PVC-U加筋管的生产工艺研究及其品质影响因素分析

沃奇中,陈毅明

(1.浙江省富阳市质量计量监测中心,浙江杭州311400;2.杭州联通管业有限公司,浙江杭州311400)

PVC-U加筋管的生产工艺研究及其品质影响因素分析

沃奇中1,陈毅明2

(1.浙江省富阳市质量计量监测中心,浙江杭州311400;2.杭州联通管业有限公司,浙江杭州311400)

采用国产设备和原料生产硬质聚氯乙烯(PVC-U)加筋管,介绍了配方、工艺流程及工艺条件的控制对产品品质的影响,对生产过程中可能出现的管肋弯曲、外壁起皮、内壁不光滑、环刚度不够、管材质脆、焦料等问题进行了研究,从加工温度、压力、螺杆转速、真空度等成型工艺入手,详细分析了各种问题的形成原因并提出了切实可行的解决方案。

聚氯乙烯;加筋管;工艺;品质

0 前言

PVC-U管材因具有质量轻、耐腐蚀、节省原料、安装方便快捷、使用寿命长、流体阻力小、抗沉降等优点,近年来在排水、排污、农田水利灌溉等领域得到了广泛应用。PVC-U加筋管是继 PVC-U波纹管之后,经引进、消化、吸收国外技术,在国内发展较快的新品种,其局部性能甚至超过波纹管。这里所指的PVC-U加筋管是指依据QB/T 2782—2006《埋地用硬聚氯乙烯(PVC-U)加筋管材》标准[1]生产的管材(见图1)。本文对规格为DN 300、等级为 SN 8的PVC-U加筋管的生产技术及影响产品品质的因素进行了阐述,以供广大读者参考,DN 300 PVC-U产品结构如图2所示。

1 实验部分

1.1 主要原料

PVC,S-1000,白色粉末 ,粒径为 60～250μm,100 m L环己酮含0.5 g树脂的稀溶液黏数为 80～160 m L/g,常温下100 g树脂吸收增塑剂20～30 g,齐鲁石化公司;

Ca/Zn复合稳定剂,CZ2390T,江苏昌河化学公司;

氯化聚乙烯(CPE),135A,浙江新河化工公司;

丙烯酸酯类抗冲改性剂(ACR),杭州大雄昂业有限公司;

碳酸钙,浙江地质矿产公司;

硬脂酸,浙江新河化工公司;

石蜡,嵊州碧海云天化工有限公司;

颜料,扬州凯诺塑化有限公司;

硫醇和羧酸有机锡,嵊州碧海云天化工有限公司。

图1 PVC-U加筋管Fig.1 PVC-U ribbed pipe

图2 DN300 PVC-U产品结构图Fig.2 Structure of DN300 PVC-U ribbed pipe

1.2 主要设备及仪器

高速混料机,M S-SHRL 500-1000,张家港华明机械有限公司;

PVC加筋管生产专用设备,75型,大连三垒机械有限公司。

1.3 工艺流程

PVC-U加筋管的具体生产工艺流程如图3所示。实验配方如表1所示。

图3 PVC-U加筋管的生产工艺流程图Fig.3 Process chart of PVC-U ribbed pipes

表1 PVC-U加筋管的实验配方表Tab.1 _Experimental formula for PVC-U ribbed_pipes

1.4 挤出机的技术参数

挤出机螺杆为PVC专用耐磨高效螺杆,螺杆直径为75 mm,螺杆长径比为33∶1,其材质为38 CrMoA lA,经过渗氮、衍磨处理,氮化层厚度0.6 mm,具有充分的强度和耐磨、耐腐蚀能力。螺杆机筒的加热功率为42 kW/h。

机头采用复合共挤机头,配有中央集中供料系统(见图4),模体结构为螺旋式结构,确保挤出稳定、高效。低压力高流速流道设计及芯模温控装置,确保实现低温低压挤出。2台单螺杆主机共挤进料,通过可调节间隙的双层模口分别挤出,双层料中间通压缩空气,内层料通过冷却水套冷却定型。外层料在压缩空气和模块负压真空联合作用下,随模块内腔冷却定型。由于成型机结构的限制,要求有较长的成型段,为防止物料因停留时间过长、摩擦阻力过大而分解,需适当加大口模间隙,以生产壁厚为10 mm为例,其口模间隙为12.5 mm,同时保证产品具有较高的光泽度以及密实度。

图4 中央供料机头Fig.4 Die with central feeding system

以生产DN300为例,机头分流器与过滤板距离以10～20 mm为宜,分流器的扩张角为60°～90°,锥形部分长度为75 mm。如扩张角过大,会增加料流阻力,物料易发生分解。因为硬聚氯乙烯熔体黏度高,物料在流动断面的中心流速快,而在机头壁上有滞流趋势,故扩张角最大不能超过90°,如取值过小,料层不能很快变薄,不利于均匀受热;物料在此停留时间过长,同样会造成物料分解。分流器头部圆角直径为0.5～2 mm,过大造成积料分解。机头压缩比一般以6～7为宜。生产DN 300时,如压缩比过小,制品不密实,结合缝不易消除,严重者有纵向条纹,结合缝力学性能差(压扁平试验由结合缝裂开),如压缩比太大,机头体积增大,加热不匀。

2个口模的内径分别32、32.5 mm,口模平直部分的长度为165 mm,其长度相对传统的加筋管模具长40～45 mm,有利于管材密实度的提高,使产品的力学性能更好。当管材离开口模后压力会降低,出现膨胀现象;另一方面由于牵引、冷却收缩,管材截面积有缩小的趋势。这种膨胀与收缩的大小与塑料性能、口模温度和压力、定径套的结构有关。如果平直部分过短(120～125 mm),螺杆背压减小,料流阻力小,塑化不好,芯模支架形成的接合缝强度差,管材纵向直线开裂。反之,螺杆背压和阻力增大,出料困难,造成分解,甚至顶坏螺栓。故口模的选择对产品品质起着至关重要的作用。

定径套材质为不锈钢,其外径为308～309 mm,接近于口模端的定径套直径相对较小。定径套的长度为600 mm,冷却系统为2组独立的循环冷却装置,更有利于产品的成型和生产效率的提高。

1.5 成型机的技术参数

目前国内成型机按传动方式可分为2种,第一种成型机的模块是通过拉链牵引传动的立式结构,其主要缺点是更换模具不方便,且生产大口径的管材困难;第二种是推进式定型机的卧式结构,其优点是可生产大口径管材,更换模具方便,但需经常加油。生产DN 300口径的管材采用推进式定型机卧式结构,其采用了先进的梭式结构,运行轨迹为矩形,运行平稳且模块对数少,只有 32对模块,成型一次整体长度为6230 mm。模块更换调整方便简捷。工作台上滑动部分由耐磨高强度合金钢制造,采用离子氮化工艺强化表面,从而延长使用寿命,更换模具方便。交流伺服电机及驱动器、PLC可编程控制器、人机界面控制面板等核心控制元器件采用西门子公司产品。

2 结果与讨论

2.1 稳定剂及润滑剂的选用

本文研究了Ca/Zn复合稳定剂和有机锡稳定剂及辅助稳定剂对PVC树脂的动态热稳定性的影响[2],还研究了内外润滑剂对PVC树脂加工流动性能的影响。结果表明,采用5份Ca/Zn稳定剂配合0.5～1.5份硬脂酸能使PVC的动态热稳时间达到31～43 min;加入总量为2.5份的硫醇和羧酸有机锡可使PVC的动态热稳定时间大于30 min;选用2.5～3.0份微晶石蜡和酰胺蜡作外润滑剂配合内润滑剂脂肪酸酯能够降低PVC树脂的熔体黏度,提高流动性能;最后将PVC管材参考配方及相应的性能指标与国外同类产品进行对比。

2.2 加工助剂和抗冲改性剂的选用

由于模具成型段较长,物料经充分取向,其韧性很好,对抗冲改性剂的要求不是太高,同时为减少对环刚度的影响,抗冲改性剂的用量尽量不要太大,一般控制在2～3份之间。若配方体系中抗冲改性剂的用量在1.5份以下,则效果不明显。若用量在4份以上,则易出现脆性现象。

对于 PVC产品,加工助剂的用量尤为重要,直接影响产品的加工成型和物理性能,其正常添加量一般在4～10份之间,主要是根据填料的份数和螺杆的塑化来确定。本文添加6份ACR后,产品的加工性能和物理力学性能均能达到国标要求。若要保证配方具有更好的加工性,也可适当将加工助剂的用量增加0.5～1份,但产品的环刚度有所下降。

2.3 填料的选用

在PVC-U加筋管中填充适量轻质活性碳酸钙,不仅可以降低成本,且能部分提高管材的刚性,但填充过多则会导致成型困难,并会影响产品的性能[3]。本文采用的碳酸钙的粒径为14～19μm,根据产品力学性能的要求,其添加比例为30～50份。

2.4 温度的控制

PVC混合料在机筒内经过螺杆混炼,在内摩擦热和电加热的作用下,物料逐渐变成熔融黏流态,物料在旋转螺杆的流动下向机头方向螺旋运动。进入机头模具后,在高温、高压下经过机头模具型腔进行分流压缩成型,挤出近似制品断面的型坯,再经过定型模具对型坯真空冷却定型,达到制品设计要求。挤出机的显示温度是机筒、机头及口模的温度,并非物料的实际温度。当机筒、机头、口模等温控点外加热器加热时,物料温度实际上低于显示温度;当机筒、机头、口模等温控点外加热器停止加热时,物料温度则可能会等于或高于显示温度。物料温度、显示温度与设定温度在不同挤出情况下的对应关系,是设定和控制挤出温度的依据和基准。挤出机的温度设定如表2所示。

表2 挤出机的温度设定 ℃Tab.2 The setting temperature of the extruder ℃

2.5 螺杆转速与成型机的速度

螺杆转速是挤出速率、产量和产品品质的重要工艺参数,一般根据模头的形状和大小、冷却装置的能力等综合考虑。转速太低,挤出效率不高;但转速过高,会导致剪切速率增加、熔体离模膨胀加大、表面变坏。螺杆转速提高后,成型机速度也相应地提高。成型机速度过快或过慢,分别会导致产品过薄或过厚,尤其刚开车牵引产品时,成型机速度过快会拉断产品,太慢则会引起口模与定型模之间积料堵塞。生产DN300 SN 8产品时,螺杆转速以55～60 r/min为宜,成型机速度以1.5～1.7 m/min为宜。

2.6 熔体压力

熔体压力一般控制在8～15 M Pa之间。熔体压力太低,说明料的塑化性能和喂料量未达到要求;熔体压力太高,可能螺杆中背压太大,喂料量过多,不利于成型加工。

2.7 产品品质影响因素

成型工艺参数包括加工温度、熔体压力、熔体速度、生产速度、真空度、气压等参数,工艺参数的设置直接影响产品品质,在成型操作过程中,每个工艺技术参数都与产品的品质关系密切,工艺技术参数相互配合、互相弥补是产品品质的保证。工艺技术参数的压力参数主要涉及真空压力、气压压力、熔体压力等主要参数;速度参数主要有挤出速度、生产速度、模具运行速度和冷却速度;工艺技术参数的时间参数主要涉及冷却时间、切割时间、下线时间和混料时间参数;以上这些参数设置,除了要按照设备本身的成型工艺技术条件要求外,还要结合实际情况,根据塑料原料的塑化情况、原料配方、工艺技术和工作经验进行参数设定,通过调试和试运行,发现产品存在的缺陷,来对设置的参数进行调整校正,以使加工正常运行,生产符合要求的产品。工艺技术参数的设置要适当,符合工艺技术要求,在对参数进行调整时,要严格操作,遵守工艺流程规则。

综合分析,认为加工温度对产品品质的影响较大。由于挤出控制温度是挤出生产前设定的,其设定正确与否又受原料品质及挤出工艺条件、环境等的制约和影响。在开机设定温度时,难免出现偏差,因此有必要在生产过程中通过对挤出物存在的缺陷进行系统分析检验,适时调整所设定的温度。正常情况下熔体由挤出机挤出后,脱离口模3～5 cm自然下垂为塑化较好。当设定或控制温度过高时,熔体由挤出机挤出后脱离口模即软弱下垂;温度过低或温度不均匀时,切口结晶粗糙,切口宽度与壁厚不均,脱离口模3～5 cm后,仍坚挺不下垂,或向一侧弯曲。笔者分析几年来生产实践与统计资料表明:产品的外观一般是由机头、口模等部位温度设定控制不当所致;内在品质一般是由挤出机内各段温度设定控制不当或物料实际温度过高或过低造成的。因此在实际操作时应适时对设定温度进行调整。

笔者根据生产加工和检测经验,并根据目前现有生产设备和现有配方对PVC-U加筋管常见的缺陷进行了全面的分析,详见表3。

表3 产品品质影响原因及处理办法Tab.3 The quality influencing facto r of PVC-U ribbed pipe and co rresponding solution

3 结论

(1)成型工艺参数包括加工温度、熔体压力、熔体速度、生产速度、真空度、气压等参数,工艺参数的设置直接影响产品品质,在成型操作过程中,每个工艺技术参数都与产品的品质关系密切,工艺技术参数相互配合、互相弥补是产品品质的保证;

(2)结合实际情况,根据塑料原料的塑化情况、原料配方、工艺技术和工作经验进行参数设定,通过调试和试运行,发现产品存在的缺陷,来对设置的参数进行调整校正,以使加工正常运行,生产符合要求的产品;

(3)采用国产设备和国产原料以及合适的生产工艺,可以生产出PVC-U加筋管,且能保持较高的合格率,各项性能指标均能达到相关国家标准。

[1] 国家发展和改革委员会.QB/T 2782—2006埋地用硬聚氯乙烯(PVC-U)加筋管材[S].北京:中国标准出版社,2006.

[2] 杨 明.塑料添加剂应用手册[M].南京:江苏科学技术出版社,2002:20-22.

[3] 欧玉春.刚性粒子填充聚合物的增强增韧与界面结构[J].高分子材料科学与工程,1998,14(3):12-15.

Study on Processing Technology of PVC-U Ribbed Pipes and Factors Influencing Their Quality

WO Qizhong1,CHEN Yiming2
(1.Quality and Metrological Supervision Center of Fuyang City of Zhejiang Province,Hangzhou 311400,China;2.Hangzhou Unicom Piping Industry Co,L td,Hangzhou 311400,China)

PVC-U ribbed pipeswere successfully produced using domestic raw materials and equipment.The formula and processing technology would affect the quality of PVC-U ribbed pipes.Factors influencing their quality such as processing temperature,pressure,screw speed and vacuum were analyzed,and some feasible solutions were proposed.

poly(vinyl chloride);ribbed pipes;technology;quality

TQ325.3

B

1001-9278(2010)10-0076-05

2010-05-14

联系人,fywqz@163.com