PVC管材挤出课程设计

1题目PVC管材挤出课程设计指导老师 二〇一一年六月二十八日2 21.1PVC管材的特点 21.2PVC的污染 21.3PVC管材行业的现状和应用前景 31.4国内外主要工艺路线的比较和选择 41.5原料的选择和生产配方 51.6产品的质量指标 7 82.1挤出成型工艺 82.2定型工艺 82.3牵引工艺 92.4生产流程 93.硬PVC管生产车间工艺计算 3.1生产能力计算 3.2物料衡算 4.1螺杆挤出机计算 4.2挤出管辅机计算 4.3其他设备 4.4原料消耗计算 4.5能量衡算 设备一览表 3第一章概述聚氯乙烯(PVC)是世界第二大通用树脂，是由氯乙烯单体(VCM)聚合而成的一种热塑性高分子化合物。聚氯乙烯管主要是指硬质聚氯乙烯管，在ISO标准中定义为UnplasticizedPolyvinylChloride,简称为PVC-U。1.1聚氯乙烯管材的特点与钢、铁、混凝土、陶瓷管相比，聚氯乙烯管材具有如下优点：①重量轻，硬质聚氯乙烯管的相对密度为1.43,仅为同尺寸钢重量的1/6,1t塑料管可代替10～13t铸铁管，击穿电压达23～28Kv/mm。④摩擦阻力小。管内流体速度比钢管高30%左右，且结垢少，不生锈，长期运输水和其他流体，流率和流量均能保持不变；而铁管会生锈、结垢，使用数年后管内流率和流量均要减少。⑤导热系数小，耐候性较好，隔热性能好。⑥着色方便，不需油漆，且容易制成各种标识颜色的管材，生产中能耗低，仅为铸铁管的PVC内一些有毒添加剂和增塑剂，可能渗出或气化；部份添加剂会干扰生物内分泌(影响生殖机能),部份可增加致癌风险；焚化PVC垃圾会产生致癌的二恶英而污染大气。常规的PVC材料，如电线、电缆等是相当严重的污染源。在制造、使用及废弃处理时，都会产生大量的二恶英、氯氢酸、铅等有害物质；PVC材料燃烧时会发生很大的浓烟，并产生有害的HCL气体；而且大部分PVC材料中含有Pb(铅)、Cd(镉)等(用作电缆稳定剂)多种有害重金属，会对人体健康造成一定的危害；焚烧或掩埋后，会造成对土壤和水源的污染。由于一次性医疗器械产品大多采用医用级聚氯乙烯(PVC)或聚碳酸酯(PC)而PVC加工过程中的热分解物对钢材有较强的腐蚀性，PC则硬度高，粘性大，因而对塑化部分的零部件材质要求必须是能抗腐蚀、抗磨损而且有较高的抛光性能。目前大多数医用注塑机采用机筒螺杆镀硬铬的办法或者采用不锈钢为材料制作机简螺杆以达到上述特殊要求。另外，为了防止PVC加工过程中热分解产生气体，要求对动定模板表面进行镀铝处理，而且对外围板金也进行镀铝处理或者采用不锈钢板制作板金，板金拼缝采用无毒硅胶进行密封，以防塑料加工过程中产生的4气体跑到外面(塑料加工过程中产生的气体可通过专用设备进行集中收集再经过净化处理方可排入大气中)。(邻苯二甲酸二酯)容易雾化，其他乙烯基产品包括汽车内部、淋浴胶帘或铺地板物料等，也会释放有毒气体入大气，而DEHP也易溶入油性液体中。另外，人们也开始关注到，儿童若嘴嚼这些软塑玩具，会有添加剂渗出的安全问题。一些研究表明，这添加剂也许令健康问题复杂化，但需要进一步研究。根据一些医疗研究显示，PVC增塑剂也许会导致慢性病：譬如硬皮病、胆管癌(cholangiocarcinoma)、angiosarcoma、脑癌与acrosteolysis。2004年，瑞典和丹麦学者组成的的研究小组发现，常用在PVC的邻苯二甲酸酯DEHP和BBzP,和儿童过敏有相当强烈的关连性。对未增塑聚氯乙烯(U-PVC),由于不含增塑剂，不存在DEHP渗出，但是加工过程中通常会加入稳定剂，目前大多数是铅盐稳定剂，铅是一种有毒的物质，在使用过程中会有渗出，危害人体健康，同样不可忽视.目前已经有非铅盐稳定剂，但成本高，还没有推广普及1.3PVC管材行业的现状和应用前景作为科技发展的产物之一，PVC管材在日常生活中触目可及。在欧洲，1980年-1990年塑料管的增长率为8%,2001年产量达350万吨，其中PVC管占60%。美国1985年塑料管产量为160万吨，1999年产量约360万吨，其中，PVC管占78%。而中国的第一根UPVC扩口管材是于1983年在沈阳塑料厂(现沈阳久利的前身)诞生的，此后，中国大陆具备了PVC给、排水管的生产能力。二十世纪90年代后期是中国大陆PVC管道的高速发展时期。期间一些年产能在5万吨以上的工厂陆续建成投产，万吨以上生产规模的PVC管道工厂达30多家。目前塑料管道的年生产能力为200万吨。我国在20世纪50年代后期才开始塑料管的生产和应用，80年代以前我国的塑料管材发展还十分缓慢，,到1994年生产量才达到13.3万吨/年，1996年生产量就增加到24万吨/年。人均消费量还不到0.2kg,远远低于美、日、欧的人均消费量，若参照发达国家人均PVC-U最低消费量2kg计算，中国14亿人口每年就需要280万吨。从上可以看出我国这充分说明了我国存在着巨大的PVC-U管材市场容量，其发展机遇和潜力是很大的。目前中国塑料管道生产能力达300万吨，主要有PVC、PE和PP-R管道三大类，其中PVC管道是市场份额最大的塑料管道，占塑料管道近70%的份额。PVC管材生产线1600余条。年生产能力250万吨以上，2003年PVC管道(管件)年产量达120多万吨。在塑料管道中，PVC的份额为70%,PE占25%,PP-R占4%,其它占1%。虽然PVC管道的快速发展吸引众多企业进入这个行业投资，但在国内生产众多厂家(2000多家)众，年产能力在1万吨的仅有70多家，年产3万吨以上的企业为20多家并拥5有行业60%的产量。整体而言，国内小口径、低附加值的管道企业多，大口径、高技术含量的企业少表2国内1998—2003年PVC管道的产量生产厂家产量生产厂家产量华亚塑胶10万吨河北宝硕8万吨国风集团8万吨中材管道6.5万吨浙江永高4.5万吨福建亚通4万吨湖北凯乐4万吨广东顾地3万吨沈阳久利3万吨1.4国内外主要工艺路线的比较和选择挤出成型工艺是聚合物加工领域中生产品种最多，变化最多、生产率高、适应性强、用途广泛、产量所占比重最大的成型加工方法。挤出成型是使高聚物的熔体(或粘性流体)在挤出机的螺杆的挤压作用下通过一定形状的口模而连续成型，所得的制品为具有恒定断面形状的连续型材。目前大多数生产PVC管材的企业都是采用螺杆挤出机进行干法塑化工艺连续操作。螺杆挤出机又可分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机。PVC管材的挤出机可以用单螺杆挤出机，也可以用双螺杆挤出机。两种挤出机各有各的特点。单螺杆挤出机特点：a.结构简单，价格低。b.适合聚合物的塑化挤出，适合颗粒料的挤出加工。对聚合物的剪切降解小，但物料在挤出机中停留时间长。c.操纵容易，工艺控制简单。双螺杆挤出机：a.结构复杂，价格高。b.具有很好的混炼塑化能力，物料在挤出机中停留时间短，适合粉料加工。c.产量大，挤出速度快，单位产量耗能低。但是使用单螺杆挤出机生产PVC管材的企业，干混料不能直接使用，还必须经过混炼塑化加工成粒料的工序才能进行生产。而双螺杆挤出机适合粉料加工，它可以直接使用混合好的PVC料，减少了造粒的工序，但多了废料的磨粉工序。另外，由于双螺杆挤出机的产量大，挤出速度快，一般可达到2～4米/分钟，适合PVC塑料型材的大规模生产。而单螺杆挤出机一般只用作小型辅助型材生产，挤出速度仅为1～2米/分钟，而且目前国产双螺杆挤出机的质量已基本达到进口双螺杆挤出机的水平，价格仅为进口机的1/3～1/5。所以近年来，随着硬PVC制品产量的增加，直接使用干混料加工PV制品的双螺杆挤出机应用越来越广，双螺杆挤出机的型号日渐增多，对双螺杆挤出理论的研究也日渐深入。综上所述，本项目采用锥型异向双螺杆挤出机生产PVC管材。61.5原料的选择和生产配方的比较1.5.1PVC管材主要原料PVC树脂选择生产PVC管材的原料主要是悬浮法聚合的聚氯乙烯树脂。按照GB/T5761一93《悬浮法通用型聚氯乙烯树脂检验标准》标准，我国目前生产的悬浮聚氯乙烯树脂分为8种牌号(表3)。表3悬浮法聚氯乙烯树脂的型号及相关参数聚合温度粘数/K值聚合度参考用途高级电绝缘材料电绝缘材料，农膜，塑料鞋薄膜，人造革，高强度硬管透明制品，硬管，型材唱片，透明片，硬板，焊条吹塑瓶，透明片，管件过氯乙烯树脂具体选择时.做软制品时.一般使用PVC—SG1、PVC—SG2、PVC—SG3.需要加入大量增塑剂。例如聚氯乙烯膜使用SG2树脂，加入50-80份的增塑荆。而加工硬制品时，树脂塑料门窗型材使用SG5树脂，硬质透明片使用SG6树脂、硬质发泡型材使用SG7、SG8树脂。生产PVC管材所用的树脂必须符合挤出加工的要，本设计中选用SG5型号的PVC树脂可行。这种树脂一般要求K值为68左右，挥发物≤0.4%,同时对树脂的白度及杂质含量如黄、黑点及鱼眼等也有一定的要求。PVC树脂的堆密度对挤出工艺有一定的影响，生产时应视具体情况对工艺作相对的调整。1.5.2PVC-U管材生产配方 表4有机锡体系PVC-U管材配方7组分配方1配方2组分配方1配方2有机锡稳定剂0.2～0.40.2～0.4石蜡1.2硬脂酸钙0.5～0.80.8ACR(加工改0.4～0.8良剂)聚乙烯蜡0.3～0.6ACR(抗冲击1.5～2.0改性剂)碳酸钙10～1210～30表5铅盐体系PVC-U管材配方组分配方1配方2配方3配方4配方54硬脂酸铅硬脂酸钙1硬脂酸钡21碳酸钙硫酸钡石蜡1聚乙烯蜡氧化聚乙烯蜡硬脂酸炭黑颜料适量适量适量经过比较，在本设计中采用如下配方8表6PVC树脂硬脂酸钡CPE树脂4石蜡4PE蜡硬脂酸铅2轻质碳酸钙1.6产品质量指标我国采用ISO国际标准的对应技术文件，结合国内PVC-U管材的发展情况和质量水平，制定了符合我国国情并向国际标准靠拢的国家标准和行业标准。不同的用途有不同的产品标准如表7。国家标准国家标准化工用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材GB/T4219-1996建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材GB/T5836.2-92给水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材GB/T10002.1-96埋地排污、废水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材GB/T10002.3-96低压输水灌溉用薄壁硬聚氯乙烯(PVC-U)管材GB/T13664-92农用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材另外，环保安全的PVC-U管材的主要原料为PVC粉，辅料包括填充剂、热稳定剂、抗冲击剂、润滑剂、改良剂、发泡剂、着色剂等。PVC-U给水管中PVC粉含量在95%以上；PVC排水管中PVC粉含量在90%以上，其余部分为上述辅料成份的总和。在PVC-U管材中，填充剂(碳酸钙)的主要作用为降低管材成本(碳酸钙的吨价与PVC粉吨价比例为1:16)。碳酸钙与PVC粉的比例关系直接决定了管材质量的好坏。如果碳酸钙含量过高，虽然也能生产出管材，但质量无法得到保证，更不能满足PVC-U管材50年之使用寿命。采用非铅盐稳定剂取代传统铅盐热稳定剂来生产PVC-U管材的厂家。铅盐热稳定剂中含有铅元素，在管材的使用过程中会渗入水中。铅进入人体中较难排出，积累过多会引发铅中毒。国家建设部也明文规定饮用水PVC-U管材禁用铅盐热稳定剂。9第二章.生产方案和生产流程2.1挤出成型工艺挤出机螺杆分3个区段：加料段(送料段)、熔化段(压缩段)、计量段(均化段),这三段相应的对物料组成了3个功能区：固体输送区、物料塑化区、熔体输送区。固体输送区的料筒温度一般控制在100~1400C。若加料温度过低，使固体输送区延长，减少了塑化区和熔体输送区的长度，会引起塑化不良，影响产品质量。物料塑化区的温度控制在170~1900C。控制该段的真空度是一个重要的工艺指标，若真空度较低，会影响排气效果，导致管材中存有气泡，严重降低了管材的力学性能。为了使物料内部的气体容易逸出，应控制物料在该段塑化程度不能过高，同时还要经常清理排气管路以免阻塞。料筒真空度一般为0.08~0.09MPa。熔体输送区的温度应略低一些，一般为160~1800C。在该段提高螺杆转速、减小机头阻力及在塑化区提高压力都有利于输送速率的提高，对于PVC这样的热敏塑料，不应在此段停留时间过长，螺杆转速一般为20~30r/min。机头是挤出制品成型的重要部件，它的作用是产生较高的熔体压力并使熔体成型为所需的形状。各部分工艺参数分别为：口模连接器温度1650C,口模温度1700C、1700C、1650C、1800C、1900C。2.2定型工艺从机头口模挤出来的管状物要经过冷却，使它变硬而定型。定型一般用定径套进行外径定型和内径定型两种方式。其中外径定型结构较为简单，操作方便，我国普遍采用。外径定型的定径外套长度一般取其内径的3倍，定径套的内径应略大于(一般不超过2mm)管材处径的名义尺寸。管材的冷却方法有水浸式冷却和喷淋式冷却，较常用的是喷淋式冷却。真空冷却成型是借助于真空泵将真空槽抽成真空，使管坯外壁吸附在定型套的内壁上而达到冷却定型。真空定型的工艺条件一般为：真空度20.0~53.3kPa,水温15~250C,真空槽中的水成雾状为最佳。若真空度偏小，导致管外径偏小，小于标准尺寸；反之，若真空度偏大，管径偏大，甚至出现抽胀现象。若水温过低，定型不完全，且会使管材脆性增大；若水温过高，则会造成冷却不良，致使管材易发生变形。2.3牵引工艺牵引装置的作用是给机头挤出的管材提供一定的牵引力和牵引速度，均匀地引出管材，并通过调节牵引速度调节管子的壁厚。牵引速度取决于挤出速度，一般牵引速度比挤出速度快1%~3%,2.4生产流程硬质PVC管材规格和形式很多，其生产工艺流程基本上如图1。高速混合高速混合冷却定型捆扎包装原料及助剂低速搅拌切割造粒扩口挤出成品PVC管材生产工艺流程可分为三个过程：(1)、成型料准备过程，包括配方、混合(高速和低速)、过筛或者造粒。(2)、挤出成型过程，将配好的物料在上料器的作用下，由料仓送至挤出机的加料斗中，然后物料由加料斗进入挤出机进行加热、塑化。塑化完全后，塑化料被定量挤出。(3)、定型包装过程，经过冷却定径箱泠却定型，再经过牵引机、切割机，上光烘干固化后，检验合格即为成品第三章硬PVC管生产车间工艺计算(一)聚合聚生产能力(二)年生产时间(三)PVC管材合格率(四)产品规格(五)物料损耗系数73000吨/年硬PVC管材；工序配料高速混合挤出成型成型后处理损耗率3.1生产能力计算每小时设计产量=装置产量(公称产量)/(年生产时数×合格率)=73000×1000/(7000×0.99)=10534(kg)每天设计产量=10534×24=252816(kg)年设计产量=10534×7000=73738000(kg)3.2物料衡算按每天物料在各工序中进出料量进行计算进入工序物料量=出料量/(1-该工序的损耗率)日进入后处理的物料量=252816/(1-0.3%)=253577(Kg)日进入挤出成型的物料量=253577/(1-0.3%)=254340(Kg)日进入高速混合的物料量=254340/(1-0.4%)=255361(Kg)日进入配料的物料量=255361/(1-0.2%)=255873(Kg)表8-日生产物料衡算工序输入输出物料小计物料损耗小计配料255873255873255361255873混合255361255361254340255361成型254340254340253577254340后处理253577253577252816253577日输入输出物料255873252816第四章主要设备的工艺计算4.1、螺杆挤出机计算每小时设计产量=254340/24=10598kg查阅青岛泰德塑料机械有限公司资料选取SJSZ—92*28型号锥形螺杆挤出机.项目型号螺杆直径mm螺杆转速r/min最大挤出率kg/h主电机功率kw加热功率kwSJSZ—92*28挤出机台数=10598/600=17.7故取十八台设备年生产能力=(600/1000)×7000=4200(t)4.2、挤出管辅机计算本设计中，管材直径为160mm,壁厚4mm每米管重量=(0.08×0.08—0.076×0.076)×3.14×1500=2.94kg/m查阅塑料磨粉机专业生产公司资料选取JWP-550型号磨粉机型号主机功率风机功率电压总功率刀盘直径(mm)进料直径(mm)出料细度(目)产量外形尺寸L因为产品合格率为99%,故废品回收的量较少，选取一台磨粉机就能达到生产求。配方成分表PVC树脂硬脂酸钡CPE树脂4石蜡3Pb0.PbSO₄4PE蜡硬脂酸铅2轻质碳酸钙配方的总分数=100+4+4+2+1.2+0.4+0.2+40=151.8份总单耗=日消耗原料量/日产量=255873/25281.6=10.12各种原料单耗总量PVC树脂单耗=(100/151.8)×10.12=6.67t/t成品年消耗量=6.67×7000=46690(t)CPE树脂单耗=(4/151.8)×10.12=0.27t/t年消耗量=0.27×7000=1890(t)3Pb0.PbSO₄单耗=(4/151.8)×1.012=0.27t/t年消耗量=0.27×7000=1890(t)硬脂酸铅单耗=(2/151.8)×10.12=0.13t/t年消耗量=0.13×7000=910(t)硬脂酸钡单耗=(1.2/151.8)×10.12=0.08t/t年消耗量=0.08×7000=560(t)石蜡单耗=(0.4/151.8)×1012=0.03t/t年消耗量=0.03×7000=210(t)PE蜡单耗=(0.2/151.8)×10.12=0.01t/t年消耗量=0.01×7000=70(t)轻质碳酸钙单耗=(40/151.8)×10.12=2.67t/t年消耗量=2.67×7000=18690(t)表9主要原料消耗表序号原料名称规格单耗量年消耗用途1PVC树脂主要原料2CPE树脂H135填充剂33Pb0.PbSO₄AR/工业热稳定剂4硬脂酸铅稳定剂5硬脂酸钡稳定剂6石蜡58#半精炼润滑