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年产1000吨硬质聚氯乙烯管材车间工艺设计

设计任务书

一,项目

年产1000吨硬质聚氯乙烯管材车间工艺设计

二,产品名称

聚氯乙烯管材

三,使用原料

PVC树脂及助剂

四,产品规格

1)20035.9

2)1632

五,产品性质

200×5.9 用于排污管道体系

16×2 用于套管

1 绪论

1.1 聚氯乙烯(PVC)发展概况

聚氯乙烯(PVC)是最早被工业化的塑料品种之一,在国外目前产量仅次于聚乙烯(PE)。PVC在工业(包括建筑业)、农业和日常生活中应用范围很广。

PVC的单体氯乙烯的合成,在50年代以前基本上都采用电石乙炔法。由于这种方法耗电量大,成本高,因而限制了PVC生产的发展和应用。50年代以后,国外逐步由电石乙炔法转向原料充足、成本低廉的乙烯氧氯化法,于是PVC的应用便获得了长足的发展。我国自1988年后,才开始有以石油为原料来源的乙烯氧氯化法生产PVC的装置投产。总的说来,先进的乙烯氧氯化法必将逐步取代落后的电石乙炔法,生产规模也将趋向大型化。

1.2 PVC树脂在建筑业中的应用概况

国外PVC树脂在建筑业中用量很大。1991年美国PVC总用量为409万吨,其中用于建筑行业276万吨,占PVC总用量的67.5%,西欧各国50%以上的PVC用于建筑行业;建筑业中应用的PVC制品以硬制品为主,软硬制品的比例约为40∶60。我国建筑业PVC 树脂的消耗水平较低,据全国化学建材协调小组初步测算,1995年和2000年建筑塑料制品需要量分别为30万吨和83万吨,需PVC树脂分别为24万吨和66万吨,消耗量相当于美国1991年水平的8.7%和24%;PVC软硬制品的比例目前为80∶20,计划到世纪末达到50∶50,这项比例仍低于国外90年代初期40∶60的水平。PVC软硬比的数值,从宏观上反映出我国硬质聚氯乙烯制品逐步推广应用变化的水平。目前硬质聚氯乙烯制品主要有塑料门窗和塑料管两大类。

1.3 硬质聚氯乙烯(PVC-U)塑料管发展的回顾和展望

目前国外PVC-U管的应用已相当普及,例如美国开发使用PVC-U管材已有多年的历史,1990年建筑用塑料管的耗量为68.2万吨,其中PVC-U管约占72%,并逐年以约5%的速度增长。德国是开发使用塑料管最早的国家,始于1936年,50年代后,获得了迅速发展,1989年仅西德塑料管的消费量就达39.3万吨。

日本开发使用塑料管稍晚,始于1951年,但发展较快,日本1990年塑料管的产量已达52.0万吨,管材5.79万吨,且每年约以3.2%的速度递增。塑料管在日本主要用于下水道、农业灌溉、排水和城市给水系统等。

关于塑料管的使用寿命,各国均认为可用50年以上。1939年英国铺设的第一条塑料

管输水管线,至今已58年,经检查尚未发现蠕变或腐蚀现象,说明合格的塑料管用于输水,其使用寿命50年是没有问题的,现在各国几乎都规定了PVC-U输水管的设计寿命为50年,德国还明文规定使用寿命必须保证50年。

关于PVC-U管的适用管径,从国外工业发达国家的发展经验,从管道材质本身的性能特点及经济性等综合因素来考虑,一般按如下不同管径选用不同材质的管材:

(1)管径在400mm以下,多选用PVC-U、PE等塑料管;

(2)管径在400~1400mm,多选用普通铸铁管、球墨铸铁管;

(3)管径在800mm左右的,也可选用GRP(玻璃纤维增强塑料)管。

这说明PVC-U管在管径为400mm以下时非常适用。

1.4 PVC-U管材的性质和用途

硬质聚氯乙烯管材的性质:[1]

(1)具有良好的耐酸耐碱性:PVC-U管使用于各种流体的输送,在埋地使用时也不受土质和水质的影响。

(2)拉伸和压缩性能强:具有一定的柔韧性,PVC-U管在20℃时拉伸强度可达48MPa,压缩强度可达65MPa以上,在压扁管径达1/2时不会出现破裂。

(3)使用寿命长:PVC-U管铺设在地下时,寿命可达50年以上,而铸铁管和混凝土管只有15~25年

(4)安装方便,施工价格低:PVC-U管质轻,其密度为1.38~1.46g/cm3,是钢管的1/5,是混凝土的1/3。一般每吨PVC-U管可代替10~13吨铸铁管。由于质轻,

运输费用降低,减轻劳动强度,安装方便,节省安装费用,降低施工价格。

表1-1 每10m排水管安装人工费/元

管径/mm 50 75 100 150

PVC-U管 6.45 7.70 9.03 11.65

铸铁管9.8 11.27 14.27 15.43

表1-2 每10m排水管安装工时/h

管径/mm 50 75 100 150

PVC-U管 1.55 1.85 2.17 2.8

铸铁管 2.23 2.71 3.43 3.71

由表1-1和1-2可以看出,PVC-U排水管比铸铁管的安装费用少30%,安装速度

提高30%以上。

(5)流动阻力小:由于PVC-U管内壁光滑,流动阻力小,长期使用不结垢。输水时

PVC-U管的摩擦系数是铸铁管的60%,是混凝土管的50%,输水能力较铸铁管

提高25%~30%,较混凝土管提高50%左右。

(6)制造耗能低:制造PVC-U排水管要比制造铸铁管节能55%~68%。

(7)维护保养费用低:由于PVC-U管不会生锈,不用上漆,其维护保养费用仅为铸铁管的30%。

硬质聚氯乙烯管材的用途:[1]

近期,PVC-U管材主要用于个国民经济支柱产业的建筑业,包括居民住宅建筑、市政工程及工业部门的建筑工程。基础产业的农业主要用于农田水利灌溉和农村水利工程。

(1)用于居民住宅建筑业

(2)用于中小城镇的供水工程

(3)用于市政排水改造工程

(4)用于农村饮水建设工程

(5)用于农村灌溉工程

1.5 物理性能

表1-3 聚氯乙烯的物理性能

性能PVC-U

密度/(g2cm-3) 1.4~1.6

吸水性/% 0.1~0.4

拉伸强度/MPa 45.7

弯曲强度/MPa 100

弯曲模量/MPa 3000

压缩强度/MPa 70.5

悬臂梁冲击强度

2.2~10.6

(缺口,23℃)/(kg2m-1)

断裂伸长率/% 25

热胀系数/10-5k-1 5

最高工作温度/℃70

体积电阻率/(Ω2cm) 1012~1016

表1-4 硬质聚氯乙烯管材的物理性能

性能PVC-U 拉伸强度/MPa 50~55 缺口冲击强度/(KJ2m-2) 5~8 马丁耐热/℃70~75

软化点/℃76

热胀系数/k-1(5~6)310-5耐磨性好

耐燃性自熄

耐候性良好连续使用温度/℃50~60 无内压力使用温度/℃60~70 最低使用温度/℃-20

2 生产方法

2.1 工艺选择

硬质聚氯乙烯管材的生产方法为:捏合,造粒再挤出管材或直接双螺杆挤出管材,具体有如下的方法:一,单螺杆挤出机挤出,真空定型或挤出加压定型;二,平行异向双螺杆挤出机挤出,真空定型或挤出加压定型;三,锥形异向双螺杆挤出机挤出,真空定型或挤出加压定型。[2]

采用捏合,造粒,挤出法生产管材的过程是:通过称量、过筛后的物料,经过高速混合机的混合和低速混合机的机冷却后,进入开炼机造粒,生成粒料,粒料再经过单螺杆混合机挤出管材。

采用双螺杆直接挤出管材的生产过程是:通过称量、过筛后的物料,经过高速混合机的混合和低速混合的机冷却后,直接进入双螺杆挤出机挤出管材。

使用单螺杆生产方法生产时,在挤出过程中螺杆所需的温度要比粉料直接挤出所需的温度高10℃左右,而且与粉料直接挤出相比还需要开炼机,一般需要两台开炼机。这样生产工艺要复杂,而生产控制点多,环节多,杂质易进入物料,生产环境恶劣,影响管材的质量,而且生产工艺长、设备装置多、复杂、占地面积大、生产厂房价格高、自动化程度低、劳动强度增大等缺点。

使用双螺杆生产时,整个工艺在相对封闭中进行,不受环境和其他物质影响,生产工艺路线短,自动化程度相对较高,而且生产工艺较成熟。所以,它具有劳动环境优良、易管理、生产可靠、产品工艺控制严格和产品质量易于保证的优点。

国外自20世纪60年代以来,硬聚氯乙烯管材的挤出成型都倾向于采用异向排气式双螺杆挤出机,因为它具有输送效率大、分散混合作用大、剪切速率低、发热量少、温度分布均匀、滞留时间短、能耗低、能量利用率高等优点。

2.1.1 挤出机的选择

采用单螺杆挤出机和双螺杆挤出机相比,双螺杆比单螺杆塑化更均匀,质量更有保证,自动化连续程度高,且,物料在双螺杆中塑化所需的时间较少,使物料停留时间缩短,也缩短了生产周期,直接提高了生产率。

与单螺杆挤出机相比,双螺杆挤出机在塑料成型加工时具有如下的优点:[3]

(1)加料容易。在单螺杆挤出机中,塑料的输送是靠摩擦起作用的,因此,如果塑料是粉料,或在塑料中加入玻璃纤维等填料组成的混合料,这些物料在单螺杆

挤出机中的输送效率非常低。而在双螺杆挤出机中,塑料的输送,靠正位移的

原理进行的,不可能有压力回流,因此,无论何种物料,都容易加入。现在一

般都采用双螺杆挤出机直接挤出生产产品,省去了造粒工序。

(2)塑料在双螺杆挤出机中的停留时间短。对于那些停留时间较长就会固化或凝聚的塑料,都能在双螺杆挤出机中进行。

(3)具有优良的混合、塑化效果。由于两根螺杆相互作用,塑料在挤出过程中进行着比在单螺杆中较为复杂的运动,经受着纵、横向的剪切。

(4)优异的排气性能。由于双螺杆挤出机啮合螺杆的有效混合,排气部分的自洁功能使得塑料在排气段能获得完全更新的表面。

(5)具有较低的功率消耗。与相同产量的单螺杆挤出机进行比较,双螺杆挤出机的能耗要少50%。因为双螺杆挤出机的螺杆长径比单螺杆挤出机的螺杆短,塑料

所需的热量大多数由外部输入。

(6)容积效率非常高。单螺杆挤出机的流率对口模压力比较敏感,而双螺杆挤出机的流率对口模压力比较敏感,用来挤出大面积的制品比较有效,特别是在单螺

杆中难以加工的材料更是如此。

对于双螺杆挤出机也有不同的型号,不同的型号也适用于不同制品的挤出。

异向双螺杆挤出机专门用来加工PVC干混料。当塑化像PVC这种热敏感性的干混料时异向啮合型双螺杆挤出机要明显优于单螺杆挤出机。这是因为:不依靠摩擦且能定量供料;仅需微热便可塑化;原料中的易挥发成份能可靠的排出;加热和混合时有优异的均化性;能建立最优压力而对原料输送无副作用;低螺杆转速下的高产量;良好的资金产量比。

异向双螺杆挤出机按产量可分为两种形式:锥形双螺杆挤出机和平行双螺杆挤出机。

当螺杆直径小时,采用锥形双螺杆挤出机具有如下的有点:啮合中心距大,有较高的螺杆扭矩;喂料容积变大;喂料部分输入能量高;因为喂料部分螺杆直径小,剪切应力低,熔体压力高;不用移动后续装置,就能方便的从机器尾部拆卸螺杆;塑化装置长度短,驱动装置紧凑,使机器总体长度短。

当产量大时,应选择平行异向双螺杆挤出机。螺杆直径较大时,平行双螺杆挤出机有如下优势:制造圆柱螺杆和机筒的劳动强度小,费用低;部件磨损费用低;机筒和螺杆长度可变;螺杆由好几部分组成且几何尺寸可变,能与塑化的原料相适合。

双螺杆挤出机的选择。与平行异向双螺杆相比锥形异向双螺杆又有如下的特点:

(1)由于喂料区的螺杆和机筒表面积增大,因此传热好,物料受热快且容易,输送效率高,可提高挤出机产量。

(2)锥形双螺杆的机械强度比单螺杆和平行双螺杆高,同时传动齿轮尺寸可增大,因而传动扭矩可以增大。

(3)锥形双螺杆在承受相同机头工作压力的条件下,轴向力明显减少(只有平行双螺杆的一半),因而止推轴承所受的轴向力减少,轴承的规格可以选用大的,

轴承寿命也可以大大延长。

(4)锥形双螺杆的分配传动齿轮由于位置充裕,可加大直径。齿轮的使用寿命是与齿轮直径的三次方成正比的,因此,锥形双螺杆分配传动齿轮的寿命是平行双

螺杆的四倍。

(5)锥形双螺杆挤出段的直径比相应的平行双螺杆直径小,因而大大减少了摩擦热,可避免物料的过热分解现象,这对于加工像聚氯乙烯这样的热敏性熟料来说是

极其重要的。

(6)由于锥形双螺杆在喂料区螺杆直径加大了,因此可以相应缩短其长度,同时螺杆槽容积随螺杆直径变小逐渐缩小,有利于物料在熔融过程中逐渐压缩和压

实,从而提高产品质量。

(7)锥形螺杆挤出机传动结构紧凑、易于维护维修、对螺杆拆装方便[4]。

2.1.2 管机头

管机头作用是对塑化的物料保持塑性状态,并产生一定的压力使塑化的物料经过一定的流道后成型为具有环形截面形状的管坯。

PVC加工是一个热不稳定过程,需要极好的流道,有分流梭芯轴支架的机头可满足要求。所以本设计所选用的机头为直通机头,物料在机头和挤出机流动方向一致。但其缺点是分流梭支架产生的接缝难以消除。

PVC熔体从挤出机流出进入一窄入口流道。熔体流充满较大的机头后流入支持芯轴周围。芯轴通过分流梭支架固定流体熔体中。分流梭支架的大小应能吸收作用于芯轴上的压力。其轮廓应是流线型的,以免流体在其上停滞。

在挤出PVC管时,管机头不仅要将熔体分开,还要降低熔体温度和机械不均匀性。流道大小应根据熔体通过量来定,以消除机头中温度不均匀性,使从双螺杆流出的熔体的紧张状态得到松弛。此外,芯轴保持架中流道直径和截面应比机头直径和出口截面大。这使被分流梭支架分成环段的熔体又融合到一起。机头口模靠法兰与机头外壳相连。它们可能偏离芯轴,在芯轴正中心的螺栓帮助下使熔体均匀。在较大管径下,可用加热带或加热筒来加热机头芯轴。热传感器和连接件通过分流梭支架插入中空的芯轴中。

每个机头都有特定的工作范围。通过改变口模和芯轴,我们可以加工出不同壁厚和直径的管材。芯轴定位器中的流道截面比和机头内插件的截面比,决定了机头布局。

机头结构类型,依照物料在挤出机和机头流动方向的相互关系划分,可分为以下几种。

(1)直通(平式)机头

物料在机头和挤出机中流动方向一致,是一种使用普遍的机头。这种机头在设计和生产操作中要注意分流器支架造成的接缝线处管材的强度低的问题。

(2)直角(十字)机头

机头料流与挤出机料流的方向呈直角(90o)。这种结构芯棒的一端为支承段,由于不存在分流器支架,熔料从机头一端进入到芯棒对面汇集,只能产生一条接缝线。这种结构为内经定型法挤管提供方便,但芯棒设计难度较大。

(3)偏心(支管式)机头

来自挤出机的料流先经过一个弯曲流道再进入机头一侧,料流包芯棒后沿机头轴线方向与挤出机呈任意角度,亦可与挤出机螺杆线相平行。它非常适合大口径管的高速挤出,但机头结构比较复杂,造价较高。

硬聚氯乙烯管主要用直通式机头。

2.1.3 定型方法

从机头口模挤出的管状物要经过冷却,使它变硬而定型。定型方式一般是用定径套进行外径定型和内径定型两种。

(1)外径定型

外径定型是使管状物外壁和定径套内壁紧密接触。要达到这种紧密接触有两种方法,一种是从设在支架中的一个筋和芯棒内的连通孔向管状物内部通的压缩空气,并将挤出的管端封塞,使管内维持比大气压较大而又恒定的压力,为内定径;另一种方法是在定径套上沿圆面上钻一排排小孔,用真空抽吸使管状物紧贴套管,为真空定径。

(2)内径定型

内经定型常用于直角机头或偏心机头。管材从口模出来后便套在冷却定型芯上,管材内表面紧贴于定型芯子外壁并迅速冷却硬化而定内经尺寸。为便于冷却水从芯模后部进入冷却定型芯子,冷却定型芯子连接在芯模延伸轴上。

以上两者比较起来,外径定型结构较为简单,操作方便,为了节约成本起见,因此本设计选用外定径法,真空定径。

2.1.4 冷却方法

用来冷却管材的方法通常用水浸式冷却和喷淋式冷却两种。

(1)水浸式冷却

水浸式冷却的装置是冷却水槽,将挤出的管材浸在水槽中进行冷却。这种方法要考虑的是管材在冷水槽中会受到浮力的影响,有可能使之发生弯曲变形,尤其是大口径的管材,其浮力大,弯曲变形可能性就更大。

(2)喷淋式冷却

喷淋式冷却的装置是水箱,水箱上装有沿管材周围均匀分布的喷水头,控制一定的水量对挤出管进行喷淋冷却。这种方法冷却均匀,变形可能性小。特别适用于大口径的管材的冷却。

2.1.5 牵引装置

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,均匀的引出管材,并通过牵引速度调节管子的壁厚。

牵引管材的装置有滚轮式和履带式两种。对牵引装置的要求是它们具有较大的夹持力,并能均匀的分布在管材周围上。牵引速度要求十分均匀,并且能无级调速。

(1)滚轮式牵引装置

一般由2~5对牵引滚轮组成,下轮为主动轮,上轮为从动轮,可上下调节,以适应不同直径的管材的牵引。这种牵引装置结构较为简单,调节方便,但轮与管之间是点和线接触,接触面积小,摩擦力小,形成的牵引力小,不适用大型管材,一般可牵引100mm 以下的管材。

(2)履带式牵引装置

一般由2条、3条或6条履带组成。履带上嵌有一定数量的橡胶块,其表面制成“V”型凹槽,以增加对管材施加径向压力的面积。为了适应不同管径和方便操作,履带间的距离和夹持可调。由于履带间的接触面积大,故牵引力大,不易打滑。3条或6条履带的形式更适合对大口径管材的牵引。[5]

2.1.6 切割

对于硬质管材,较多使用的是圆盘锯切割和自动行星锯切割。

(1)圆盘锯

其切割的方式是锯片从管材一侧切入沿径向向前推进,直至完成锯切,由于受锯片直径的限制(管子直径应小于锯片半径)这种方式只能对直径为250mm以下的管材切割。

(2)行星式自动切割机

它可以使管材的切割和倒角同步完成。在围绕管材旋转的圆盘上装有合金倒角铣刀,使切割的管口既光滑平整又带有一个15o的坡口。适用于扩口管材的生产。[5]

2.1.7 扩口装置

PVC-U管材扩口成型的方式有:

(1)在对塑料管材加热软化之后对扩口部位通过橡皮环涨型加硬外模定型;

(2)用气(油)囊涨型加硬外模定型;

(3)用金属涨块涨型加软外模(通常用气压作外定型)。

这三种方式中前两种的共同点是靠硬外模定型的方式,这种方式显然使得同一种规格的不同压力等级(壁厚)的PVC-U管材无法使用同一副模具,即使同一种压力等级的塑料管也会因为壁厚上的差别而造成扩出的内部形状尺寸上的差别,造成弹性密封圈放入之后松紧不一。这两种方式仅适用于小口径下水管道管材的扩口,一般不采用这种方式。

本设计采用的是第三种方法,也是较为普遍使用的内定型的方式,即金属涨块涨型加软外模定型(通常用气压做外定型)的方式。其过程为,PVC-U管管头经加热以后(处于弹性状态)沿导向套爬向涨块,经外气压使管壁贴附在模具上有效成型,保压成型一段时间后进行冷却水喷淋,然后涨块缩回,管材即可退出,扩口完成。

采用金属涨块方式的机器有,我国的主流机型SGK型扩管机及进口的SICA型扩管机。

2.2 总工艺流程

生产流程图,见附图1。工艺流程图,见图2-1。

2.2.1 PVC塑料粉料配置流程

双螺杆挤出的PVC-U管材,是直接由粉料生产的。为此,物料在高速混合时必须按先后顺序分批逐步的加入。[7]

(1)树脂、助剂等各种粉料的过筛,液体组分的过滤,固体块状物的粉碎。

(2)各组分的准确称量、过筛。

(3)按一定的加料顺序,定量的PVC树脂从上步进入混合室,运转后加入稳定剂,物料温度升至90℃时,加入填充料,在物料升温达100℃时,加入润滑剂,温

度升至110℃时加入着色剂,升温到120℃混合结束。

(4)由高速混合机出来的粉料进入低速搅拌机冷却到40℃,再送入双螺杆挤出机中挤出管材。

辅料辅料

↓↓

年产1000吨硬质聚氯乙烯管材车间工艺设计

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图2-1 PVC-U管材生产工艺流程图

2.2.2 管材挤出过程

开机前的准备。

(1)挤出设备的预热

先将挤出机机身和磨具等各段升温2小时达到150℃后,继续升温1小时,达到成型工艺要求各段生产所需求的温度后,保持1刻钟开机。目的是为了确保各加热段温度稳定,特别是使各加热段的衔接部分均匀受热,使全部加热区域同步达到挤出生产所需的温度。开机时的料筒、机头和口模的温度一般应比正常操作温度高10~20℃,口模处的温度应略低,以利于消除管材中的气泡,防止挤出时管材因自重而下垂,温度过低又将影响挤出速度及制品的光洁。

(2)螺杆转速的调节

螺杆转速要慢,出料正常后可逐步调整倒预定要求。加料量应由少到多,直至达到规定的量。

(3)校验同心度

管材挤出时,在引入真空定型套(或其他定型套)及冷却器前,应先效验其同心度;管材挤出口模后,若不平直而向某一方向偏斜,则易造成管壁厚薄不均,应及时校正。

两根螺杆互相啮合在“∞”字形的机筒内,分供料、压缩、排气、塑化、挤压五个区段加热。供料段为等深等距螺纹,螺槽的深度,居其它四段之首,输送物料能力较强。压缩段的螺纹等距不等深,使供料段送来的物料受到混炼和压缩,物料中带入的空气和水分被排挤到排气段,排气段再将物料中的水份或低分子挥发物从机身中部的排气孔排除的同时将物料进一步混炼后送至塑化段。与前三段相比,塑化段的螺距逐渐变小,其压缩比明显增大,物料受到强烈的剪切,得到充分的混炼和塑化。挤出段的螺距比其它四段均大,完全塑化呈粘流态的熔融物料,并且物料在一定的压力下经过过滤网、粗滤器而到达分流器,并为分流器支架分为若干支流,离开分流器支架后再重新汇合起来,进入芯模的环形通道,最后通过口模,到挤出机外而成管子。

由口模出来的管材进入稳固于冷却槽中的真空定径套内,真空度将管材外表面吸附于冷却水孔均匀分布的定径套内部。与此同时,安装在定径套周围的冷却水喷头,一齐将细滴状的冷却水向着空定径套内喷淋,使管材在真空定径套内迅速冷却、硬化,外径尺寸得到固定。管材从真空定径管道出来还有余热,再通过约15mm长的喷淋冷却,使管材逐渐冷却至室温。

已经定径和冷却的管材被上下两副匀速转动的,带有橡胶衬垫的履带夹住牵出,送入切割装置。行星式自动切割机把管材切成所需的长度和扩口管材所需的坡口。

被切断后的管材经光电管作用,由气动的橡胶轮输送至翻版平面上。一行程开关的信号杆将加热模向前移动并插入管段预热。到达温度后加热芯模自动退出,将管材送入扩口模具,同时通过压缩空气并通冷却水定型,完成扩口。[8]

管材质量初步检验。操作人员必须能初步检验管材质量,如目测其圆度、表面光洁、颜色的均一性等。

生产出来的管材通过检验后,包装入库。

注意事项:

(1)生产过程中的问题。对于厚壁管材及某些易产生内应力的管材,冷却水槽中应装有浸水式电加热棒,保持一定的水温,避免快速冷却而使制品内部产生气泡或残余应力。

(2)进入牵引时,由引管或靠工人将刚挤出的塑料管坯引入牵引机,牵引速度也应由慢到快,直至达到规定的速度。

(3)工艺参数调节。在刚开车到正常生产这一阶段,要不断调节工艺参数,直至管材符合要求为止。管材挤出时还应注意牵引速度的适中及冷却装置的合理性,并注意检验制品的外观质量、尺寸公差等。

3 排污管生产工艺

3.1 配方设计

在具体设计一个配方时,要选择的助剂有很多种,助剂的选择一般遵循如下原则:[10] (1)满足性能要求:在既定的配方体系和加工工艺中,所加入的助剂能充分发挥其预计功效,并能达到预计指标。规定指标一般为产品的国家标准。

(2)保留原有性能:所加入的助剂需不劣化或最小限定地影响树脂的基本物理力学性能,最好能提高原树脂的某些性能。

(3)不影响其它助剂:所加入的应能不劣化或最小化的影响其它助剂功效的发挥,最好与其他助剂有协同作用。在一个具体配方中,有的助剂之间有协同作用,有的

助剂之间有对抗作用。如在PVC加工配方中,铅盐类热稳定剂和硫醇类、有机

锡类不能同时加入。

(4)具有加工性:所加入的试剂应能保证配方体系具有适当的可加工性,以保证制品的成型,并对加工设备和使用环境无不良影响。此外,所加入的助剂对设备的磨

损和腐蚀应尽可能小,加工时不放出毒气,损害操作人员的健康。

(5)与树脂相容性好:所添加的助剂与树脂的相容性要好,这样才能保证助剂与树脂按设计的思路进行混合,保证设计指标的完成,以及其在使用寿命内,助剂效果

的持久发挥,同时制品耐抽提、耐迁移、耐析出。

(7)环境保护好:具体要求对环境无害,对使用者无害,对接触环境无害。但对于PVC管材而言,如下水管可用铅盐类稳定剂。

(8)价格低廉、来源广泛,在满足配方的以上几点的基础上,配方的成本越低越好。

如在PVC稳定剂配方中,能用铅盐类稳定剂的就不要选用有机锡类稳定剂。对

于原料的来源,要尽可能选用国内原料而不选用进口原料。

3.1.1 配方

PVC属于强极性聚合物,其分子间作用力大,导致其软化温度和熔融温度较高,PVC 的熔融温度在160~210℃范围内。

PVC分子内含有取代氯基,容易导致PVC脱去HCl反应,从而引起PVC的降解反应。在加工中,PVC受热后极不稳定,在温度到达90℃时就开始轻微分解,当温度到达120℃时就会发生明显的分解反应。[10]

分析PVC在加工中的两个温度——熔融温度和分解温度,分解温度低于熔融温度,也就是说PVC树脂在加工中还未熔融就已经分解,因此,纯PVC是无法用热塑性方法加

工成型的,必须加入加工改性配方设计,使其分解温度高于熔融温度,保证PVC树脂在加工中可熔融流动而不分解。[10]

对于PVC硬制品,为了提高分解温度,需加入稳定剂,还需加入各种助剂来改善熔体的流变特性。

在PVC硬制品中需要加入的助剂如下:

(1)稳定剂

在硬质PVC配方中,热稳定剂是必须加入的,而且要求热稳定剂的加入量大、稳定效果好。添加稀土稳定剂时应注意的问题:

A 稀土稳定剂能提高塑化效率,改善了物料流动性和均匀性,放在配方中可适当减少

加工助剂ACR的用量,一般使用1~5phr。

B 由于稀土混合稳定剂具有独特的偶联功能和增溶性,能与有机或无机的配位体形

并均匀分布故配方中填料的用量可适当增成离子配位键,使树脂紧紧包裹住CaC03

加。一般活性CaCO3,可用10~15phr。

C 使用稀土稳定剂时,应注意与金属皂、硬脂酸等配合时,易引起后者的析出,所

以在稀土配方中少用或不用上述原料。

D 由于稀土具有吸收紫外光的特征,进一步减少了紫外光对树脂分子的破坏,故能

改善只制品的户外老化性能,即在同等条件下,可减少防老化剂的添加量。

(2)润滑剂

聚氯乙烯树脂在加工过程中,由于导热性能差,会在加工机械表面出现粘附现象,导致熔体破裂,另外再挤出成型时,为了降低粘度、提高流动性、易于脱模,需加入润滑剂。润滑剂以内润滑为主,以酯、蜡配合使用。对于PVC硬制品,由于增塑剂的用量少或根本不添加,须加大润滑剂的用量。不透明的制品,常用金属皂类、石蜡、硬脂酸并用,其中金属皂1~2份、石蜡和硬脂酸0.3~0.5份。[10]

(3)填料

填料是PVC常用的添加材料,加入目的不仅是降低成本,还有提高刚性、热变型稳度、稳定性、耐候性等作用。PVC与大多数填料的相容性能好,所以选用范围很广,加入量也很大,碳酸钙是最常用的。

对于填充剂的要求:细度适当,容易分散到PVC树脂中去;与PVC树脂中各种树助剂配合后,不会发生化学变化。[1]

(4)着色剂

聚氯乙烯管材中常用的着色剂是颜料。着色剂不仅可以美化塑料管材的外观,而且兼

有抗氧、耐热耐光和稳定剂作用。

PVC制品对着色剂的一般要求为:具有良好的耐热性;容易均匀分散在PVC树脂中,不影响树脂的性质;有较好的气候适应性;粒度细,具有较高的着色力;不具有迁移和渗出的缺点。[1]

排污用硬质PVC 管材的配方见表3-1

表3-1 排污用硬质PVC管材配方[10]

组分质量份密度/(g/cm3) 体积份

PVC(SG-5)100 1.41 71.429

稀土多功能稳定剂

4 1.01 4.04

(REC)

CPE 8 1.51 5.298

ACR-201 1.5 1.20 1.25

ESO 1 0.99 1.010

TiO2 4 4.26 0.939

炭黑0.005 1.8 2.77310-3 轻质CaCO3 6 2.65 2.264

总量124.505 - 86.192 物料密度:1.445 g/cm3

配方说明:

本设计的产品为聚氯乙烯埋地管材,用于生活污水的排放。根据产品的要求,本配方所生产出来的管材需满足如下条件:要有一定的耐候性、耐冲击强度、耐腐蚀性、耐老化性。

根据配方的设计原则,生产硬质聚氯乙烯产品不应添加增塑剂。配方中的稀土稳定剂为最新发展起来的无毒稳定剂,符合现在所提倡的绿色环保产品,与环氧大豆油有很好的协同作用。而且,稀土偶联剂可以提高制品的力学强度,使制品有一定的耐候性,更有利于CaCO3与基体树脂良好结合,因此,可以增加填充剂的用量,又降低了成本。CPE的加入使得制品有良好的耐冲击强度、耐候性,耐化学品性,此外,CPE和ACR 一样还是一种很好的加工助剂,帮助聚氯乙烯树脂塑化成型。少量炭黑的加入可以提高制品的耐腐蚀性。

3.1.2 原料选择

PVC树脂选用的是:悬浮法通用型PVC树脂。

按照GB5761—93 “悬浮法通用型聚氯乙烯树脂”的标准,我国目前生产的悬浮聚氯乙烯树脂分为8种牌号。而PVC(SG-5)型号的一级B和二级树脂可用于硬管的制造。

表3-2 PVC树脂的技术要求

指标

PVC SG5

一级B 二级

粘度/(ml/g) 117~107 表观密度/(g/ml) 0.45 0.42 挥发物(包括水)含量/% 0.40 0.50

过筛率/%,0.25 mm筛孔过筛率/%,0.063mm筛孔98.0 92.0 10.0 20.0

100g树脂中的黑黄点总数,颗≤100g树脂中的黑点数,颗≤30 130 10 30

白度/% ≥90 85 残留氯乙烯单体含量/ppm ≤10 -

3.1.3 助剂选择

(1)稀土偶联剂(REC)

作为稳定剂使用,稀土类稳定剂具有优异的热稳定性能和尺寸稳定性,随着稀土用量的增大,PVC的拉伸强度和断裂伸长率逐渐得到改善(其各种优点见开题报告)。而且无机填料的增加并不影响其制品的性能。与铅盐稳定剂相比,其不管是冲击强度、弯曲强度或是拉伸强度均明显高于后者,而且前者能明显改善PVC初期损失着色性并具备提高制品抗紫外光的能力而与有机锡类稳定剂相似。其用量为4~6份,与环氧大豆油有很好的协同作用。[10]

(2)氯化聚乙烯(简称CPE)

作为加工助剂使用,用于改性硬质PVC的CPE牌号为130A。用量一般为7~10份。CPE虽含氯量及分子结构的不同,可呈现从硬质聚合物到橡胶弹性体的各种CPE。由于氯原子的存在,使CPE成为极性聚合物,且与PVC有相同即极性基团,因此增加了与PVC的相容性,成为PVC很好的改型剂。用CPE改性的PVC有较好的耐冲击性能外,还具有较好的耐候性,耐寒性、阻燃性、耐油性和耐化学品性。其性能指标列于表3-3。

[11]

(3)丙烯酸酯类(简称ACR)

作为加工助剂使用,ACR改性剂的外观色白、光滑、细密,有优良的室温和低温抗冲击强度,极好的耐候性。一般用量为1~3份就可以达到极好的改性效果。除此之外,ACR还具有较低的熔体粘度,因而使物料加工性能好,熔融流速快,减少物料对螺杆和机筒的磨损,工作稳定范围宽。[11]

表3-3 CPE产品性能指标[11]

项目名称CPE牌号130A

氯含量/Wt% 30

残余结晶度/Wt% 0~5

粒度/μm <315

Wt% >75

邵氏硬度/HA 50

拉伸强度/MPa 56

挥发分/Wt% <0.3

(4)二氧化钛TiO2金红石型(R型)

作为填料和光稳定剂使用,无色无味的白色粉末,分子量79.1,密度4.26g/cm3,熔点1560~1580°C,用量为1~10份。不溶于水,质地较软,耐热性和耐候性较好。能反射或折射大部分的光,并能吸收一定的紫外光,对臭氧的稳定性较高,效能持久。[9]

(5)炭黑

作为颜料和填料使用,炭黑有明显的补强作用,在塑料中添加1~3%的炭黑,可以提高制品的热变性温度、硬度、尺寸稳定性,炭黑对紫外线有很大的遮蔽效用。除此之外,炭黑还是配方中的着色剂,作为着色剂使用的炭黑一般为槽法炭黑,粒径15~30纳米,在本配方中加入少量的炭黑为着色使用,由于加入量少,生产的产品为灰色。[9]

(6)轻质碳酸钙CaCO3

作为填料使用,无色无嗅的白色粉末,相对密度为2.71,折光率1.65,碳酸钙是塑料中使用最广泛的填充剂之一,其价格低廉,来源广泛,比重小,在塑料中除了有增强作用之外,还有改善加工性能和制品性能的功效,轻质碳酸钙的最大特点是由补强作用,可提高制品的耐冲击强度,在硬质聚氯乙烯中的用量可达20~30份,它也可提高制品的色调温度性。[9]

(7)环氧大豆油

作为润滑剂使用,与稀土稳定剂有协同作用,浅黄色油状液体,折光率1.47,是公认的无毒稳定及;有良好的耐热性耐候性和树脂稳定性。用量为1~3份。

由于学校试验室条件和设计时间有限,本设计的配方只是一个初步配方,未经过实验论证。

3.1.4 助剂加入顺序

为了让助剂充分地与PVC微粒接触,减少填充剂对助剂吸收作用。要求应在加入PVC 树脂后即启动热混合机,再按如下顺序投料:稳定剂、各种加工助剂、色料、填充料。

3.2 干燥

(1)树脂干燥

PVC树脂在过筛之前需要进行干燥处理,因为PVC树脂中含有一定的水分,含水量会影响过筛工序的效率和成品外观和内在的质量。水分超过0.3%时,易堵塞筛孔,在管材挤出成型时易产生气泡。所以因进行烘干处理。[1]

工艺条件:温度:80℃

时间:2~3h

设备:鼓风干燥箱

(2)助剂干燥

由于碳酸钙表面的亲水性,大多数都吸收有一定的水份,故在造粒前应该先进行干燥处理,去除水分和其他挥发份,否则将影响制品外观和造成力学性能下降。[7]工艺条件:温度:60~80°C

时间:2~4h

料厚:小于30mm。

设备:鼓风干燥机

3.3 过筛

树脂及助剂在造粒前经过过筛,以去除杂质,防止损坏设备和保证加工过程的需要。聚氯乙烯和碳酸钙在初混合前必须经过筛选。

设备:三维振动筛[7]

过筛率见表3-4,

3.4 称量输送

在配料过程中,根据配方准确计量个组分。然后输送到混合机。

设备:自动秤。[7]