来避免，稳定剂通常由金属盐如铅、钡、钙、镉或有机锡化合物组成。PVC的机械特性可以通过低分子量化合物混合于聚合物矩阵中来改变。加上这种称为增塑剂 使各种材料具有重要的可变特性，使PVC具有广泛的用途。这种可塑性材料为有机盐，主要为邻苯二甲酸盐和乙二酸。主要应用为刚性PVC(总用量的2/3)和柔性PVC(总用量的1/3)。供水管道，家用管道，房屋墙板，商用机器壳体，电子产品包装，医疗器械，食品包装等。下表表示PVC在欧洲使用的百分比，PVC使用的生命周期范围如用作结构材料，从几个月直到 50年，PVC在欧洲主要应用于建筑行业，占总使用量的57%，产品有较长的平均使用寿命。PVC树脂可以采用多种方法加工成制品，悬浮聚合的PVC树脂可以挤出成型、压延成型、注塑成型、吹塑成型、粉末成型或压塑成型。分散型树脂或糊树脂通常只采用糊料涂布成型，用于织物的涂布和生产地板革。糊树脂也可以用于搪塑成型、滚塑成型、蘸塑成型和热喷成型。1.2.2 聚氯乙烯塑料的分类聚氯乙烯塑料一般可分为硬质和软质两大类。硬制品加工中不添加增塑剂，而软制品则在加工时加入大量增塑剂。聚氯乙烯本来是一种硬性塑料，它的玻璃化温度为8085。加入增塑剂以后，可使玻璃化温度降低，便于在较低的温度下加工，使分子链的柔性和可塑性增大，并可做成在常温下有弹性的软制品。常用的增塑剂有邻苯二甲酸二辛酯、邻酯。一般软质聚氯乙烯塑料所加增塑剂的量为聚氯乙烯的3070。聚氯乙烯在加工时添加了增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、填料之后，可加工成各种型材和制品。一般软塑料制品。利用挤出机可以挤成软管、塑料线、电缆和电线的包皮。利用注射成型的方法并配合各种模具，可制成塑料凉鞋、鞋底、拖鞋等。（1）薄膜。利用压延机可将聚氯乙烯制成规定厚度的透明或着色薄膜，用这种方法生产的薄膜称为压延薄膜。也可以将聚氯乙烯的粒状原料利用吹塑成型机吹制成薄膜，用这种方法生产的薄膜称为吹塑薄膜。聚氯乙烯塑料薄膜上可以印花（如印制包装装潢图案和商标等）。薄膜的用途很大，可以通过剪裁、热合方法加工成包装袋、雨衣、桌布、窗帘、充气玩具等。宽幅的透明薄膜可以建造温室和塑料大棚，或者用作地膜。（2）涂层制品。将聚氯乙烯糊状涂料涂敷在布或纸上，然后在100以上将它们塑化，就可制成有衬底的人造革。如果将聚氯乙烯软片用压延机直接压延成有一定厚度时，就制成无衬底的人造革，可压出各种花纹。人造革用于制造皮包、皮箱、沙发和汽车的座垫、地板革以及书的封面等。（3）泡沫塑料。软质聚氯乙烯在混炼时加入适量的发泡剂，经发泡成型法可制成泡沫塑料，用做泡沫拖鞋、凉鞋、鞋垫、坐垫和防震缓冲的包装材料，也可以用挤出机制成低发泡硬质板材，可代替木材作为建筑材料。（4）利用热成型法可将聚氯乙烯制成薄壁透明容器，或用于真空吸塑包装材料。这种方法制成的片材也是优良的装饰材料。（5）糊状制品。将聚氯乙烯分散在液体增塑剂中，使其溶胀和塑化成增塑溶胶，再加入乳液（一种胶粘剂）、稳定剂、填料、着色剂，经过充分搅拌，脱气泡后，可配制成聚氯乙烯糊状制品，可用浸渍法、浇铸法、搪塑法涂敷在各种制品表面，起保护（防腐蚀）、美化作用。（6）硬管和板材。聚氯乙烯中加入稳定剂、润滑剂和填料，经过混炼之后，可用挤出机挤成各种口径的硬管、异形管、波纹管，用做下水管、引水管、电线套管或楼梯扶手。用压延法制成的聚氯乙烯薄片经重叠热压，可制成各种厚度的硬质板材，它可以切割成所需形状，然后利用聚氯乙烯焊条用热空气流焊接成各种耐化学腐蚀的贮槽、通风管道和各种形状的容器、反应罐。（7）门窗。它可用硬质聚氯乙烯异形材料组装而成，已经和木门窗、钢窗、铝合金门窗共同占领了建筑市场1.3 聚氯乙烯的生产工艺工艺流程简述：乙炔工段利用外购的电石和水在乙炔发生器中发生反应生成乙炔气体，乙炔气体经过压缩、清静、干燥后得到纯净的乙炔气体。合成工段利用电解分厂生产的副产品氯气和氢气反应合成HCL，或者是由废盐酸和蒸汽通过脱析、脱水工序生成干燥HCL，进一步净化后供给VCM转化，部分HCL由氯乙烯分厂提供。 纯净的乙炔气体和HCL经过混合预热后发生反应转化为VCM单体，VCM 再经过水洗碱洗、压缩、精馏后就送进VCM储罐等待参加聚合反应。 聚合工段使VCM和其他的各种辅剂发生聚合反应，反应产物经过汽提、干燥后成为产品包装出厂。乙炔工段利用外购的电石和水在乙炔发生器中发生反应生成乙炔气体，乙炔气体经过压缩、清静、干燥后得到纯净的乙炔气体。 根据我国现有能源结构和PVC行业国内竞争力的状况分析，今后西部地区建设电石法PVC项目尚有竞争优势，但也不容乐观。（1）电石法与乙烯法原料路线不同，前者约耗电3000KWH/T约耗电石1.5T/T，后者约耗电3000KWH/T，约耗乙烯0.5T/T。电石耗电约3500KWH/T，因此，电石法PVC实际上以电为主要原料，综合耗电约8250KWH/T。所以，供电与电价是电石法PVC生产的关键所在。从自备热电平衡的角度出发，将大大缩减PVC的生产成本。在建设周期尚不能同步的情况下，可先期收购并改造发电机组，为一期工程供电供汽，考虑正常发电利润的电力成本比网上供电价格要低50%左右，从而保证了把电石法PVC成本控制在较低的范围内的目标，与乙烯法PVC比较具有相当的市场价格竞争力。（2）电石法与乙烯法PVC相比，前者生产中有一种副产品：电石渣浆，即含20%左右Ca2的饱和溶液，可用其作为发电烟气的脱硫剂，而剩余的部分可以进行压滤，其中96%以上的固相用于生产水泥，其含5%左右的液相全部回收使用。现在有一种干法乙炔生产技术值得关注，可以较好的改善生产过程对社会环境的影响，特别是节水、减少固体及气体废物的排放量，降低对电的使用量。（3）大规模和联合生产是实现清洁工艺的基本条件。实际上，电石法PVC三废的处理技术上是基本成熟的。只是，以前电石法PVC企业主要分布在西部地区，规模小，实力差，技术落后，没有经济能力去解决。大规模和联合生产不仅具备综合利用，变废为宝，大幅度降低三废处理条件，还可为社会提供具有可观效益的产品。如用电石渣做水泥，20万吨/年规模可以保本，100万吨/年的规模可盈利。西部的电石法PVC生产企业有望成为电石法PVC清洁生产工艺的开拓者。此外，从可持续发展的理念出发，采取诸如膜过滤，生化处理等技术达标排放。不管是电石法还是乙烯法PVC生产路线，最后都是由氯乙烯单体聚合生成PVC。氯乙烯单体合成方法主要有乙炔法、联合法、烯烃法、乙烯氧氯化法、乙烷一步氧氯化法五种，我国目前普遍采用的为乙炔法和乙烯氧氯化法两种。当前我国氯碱工业大部分采用电石法生产PVC以平衡氯气。虽然此法耗能较高，但因此方法具有投资低，设备简单、转化率及产品纯度较高等特点，所以，电石法在我国PVC生产中占有很大比例。合成工段利用电解分厂生产的副产品氯气和氢气反应合成HCL，或者是由废盐酸和蒸汽通过脱析、脱水工序生成干燥HCL，进一步净化后供给VCM转化，部分HCL由氯乙烯分厂提供。纯净的乙炔气体和HCL经过混合预热后发生反应转化为VCM单体，VCM再经过水洗碱洗、压缩、精馏后就送进VCM储罐等待参加聚合反应。聚合工段使VCM和其他的各种辅剂发生聚合反应，反应产物经过汽提、干燥后成为产品包装出厂。 1.4 聚氯乙烯的前景展望目前PVC产业在全世界发展迅速，前景广阔，各国都看好PVC的潜力以及其对生态环境的好处，PVC正以其优越、独特的性能向世人证明其作用和地位是目前任何其它产品都无法取代的，社会发展需要它环境保护需要它，它是我们人类社会文明进步的必然趋势。正当全世界PVC产业蒸蒸日上的时候，然而遗憾的是，在我们国内PVC家具材料（包括橱柜）所占市场份额还不到10%，许多消费者甚至都没有听说过PVC作为家具材料,更不知PVC为何物。为什么德国PVC膜作为一种档次高、无毒无污染（不含重金属材料）环保材料国内市场的占有率仍然如此之小呢？这里当然有消费层次的问 题，但更主要是与我们的消费者对PVC这种材料缺乏正确的认识有关。它使PVC膜家具的生产量受到了限制，从而不能形成规模。相信通过我们同行的共同努力，市场的成熟，PVC产业在家具领域一定会上一个新台阶。洛阳理工学院毕业设计（论文）第2 章 塑料管材及分类2.1 塑料管材塑料管材作为化学建材的重要组成部分，以其优越的性能，卫生、环保、低耗等为广大用户所广泛接受，主要有UPVC排水管，UPVC给水管，铝塑复合管，聚乙烯（PE）给水管材这几种塑料管材-定义：塑料管材是高科技复合而成的化学建材，而化学建材是继钢材、木材、水泥之后，当代新兴的第四大类新型建筑材料。近年来，化学建材在我国取得了长足进步迅猛发展，尤其是新型环保塑料管材的广泛使用，掀起了一声替代传统建材的革命。塑料管材因具有水流损失小、节能、节材、保护生态、竣工便捷等优点，目前广泛应用于建筑给排水、城镇给排水以及燃气管等领域，成为新世纪城建管网的主力军。塑料管材应用优势：塑料和传统材料不同，技术进步的的步伐更快，不断的出现的新技术、新材料、新工艺使塑料管相对传统材料的优势越来越突出。塑料管材与传统的金属管和水泥管相比，具有重量轻，一般仅为金属管的1/6-1/10,有较好的耐腐蚀性，抗冲击和抗拉强度，塑料管内表面比铸铁管光滑的多、摩擦系数小、流体阻力小、可降低输水能耗5%以上，综合节能好，制造能耗右降低75%，运输方便，安装简单，使用寿命长达30-50年。聚乙烯管近10年来在世界各国发展很快，发达国家在给水领域和燃气领域应用聚乙烯管已占绝对的优势。聚乙烯管不但大量用来代替传统的钢管、铸铁管等，还在代替聚氯乙烯管，原因就在于近10年来聚乙烯管技术创新。一方面材料有重大的进步，通过聚乙烯聚合生产工艺的改进，聚乙烯管材专用料的强度几乎提高了1倍。另一方面应用技术有新的发展，例如近年来不用开挖管沟，采用定向钻孔方法铺设聚乙烯管的技术充分发挥了聚乙烯管的优越性，使传统管材在适合采用这种方法的场合根本没有竞争能力。目前还有很多新材料、新技术正在研究，或已经研究出来正在试用考给，可以肯定，今后10年塑料管的技术进步将促使塑料管更迅速地发展更广。 塑料管材的优点：强度和刚性、水力特性、密封性、寿命和耐腐蚀性、 铺设施工。塑料管材-塑料管材生产设备分类:系列单螺杆塑料挤出机，系列平行双螺杆塑料挤出机 ，系列锥型双螺杆塑料挤出机，塑料中空吹塑成型机，各种成套生产机组设备。 常见塑料管材问题：这是因为PVC树脂性能较差，加工范围较窄，成型条件极为苟刻，所以对UPVC管生产企业来说，寻找最佳助剂（如稳定剂、改性剂、润滑剂、填充剂等），研究最优配比和合理工艺，是保证塑料管材质量的前提 塑料管材问题一：拉伸强度及韧性较差。好的UPVC管其拉伸强度曲线应具有明显屈服，延伸率较大，而差的塑料管材常常表现为脆性，延伸率低而易断裂。 塑料管材问题二：抗冲击较差。按GB/T5836.192标准检测落锤冲击试验，多年检测发现，一次通过率仅为不足50%，许多产品甚至10次冲击，全部破裂。 塑料管材问题三：软化温度较低，易于遇热变形。表现在试验性能上，即是维卡软化温度较低（小于79），有些厂家为提高软化温度，简单地在配料时加大填料量，这样做的确可提高软化温度，但却使管材其它性能，尤其是抗冲击性，拉伸强度、韧性大大降低，因此要提高软化温度，而不降低或很少降低其它性能，就应在助剂选择、原料配比、生产工艺、及生产机械上下工夫，不可轻率对待。 UPVC给水管，按照国标GB/T10002.1-1996进行检测，其液压检验性能标准值要求较高，这就对生产UPVC给水管材的企业提出了很高的要求。偏心问题是常见的塑料管材问题之一，就会导致生产出的塑料管材壁厚不均匀度较大，从而不但造成原材料的浪费，而且使其液压试验性能很难达到环应力42MPa的要求，对塑料管材生产线运作造成很大的影响。因此这就要求生产企业不但要把好材料配比，有条件的企业应安装在线检测仪器，随时调整塑料管材的尺寸偏差。2.2 塑料管材分类塑料管材种类有：（1）硬质聚氯乙烯（UPVC）管UPVC管具有较高的抗冲击性能和耐化学性能，它可根据使用要求不同，在加工过程中添加不同添加剂 ，使其具有满足不同要求的物理和化学性能。UPVC管根据结构形式不同，又分为螺旋消声管、芯层发泡管、 径向加筋管、螺旋缠绕管、双壁波纹管和单壁波纹管。UPVC管主要用于城市供水、城市排水、建筑给水和建筑排水管道，也大量用于节水灌溉管道。（2）氯化聚氯乙烯（CPVC）管CPVC管是由过氯乙烯树脂加工而得到的一种塑料管，它具有较好的耐热、耐老化、耐化学腐蚀性能。国外多用作热水管、废液管和污水管，国内多用于电力电缆护套管等。（3）聚乙烯（PE）管PE管按其密度不同分为高密度聚乙烯管（HDPE）、中密度聚乙烯管（MDPE）和低密度聚乙烯管（LDPE）。HDPE管具有较高的强度和刚度；MDPE管除了具有HDPE管的耐压强度外，还具有良好的柔性和抗蠕变性能；LDPE管的柔性、伸长率、耐冲击性能较好，尤其是耐化学稳定性和抗高频绝缘性能良好。在国外，HDPE管和MDPE管被广泛用作城市燃气管道和节水灌溉管道，少量用作城市供水管道。（4）交联聚乙烯（PE-X）管交联聚乙烯是通过化学方法或物理方法将聚乙烯分子的平面链状结构改变为三维网状结构 ， 使其具有优良的物化性能 。PE-X管主要用于建筑室内冷热水供应和地面辐射采暖。（5）三型聚丙烯（PP-R）管三型聚丙烯是第三代改性聚丙烯，即采用气相共聚法使PE在PP分子链中随机地均匀聚合，使其具有较好的抗冲击性能、耐温性能和抗蠕变性能。PPR管主要用于农田灌溉。13第3章 PVC管材加工工艺3.1 PVC-U管材加工工艺温度对PVC-U塑料管材的影响体现在PVC-U塑料管材的整个生命周期中，从生产加工，产品贮存到使用，温度的不同直接决定了管材的使用寿命和使用强度。下面从塑料受温度的影响原理来说明温度对塑料管材的影响。塑料制品是高分子聚合物，随温度的不同会呈现出玻璃态、高弹态和粘流态三种状态（这三种状态是不同于低分子物质的，低分子物质三态是固、液、气三态分明），由于高分子物质的分子量分布和分散，所以三态之间相互转化时不是一个非常明确的温度值，而是一个比较宽温度范围（低分子物质三态转化有比较精确的熔点、沸点）。玻璃态下的塑料具有一定的强度，在常温下多数塑料处于玻璃态，我们通常是在这个温度下应用各种塑料；高弹态下，高聚物分子可以相对容易的伸展，塑料具有很好的弹性，可以进行一些简单的后成形加工（如扩口、弯曲）；在粘流态时，高聚物分子具有相对良好的流动性，可以进行复杂的加工如：挤出，注塑等等。在我们的PVC-U管材挤出生产中，由于温度的不同，物料三态的变化为：在挤出机中，物料在螺杆末端（计量段）应达到粘流态，在机头中呈粘流态；离开口模后渐呈高弹态，接触定径套后，在表层迅速降温，温度降至玻璃化温度以下，冷却的部分表现出玻璃态，保持一定的形状，然后逐渐冷却，直至管材整体呈玻璃态；扩口工序，对管材加热，使扩口部分处于高弹态，利用它的弹性可以使模具轻松进入，并且管材不受损伤，然后加压冷却至玻璃态定型。在整个生产过程中，只有熔温是直接测量物料温度，所以熔温反映的是物料的真实温度，而其它工序的各个温度只是通过设备温度间接的反映物料温度（挤出机机身、机头、加热炉），温度显示值和物料温度存在一定的偏差。（1）混料：混料过程分为热混和冷混，热混主要是使配方中各组分充分的进行物理混合，使其分散均匀，并排出其中的水蒸气。热混终止温度设置一般在110摄氏度以上，热量来源是靠高速混合机的高速旋转带动物料高速运动， 物料与锅壁和搅拌桨摩擦生热，物料之间的摩擦生热，使温度上升。这个过程的温度设置主要考虑不要使用树脂分解，水分充分气化挥发，润滑剂类物质能够熔化并分散均匀。热混结束后，将物料排入冷混机中降温，当温度降到40摄氏度左右时将物料排出，如果没有这个冷却过程，热的物料堆积在一起，热量散发不出去，会造成物料过热分解。（2）挤出：挤出过程中涉及到温度的地方主要有机身和机头，在机身和机头部位，主要是吸热，具体的热量来源是，机身部位的摩擦热和外加热，机头部位的外加热。在挤出过程中，吸热过程与温度高低和受热时间有很大关系。 机身主要包括螺杆和机筒。螺杆通常分为三段，加料段、塑化段和计量段。加料段：在喂料口位置，防止物料架桥通有冷却水；根据固体输送理论，为了实现大挤出量，要求螺杆有较大的输送能力，螺杆温度不宜高，现在的设备多数没有螺杆温度控制，螺杆只能靠不同部位之间的热传导和摩擦热来调节温度；即使机筒温度设的高，也只是反映机筒温度，而不是物料的实际温度。塑化段：通过吸收各种热量物料温度上升，温度达到润滑剂熔点以上，润滑剂熔化后会有一定的粘连作用，物料形成一种非常疏松的块状物，在物料经过真空抽吸孔时，靠负压脱出其中的水分、挥发分，如果温度高（确切的应当是吸热量太多），物料将变成一种坚实的块状物，则水分、挥发分将被包覆在块状物内部，不能靠负压脱出。若温度低（确切的说应当是吸热量不足），其中的水分、挥发分不能充分气化排出，粉状的物料也将从真空孔被吸出，堵塞抽真空管道。计量段：物料将逐渐压实，并建立压力，以克服机头阻力，摩擦热将成为主要的热量来源，在此阶段物料已不需要大量吸热，物料常常需要向外散热。机筒可以借助外设风机散热，所以机筒散热是最简单且有效的；而螺杆的散热问题则不易解决，因为无论是控温外循环油散热还是利用热管技术的内冷散热，都因螺杆的内部散热面积小，而制约了其散热功效，尤其在高速生产时，摩擦热大，产生的热量散不出去，会造成料温太高，影响管材内壁成形和物理性能。熔温是一个非常重要的工艺参数，熔温在挤出机与机头的连接体处测量，熔温受挤出机中计量段的温度影响非常大，通常通过调节计量段的温度来控制熔温。测量熔温的热电偶直接与物料接触，所以，熔温反映的是物料的实际温度。机头主要是使物料塑化的更加均匀，使物料压得更加密实，使物料由不规则流动变成规则的直线流动，并形成制品的形状。机头主要分为芯子和机头体，由于物料在机头的停留时间较长，所以温度不宜高。机头的温度、压力、口模长度直接影响着合料线的情况和产品的性能。在挤出过程中，由于挤出机的转数不同，当转数高时，在机筒部位的摩擦热量高，由于挤出速度快，物料在机头中的停留时间短，机头区的温度可以适当的设高一点；当转数比较低时，物料在机头中的停留时间长，机头的温度应当比转数高时低一点。（3）定径：物料离开口模后，进入定径套，在冷却水和真空的作用下定径，对于薄壁管材，由于管壁比较薄，所以内、外壁温差小，冷却造成的内应力还不大；对于厚壁管材，内外壁温差大，造成的内应力要大的多。并且壁越厚，内应力越大，较大的内应力将影响管材的性能。所以对于厚壁管材由于冷却时间长，内外壁的温差大，为防止造成太大的内应力，定径箱和喷淋箱之间应当有一定的间距，使冷却的外壁温度能够回升一点，然后再逐渐冷却。热的管坯以一定的速度离开口模，牵引机以一定的速度牵引管坯进入定径套，这两个速度是不完全相同的，一般是牵引速度稍大。由于热的管坯离开口模时有一定的轴向分子取向，对于薄壁管材，管坯进入定径套后，迅速冷却，取向的分子链段被冻结，会产生较大的内应力，影响管材的性能。对于厚壁管材，进入定径套后，只有靠近表层的分子链段被冻结，深层的属于缓冷，取向的分子链段可以在热的状态下自由运动，降低轴向取向度。具体表现是管材的纵向回缩率在生产薄壁管材时，不易合格，厚壁管材则没有问题。（4）扩口：扩口过程是对已成形管材的后加工处理，所以应该在管材受热后，处于高弹态时进行加工。温度高时，由于塑料处于粘流态，不能承受大的变形，在扩口变形时会发生破裂现象。温度低时，会出现发白现象。在连续生产时，由于扩口模具不能有效的降温，而生产中冷却时间又不能延长，会造成冷却不充分（尤其是厚壁管材），在扩口完成后，尚未完全降至玻璃化温度以下，在放置时，由于重力（或受挤压）作用，温度高的部位会继续发生变形，容易造成扩口部位不圆。而在刚开始生产时，由于模具温度还很低（预热不充分），当模具与管材内壁接触时，管材内壁温度下降，当低于玻璃化温度时，管材不能轻松发生形变，会发生墩管现象。对于大口径管材的扩口，是水冷定型，模具上容易附有水珠，管材内壁接触水后降温，但由于大口径管材一般壁比较厚，挺度比较好，不会发生墩管现象，但大口径管材的扩口平直部位常常会发白；小口径管材扩口是风冷定型，模具温度常常会比较高，当刚开始生产时，模具温度比较低，小口径管材壁比较薄，挺度比较差，容易发生墩管。（5）贮存：管材在贮存时，应当远离热源，避免曝晒。尤其在夏季，地表温度可达50摄氏度以上，由于塑料的蠕变与温度和力有关，所以放在下层的管材容易变形（不能自己恢复），造成安装困难。如果在高温下时间太长，也会使管材发生降解、变色。（6）应用：塑料管材与金属管材有很大的区别，使用时受温度影响很大，我们通常所说的管材多少Kg/cm2，或公称压力均是指在20摄氏度条件下，温度高时，则应当降低管材的使用压力或减少其使用年限。3.2 填料对PVC管材生产的影响及解决方案填料虽然只占PVC管材配方的很小一部分，但对提高PVC管材的性能和质量发挥着重要的作用，而且会对PVC管材生产的各个环节产生很大的影响。因此，填料增加后应及时调整润滑体系予以平衡，否则会对PVC管材的生产造成极大的破坏作用。填料又称填充剂，是一类添加到塑料中能增加体积、降低制品成本的物质。填料不但降低了塑料制品的生产成本，提高了树脂的利用率，同时也扩大了树脂的应用范围，而且一些填料的应用还可赋予或提高管制品某些特定的性能，如尺寸稳定性、阻燃性、电气绝缘性、防粘性、不透明性和刚性。有些填料还能提高管材的拉伸强度和冲击强度。本文以采用了碳酸钙填料的、用于110规格管材的0#4#配方（各配方的配比情况如表中所示）为例，通过6项测试实验来讨论在管材生产过程中填料是如何影响PVC管材生产的，并就其中出现的各种问题提出了相应的解决方案。 填料对PVC管材生产的影响：（1）混料工艺： 在PVC管材配方中增加填料后，首先会对混料电流造成较大影响。如图1所示，在混料初期，0#4#配方样品中的混料电流值差较小。在5565之间，各配方的电流值差为5A，当混料温度上升至6575时，混料电流值差只有2 3A。这是由于在此温度范围内，配方中的外润滑剂开始溶解，发挥润滑作用，从而使电流保持在一定范围内。随着混料温度不断升高，混料电流呈现较大的差异，且填料含量越高，混料电流相对越低。这表明填料比例增加后，由于润滑剂的润滑作用，使其具有较低的切导热系数，从而极大地降低了物料与混料机桨叶之间的摩擦热，并同时降低了马达的负载，导致混料电流呈下降趋势。 图3-2-1填料对混料电流的影响如图3-2-2所示，随着填料含量的增加，混料时间呈上升趋势。增加1倍的填料，混料时间可延长22%左右。这也与混料电流下降相对应，当电流值为67 76 A时，混料电流处于一个较低的曲线，而增加改质剂后，降低了物料混合过程中的摩擦热，同时由于高混锅排料温度的升高，延长了混料时间，从而为配方中各组分提供了充分的混合时间，显著提高PVC树脂的包覆效果和干混料的混合均匀性。 图3-2-2 填料对混料时间的影响图3-2-3所示为填料的增加对干混料表观密度的影响示意图。从图中可以看出，填料的增加对表观密度的影响很小，只有1%左右。这是由于填料的流动性比较好，尤其是在高温时流动性能更好，所以在混料过程中由于碳酸钙的加入降低了PVC颗粒之间、PVC颗粒与机械表面之间的摩擦,从而使得物料的总摩擦力减少，而且碳酸钙的加入量越多，现象越明显。 图3-2-3 填料对干混料表观密度的影响总之，填料的增加会大大降低混料工序的效率，但不会对干混料的质量造成较大影响。 （2）管材的加工性能： 有研究表明，填料的含量对管材的加工性能影响显著。当填料含量较低时，由于填料分散于PVC粒子之间，妨碍了PVC粒子的熔融，从而减缓了物料的塑化速度，延长了塑化时间，但可有效提高PVC管材的刚性。填料加量过多则会提高物料的粘性，平衡转矩也会随之升高。 研究发现，在实际的应用过程中，在不改变挤出成型模具的情况下增加填料，管材的外径出现了偏大的问题，并同时伴随着壁厚尺寸出现误差等问题。这是因为填料颗粒的加入限制了PVC分子链的旋转和移动功能，因而对那些与PVC分子链有关的材料性能均有影响。提高材料的模量会降低离模膨胀率和热收缩率，这样处于高温下的管坯在进入真空定径装置冷却定型的过程中，收缩比例减小，从而导致管坯的壁厚有所减小，出现壁厚达不到原有标准，甚至低于标准下限的现象。 图3-2-4 填料对扭矩和熔体压力的影响（3）管材挤出设备：填料含量的增加对挤出工艺的要求大为不同。随着填料含量的增加，在挤出过程中物料的扭矩值增大，导致在原有的挤出工艺条件下管材生产出现过塑化问题，且管材的挤出量随之下降，造成产量的降低。如图4所示，在相同的挤出工艺条件下，随着填料含量的增加，扭矩值和熔体压力呈逐步上升趋势。随着填料含量的增加，螺杆中物料的密度也随之增大，使得物料在挤压、剪切过程中的摩擦力增加，摩擦热因此急剧增加，从而导致螺杆、机筒4区（均化挤出段）的温度远远超出设定温度（如图5所示），而此时设备自身的冷却系统已达到满负荷状态，无法使该区温度继续下降，通常会高出设定温度1525。这时若要缓解物料的过塑化问题，必须将实际温度降低至130以下，而在如此低的温度下生产管材，由于物料对螺杆磨损以及扭矩的上升对设备的安全运行极为不利，而且此时物料塑化所需的热能需要大量的机械能来转换，这样长时间的挤出运转势必会加剧螺杆及设备传动系统的损坏。 图3-2-5 填料对挤出工艺控制方面(工艺温度)的影响另一方面是填料本身对管材挤出设备的磨损。一般，各矿物性填料的莫氏硬度为2.53，即便是硬度低于钢材的填料，其尖角也会对设备有影响。从机筒抽真空处观察到的塑化情况与螺杆扭矩曲线上表现出的塑化情况对比发现，粒径大小以及粒径分布均匀程度直接影响混料的塑化时间和螺杆扭矩的变化，甚至颗粒大小、分布和形状相同的填料，若硬度较高，对料筒、螺杆、混料机桨叶，甚至是模具都会有较大的磨损。 综上所述，在实际生产过程中，填料增加后的情况：试样0#4#的液压实验时间从23min60min不等。试样0#3#主要是剪切热大，物料有过塑化现象，均出现了韧性变形：试样0#的液压时间为23min，此时物料并未出现塑化过度的现象，但存在螺槽中物料填充不足的现象；试样1#降低了主机速度，由于塑化效果不充分，出现了脆爆现象；试样2#的机身2区和机头2区温度比1#高5，虽进一步改善了塑化效果，大大延长了液压实验时间，但仍然达不到国标要求。这4次工艺调整使得物料的塑化状态逐渐由条状转变为絮状，扭矩值和熔体压力也逐渐恢复到原有水平，液压实验逐渐好转，但仍然达不到质量标准要求。这样我们对试样4#的滑剂种类进行了调整，适当的增加了内润滑剂的比例，对比发现该试样有效提高了填料的分散性，改善了塑化效果，而且所获得的混料电流值最高，液压实验性能最好。 图3-2-6 液压实验对比图解决方案： 一般，可以通过提高管材的挤出速度和增加模具压缩段的压力来提高离模膨胀率，从而使管材的壁厚达到标准范围。通过降低真空箱的真空度可以将管材的外径维持在标准的范围内，如果仍无法达到预期的目的，那么就必须通过更换定型模具来解决该问题。 在实际生产过程中，可以通过降低管材的挤出速度或喂料量来缓解高扭矩和高摩擦热的问题，但随之而来的是设备产能的下降和单位管材能耗的增加，不利于管材稳定高效的生产。在增加填料的同时，应尽可能地将扭矩值和熔体压力保持在原有水平：一方面，可适当调整工艺温度。但这通常要降低机身温度，适当提高模具以及合流芯的温度，以减少物料在机身部分的受热程度，缓解过塑化问题。另一方面，要改进管材生产的整个生产流程源头，即调整配方组份。调整配方组份其实主要是指调整配方中的润滑体系，使其最终达到润滑平衡的状态。 在生产PVC硬管时，所需的热量来自管材挤出机的外部加热和物料与物料、物料与螺杆和料筒之间的剪切摩擦，后者是主要的供热源。由于混料在加工时受到一定的剪切力会产生大量的剪切热，这就要求混料配方具有控制塑化速率及熔体粘度的特性。虽然润滑剂对混料的影响不大，但润滑剂可调节物料分子之间的作用力和物料与机械表面的摩擦力，其中内润滑剂能促进塑化并降低塑化扭矩，而外润滑剂可延迟塑化并防止树脂熔体粘附在加工设备的金属表面。可通过调整内外润滑剂的比例来调控树脂混合物的塑化时间，以满足特定加工设备及工艺所要求的塑化速率。 表 3-1各配方的配比情况 在管材生产的过程控制中，需要结合干混料的性能检测结果对配方中的润滑体系进行调配。调配主要以硬脂酸、石蜡和改质剂为主，保证混料电流值趋于偏中下水平，混料时间必须达到8min以上，表观密度达到0.64。在工艺调试过程中，并不调整工艺温度，而是增加喂料量，提高物料的剪切、混炼效果，从而增加管材的密实度，改善液压实验性能。随着挤出工艺温度控制逐步下降，接下来应尽可能下调工艺温度，包括机头温度的控制。若调试过程中管材挤出速度变大，出现韧性变形的次数越频繁，说明调整不适宜，干混料的加工性能欠缺。 如果加工设备的剪切力过大，生成的摩擦热过多，在加工较易分解的树脂时就必须降低加工温度，以避免树脂内部局部过热而造成热分解。由于树脂都是热的不良导体，单靠降低加热温度来调节很有限，最可靠的方法是降低树脂粘度，从根本上减少摩擦热。这时，可适当地按比例增加内、外润滑剂用量来降低树脂的熔体粘度，使润滑体系能适应特定的加工设备及工艺的要求。反之，加工设备的剪切力较小，则应适当减少内、外润滑剂的用量。23第4章 PVC管材发展情况及应用前景4.1 PVC管材发展情况4.1.1 PVC管材在通用树脂生产中，以PVC树脂耗乙烯量最低，生产成本也最低。国内生产每吨PVC需耗乙烯0.5314吨，而每吨聚乙烯平均耗乙烯1.042吨，国内每吨PVC树脂的乙烯耗量比聚乙烯少消耗约50%。而生产PVC用的原料氯气，是平衡生产烧碱产生氯气的重要途径，烧碱是国民经济必不可少的十分重要原料。另外，从塑料制品角度看，PVC与各种助剂相容性好，在生产管材中可加入大量低廉的填料，使生产成本大大降低。PVC管材与金属管材相比，生产每立方米PVC和生产每立方米钢及铝计算，钢的能耗为316KJ/m3，铝的能耗是619KJ/m3，PVC的能耗为70KJ/m3，即钢的能耗是PVC的4.5倍，铝的能耗是PVC的8.8倍。而生产PVC管的加工能耗也仅为同口径金属管材的三分之一。同时由于PVC管壁光滑，不结腐蚀瘤，输水效率高，用于输液可节电20%左右。 PVC管材有很好的力学性能，且具备极好的耐腐蚀性，使用过程中重量轻，安装方便，不需维护，而使用钢铁作公用工程的下水管道，在使用过程中由于易腐蚀，必须经常涂敷涂料，维护费用高。一般建筑及公用工程用金属管道20年左右就更换，而作用加工良好的PVC管道，使用寿命长达50年等。因此，PVC管材是一种生产成本低、强度高，耐腐蚀的良好塑料制品。一般来讲，在排污、废水和通风管道方面，PVC管道比使用铸铁管节约安装和劳务费用约16-37%；作导线管比使用金属导线套管节约费用30-33%；而氯化聚氯乙烯（PVC）管在冷热水方面，比使用相同尺寸的铜管节约费用为23-44%。因此，由于PVC管材的优势，各国均在积极发展和推广PVC管材。 4.1.2 PVC 管材生产及消费情况自八十年代以来，我国先后引进不同型号的PVC管挤压生产线上千条，涌现出象大连实德、浙江永高、上海汤臣等较大的管材生产厂家。目前，我国UPVC（硬质PVC）管材、管件生产厂有600余家，总生产能力110万吨/年以上，生产规模在1万吨/年以上的厂家有30多家，规模在0.5-1万吨/年的厂家有60余家，UPVC管材、管件的生产设备基本上实现了国产化。在我国，PVC管较PE管和PP管开发早，品种多，性能优良，使用广，在市场上占有重要位置。到1999年底，全国塑料管生产线约有2000余条，其中引进设备约占15%。1999年我国各种塑料管材的生产能力超过165万吨/年，实际产量100万吨左右，而其中UPVC管材占50%以上。这些年来，在世界PVC的市场应用中，以建材市场为最大，且增加速度也最快。近年来美国建材制品一直占其制品总量的60%，西欧为62%，日本为50%，我国比例则不到30%，上升空间很大。在建材制品中，又以管材和异型材为主，包括建筑上下水管，农用灌溉管，气体输送管，原油输送管等。 我国UPVC管生产和应用在“九五”期间真正开始得到迅猛的发展，主要得益于政府的大力支持和社会对UPVC管材的认识。目前我国塑料管的应用不仅在数量上而且在品种和规格上得到了很大发展。如UPVC管在一些城市建筑排水应用上已达到90%以上，绝大部分UPVC管材企业这几年效益十分良好。在“十五”期间，塑料管的推广应用主要以UPVC和PE塑料管为主，并大力发展其它新型塑料管。到2005年，在全国新建、改建、扩建工程中，建筑用排水管道50%采用塑料管，城市排水管道20%采用塑料管，建筑给水、热水供应和供暖管道60%采用塑料管，城市供水管道（Dn400以下）50%采用塑料管，村镇供水管道60%采用塑料管，城市燃气管道（中低压管）50%采用塑料管，建筑电线穿线护套管80%采用塑料管。预计2005年需求塑料管材约200万吨以上，其中绝大部分为PVC管材。在发达国家中，PVC管消费量一般占塑料管市场的70-80%，而我国PVC管仅占塑料管的总量的50%左右，我国PVC管的发展潜力十分巨大。发达国家PVC各种管材的消费比例是：供水管占33%，下水管占22.3%，排污管占15.7%，灌溉管占52%，煤气管占0.8%，其它管材占22.7%。其中管件与管材的消费量比约为1：8。 在建筑市场上，使用的PVC管材有两种：一种是耐压管，一种是无压管。过去一般使用的铸铁管和铜管作为耐压建材，不仅腐蚀严重，而且需要经常维护和更换，成本较高。国外建筑上现在广泛使用耐压自来水管、热水供应管大多使用PVC管。小口径PVC管（UPVC管，CPVC管）具有成本低、耐腐蚀、不需经常维修和更换等优点。而大口径PVC耐压管（直径在100-900mm）替代铸铁管、增强小泥管，供水系统流动性好、耐腐蚀、重量低。节电、水质量好。而用PVC芯层发泡无压管作为室内下水管和雨水系统管，能很好解决室内下水管的噪音问题。公用工程排污管用无压PVC管，具有耐腐蚀，不受硫化氢的侵蚀，使用寿命长，重量轻，安装费用低，易连接且密封，不易断裂。此外，建筑用串线管和地下电缆护管也是PVC管材的另一个市场，目前国内采用的品种是直扩管、双壁管和单壁波纹管