聚氯乙烯及聚烯烃管材的配方.ppt

聚氯乙烯及聚烯烃管材的配方设计原理 概论 1 塑料管材的性能及用途管材是挤出成型法加工的主要产品之一 塑料管材的突出优点 相对密度小 相当于金属的1 4 1 7 电绝缘性能 化学稳定性优良 安装 施工方便 维修容易 单位能耗低廉 但与金属相比 它的力学性能较低 使用温度范围较窄 膨胀收缩变形较大 2塑料管材的种类 塑料管材的用途是输送液体 固体 气体 并可以作为电线电缆护套和结构材料 主要应用范围是 建筑给水管 建筑排水管 埋地排水管 燃气管 护套管 农业用管 工业用管 住宅建设 环境保护与治理 农业节水灌溉 交通 通讯 水利 能源等基础建设工程使得塑料管材有着非常广阔的市场 3 管材配方设计的原则 塑料管材的种类很多 按照所用原料的不同 管材性能与结构的不同 工艺不同考虑 如原料为管材专用牌号的树脂 且成型后能够满足管材性能指标要求的 可采用直接挤出工艺 聚烯烃树脂的牌号对最终性能影响极大 若现有牌号树脂不能满足产品性能或加工过程要求 在成型管材之前应先设计配方 设计配方的原则是根据使用要求 根据我国已经制定了各类管材标准进行 PVC管材 PVC给水管PVC排水管PVC埋地排污管密度 1 350 1 460 1 5拉伸强度Mpa 40断裂伸长率 80维卡软化温度 80 79 79落锤冲击 5 9 109 10纵向回缩率 9 5 5 公称压力2 0 401 0Mpa扁平实验50 无裂环刚度5 变形2 4 8kP二氯甲烷浸渍无变化无变化 PVC给水管 公称压力2 0 401 0Mpa2 0 500 8Mpa2 0 630 6Mpa是对材料的拉伸强度 刚性的要求影响材料的拉伸强度 刚性的因素 树脂 聚合度 杂质 降解助剂 都有影响 其中CPE 增塑剂 填料影响最大加工 混合均匀程度 塑化质量模具 机头压力冷却状态 PVC排水管 拉伸强度Mpa 40断裂伸长率 80维卡软化温度 79扁平实验50 无裂是对材料的拉伸强度 韧性的要求影响材料的拉伸强度 韧性的因素 树脂 聚合度 杂质 降解助剂 都有影响 其中CPE 填料影响最大加工 混合均匀程度 塑化质量模具 机头结构 压力冷却状态 PVC埋地排污管 环刚度5 变形2 4 8kP落锤冲击9 10是对材料的刚性的要求影响材料的刚性的因素 树脂 聚合度 杂质 降解助剂 CPE 填料影响最大加工 混合均匀程度 塑化质量模具 机头压力冷却状态 提高韧性的方法 1 改变分子的聚集状态控制结晶度 晶形 2 提高分子链段的运动能力减少分子间作用力 3 增加柔顺链段增加改性剂 提高刚性的方法 1 改变分子的聚集状态增加结晶度 晶形2 增加分子间作用力交联 偶联 扩链3 增加刚性助剂填料 增强纤维 聚氯乙烯管材配方设计原则 二 聚氯乙烯下水管材配方设计 1 聚氯乙烯下水管材与聚氯乙烯异型材标准测试项目及指标的差别 下水管材异型材测试指标 拉伸强度Mpa434037拉伸伸长率 80100维卡软化温度 7983落锤冲击20 0 10 扁平实验 加热尺寸变化率 弯曲弹性模量 2 管材的配方 管材配方中包含 PVC树脂 抗冲击改性剂 稳定剂 加工改性剂 填充剂 色料及外润滑剂等成分 1 PVC树脂 为了获得迅速与均匀的塑化 应该采用悬浮法疏松型树脂 树脂的型号多为 SG 5 SG 4用于双壁波纹管的树脂 特别应具有良好分子量分布和杂质量 以减少管材中的 鱼眼 避免管材波纹的塌陷和管壁的破裂 用于给水管的树脂 应属 卫生级 树脂中残留氯乙烯在lmg kg以内 为了保证管材的质量 减少次品率 树脂的来源要稳定 2 稳定剂 目前国内采用的主要热稳定剂为三碱式硫酸铅与二碱式铅盐 金属皂类并用复合铅盐稳定剂稀土复合稳定剂有机锡稳定剂含重金属的稳定剂 如含Pb Ba Cd 对人体健康有害 这些稳定剂在给水管配方中的用量有限制 稳定剂用量 单螺杆挤出流程 物料受热历史较双螺杆挤出流程要长 稳定剂用量前者较后者要增加25 以上 双壁波纹管的机头温度较高 物料在机头内停留时间较长 配方中稳定剂的用量比普通管配方要多 4 填料 填料的作用是可降低成本 尽量采用超细活性的填料 价格较高 管材用量比型材大 填料用量过大会造成抗冲击性降低和管耐压性下降 所以 在化工用管和给水管中 填料用量在10份以内 排水管 冷弯穿线套管中填料用量可多些 同时加大CPE的用量来改变冲击性能的下降 对管材性能要求较低的管材 和落雨管 填料量可很大 但是对双螺杆挤出机磨损较严重 改性剂 加工改性剂 普通管材可以少用或不用 波纹管和薄壁管多用 冲击改性剂 比型材用量少 两方面原因 1 性能 耐低温 拉伸强度2 成本 其它助剂 颜色 钛白用量 型材作为耐老化剂来使用 必须用 硬PVC管的配方中主要是色素 主要是钛白粉或炭黑 可依管材外观要求选用 润滑剂 管材配方中的润滑剂用量可以大些 双螺杆生产中配方的润滑剂用量比单螺杆挤出机略大些 稳定剂少一些 注意 金属皂类稳定剂的润滑作用 配方例1 上水管材配方 PVCSG 5 无毒 100T 175稳定剂1 3Ca Zi复合稳定剂1 2Caco38 15钛白1 2石蜡0 5 1 配方例2下水管材配方 PVCSG 5100复合铅稳定剂3 5Caco310 30钛白 碳黑 1 2 0 1 0 3 石蜡0 5 1H st0 5 1CPE4 8拉伸强度Mpa434037拉伸伸长率 80100维卡软化温度 7983落锤冲击20 0 10 扁平实验 加热尺寸变化率 弯曲弹性模量 配方例3 冷弯穿线管材配方 PVCSG 4 5100复合铅稳定剂3 5Caco320 40钛白1 2石蜡0 5 1H st0 5 1CPE4 8增塑剂4 6 配方例4 波纹管材配方 PVCSG 6 8100复合铅稳定剂3 5Caco310 30钛白 颜色 1 2 适量 石蜡0 5 1H st0 5 1CPE4 8ACR1 2 配方例5 停车配方 PVCSG 5100复合铅稳定剂10 15Caco330 50石蜡1 5H st1 5 二 交联聚乙烯管配方设计 1 交联聚乙烯管广泛用于饮用水 热水和食品工业 石油化工工业中的流体输送 其特点为 具有良好的强度 耐热性 耐热老化性 耐环境应力开裂性 电绝缘性 耐芳烃 抗蠕变等性能 交联聚乙烯管一般采用高密度聚乙烯 交联的方法可以是物理方法或化学方法 物理方法是利用高能辐射钻源或电子加速器射线交联 化学方法是采用化学引发剂使聚乙烯大分子之间产生交联键 聚乙烯原来的线形结构 经交联转变为三维网状结构 使得性能发生变化 硅烷交联聚乙烯管工艺 1 硅烷交联聚乙烯原理引发剂在受热情况下 生成自由基 接触PE链后摄取链段上的H 使PE链引发成带自由基的活性链 PE活性链与带活性官能团 含不饱和键 的硅烷进行反应 使硅烷中的 键打开 按上硅烷生成硅烷接枝PE 接枝后的PE链上的硅氧乙基在催化剂作用下快速水解 换出乙醇 并形成硅羟基 硅羟基之间经进一步结合 在大分子之间形成三维一O Si O 一键而达到交联 2 硅烷交联聚乙烯管生产工艺 1 两步法这种方法是将聚乙烯和硅烷引发剂在反应型混合机中进行接技反应 使硅烷接枝到聚乙烯链侧端 经挤出造粒而制得接枝共聚物A料 再将聚乙烯加入交联催化剂及其他助剂混合挤出造粒 制得催化剂母粒B料 在应用时按一定比例混合A B料挤出成型制品 经温水交联后成交联聚乙烯管 两步法工艺流程示意如下 2 一步法 一步法是将聚乙烯与硅烷交联剂 引发剂和催化剂等一起混合 将接技聚合与成型 交联各步骤一次完成的生产过程 其工艺流程如 两方法区别 两步法优点 可以控制较低的温度接枝 避免交联反应 挤出历程长 接枝率高 付反应小 投入大 成本高一步法优点 省设备 省工艺 成本低 专用设备控制难 接枝率低 付反应大 配方 树脂 高密度聚乙烯以选择管材专用料为宜 密度约为0 95g cm3 熔体流动速率6 8g 10min 接枝单体 可以是乙烯基三甲基丙烯酰氧基硅烷 VTMS 乙烯基三乙氧基硅烷 VTES 或3一甲基丙烯酰酸氧基三甲氧基硅烷 VMMS 引发剂 可以是过氧化二异丙苯 DCP 或过氧化苯甲酰 BPO 配方中还应含有催化剂 抗氧剂 流动改性剂等 配方例 注意点 1 引发剂 过氧化二异丙苯 DCP 过氧化苯甲酰 BPO 交联引发剂的选择主要考虑有机过氧化物在树脂适宜的加工温度下的半衰期 半衰期是特定温度下有机过氧化物分解速率的指标 用浓度减少到初始浓度一半的时间来表示 半衰期随温度的升高而减小 2 有机过氧化物在一定的温度条件下发生热分解 引发PE交联 3 挤出温度挤出机各段温度的设定与树脂的熔融温度和接技引发剂的分解温度 分解速度有关 进而影响接枝反应速率 过氧化二异丙苯 DCP 的分解半衰期与温度的关系如图所示 温度升高有利于接枝反应速率 同时也加大PE自身的交联 物料应在料筒中的停留时间 当选择的加工温度不同时 物料应在料筒中有不同的停留时间 以保证DCP分解 引发接枝 生产中将物料在挤出机中的平均停留时间控制在DCP分解半衰期的5 10倍 物料在挤出机中的停留时间是非常重要的工艺操作因素 若停留时间不足 会造成最终管材的交联度不够 但若停留时间过长 会造成在挤出机中提早发生交联 使得挤出成型困难 更严重的是管材的性能和使用寿命大大降低 水解缩合交联的温度及时间 水解缩合交联的过程需要适当的温度和湿度 交联反应需要充足的时间 管材壁越厚 彻底交联的反应时间越长 生产工艺参数举例 1 两步法硅烷交联聚乙烯管 接枝A料及含催化剂B料的造粒工艺 造粒选用平行同向双螺杆挤出机 螺杆直径为58mm 料简各段温度控制如表 螺杆转速为35r min 管材成型 采用单螺杆挤出机成型管材 料筒 机头温度 为190 230 螺杆转速30 40r min冷却水槽冷却机头为直通式结构 挤出的管坯用真空定型装置定型 喷淋式 交联反应 管材在沸水中浸泡8 10h 完成水解缩合反应 成为交联管 2 一步法硅烷交联聚乙烯管 采用单螺杆反应式挤出机 长径比为28 1 树脂进行预干燥处理 含水量 0 0002 原料中固相 液相分别计量加料 挤出机温度设置如表 三 硅烷交联聚乙烯热收缩管 热收缩管的形成是将一定直径的管材在可形成大分子取向条件下沿径向拉伸 使其产生 弹性记忆 为了保证拉伸过程较小大分子松弛 使拉伸后有一定的 记忆 性能 可将聚合物材料在拉伸之前先形成交联 交联后的三维网状结构成为热致形状记忆材料的固定相 拉伸使大分子沿拉伸方向取向 材料宏观上发生形状和尺寸变化 这种形变是在材料弹性形变之内 将大分子拉伸状态冻结 一旦遇到适当温度条件 材料表现弹性