630mm口径PVC-U 给水管材生产配方工艺研究

杨成德（新疆天业节水灌溉股份有限公司，新疆，832000）

630mm口径PVC-U 给水管材生产配方工艺研究

杨成德（新疆天业节水灌溉股份有限公司，新疆，832000）

从原辅料、混配料、设备与模具、配方、加工工艺等方面探讨了630mm口径PVC-U给水管材影响生产的因素进行研究，并在生产实践过程中通过一系列配方和工艺试验予以验证。

PVC-U（未增塑聚氯乙烯）；给水管材；配方工艺

1 引言

硬聚氯乙烯（PVC-U）管材，与传统的金属管材，水泥管材及玻璃钢类管材相比，具有耐腐蚀、质量轻、水流阻力小、力学强度好、环保卫生、施工方便、性价比高、使用寿命长（非不可抗力破坏，正常使用50年以上）等优点，已在城市给排水、人饮工程、建筑给排水、农业节水灌溉、水产养殖、绿化，高尔夫球场工程等许多领域中得到广泛应用。然而由于我国现阶段生产的大口径PVC-U管材质量还不够稳定，相关的专业技术文献也很少，很大程度上限制了大口径PVC-U管材的发展，鉴于此因，现将630m m口径PVC-U管材生产中需控制的几个工艺因素与同行们一起探讨。影响大口径PVC-U管材正常生产的既有机械设备方面的因素，也有原材料和配方因素，同时也要考虑加工工艺做相应调整。在国家标准中，由于大口径PVC管材壁厚偏差范围相对较大，如能在生产中减少壁厚偏差，不仅可以提高产品质量，生产精准产品，还可以节约原材料，降低生产成本，为企业创造经济效益。因此，将各方面因素加以综合考虑分析、客观评价，然后进行优化，才能得到成本最低、性能最优的产品。我们选择了在上海金纬ф 92/188锥形双螺杆挤出机上进行实验，生产ф 630×15.4m m，PN 0.63M pa规格的给水管材，得到了较好的结果。

2 生产630mm口径PVC-U管材的工艺流程图

3 630mm口径PVC-U管材实验部分

3.1 主要原辅料

PVC（SG-5型）树脂粉，新疆天业集团有限公司；Ga/Zn复合稳定剂(8965R/4)，百尔罗赫塑料添加剂（江苏）有限公司；外润滑剂(PE蜡) 成都盛腾塑料助剂有限公司；半精炼石蜡独山子石化公司；抗冲加工改性剂（HL-2005）山东日科集团有限公司；轻质CaCO 3填料新疆天源高新材料有限公司；着色剂炭黑N 330新疆阜康市鸿泰化工有限公司均为市购。

3.2 实验设备

ф 92/188锥形双螺杆挤出机、挤出模头、定径套、扩口模具等，上海金纬管道设备制造有限公司;高低混合机组，张家港连冠股份有限公司。

3.3 实验方法

将PVC（SG-5型）树脂粉、Ga/Zn复合稳定剂、外润滑剂、抗冲加工改性剂、轻质碳酸钙填料、炭黑N 330等按一定的比例在高混机中混合，在ф 92/188锥形双螺杆挤出机上挤出管材。适当调整工艺温度、主机转速、喂料转速、主机真空度、牵引速度、真空水箱真空度等，生产出合格的大口径PVC-U管材。

4 630mm口径P VC-U管材生产因素分析

4.1 设备与模具

挤出机螺杆的设计参数，直接影响物料塑化时的背压和塑化程度。但对于已经大众化使用的通用挤出机，最关心的应是螺杆与机筒的间隙。间隙过大，容易引起漏料回流，势必也就影响了塑化。

模具（机头）设计，供料量数据和压缩比数据十分关键。将给水模头和排水模头做成同一体系，仅通过更换芯棒来获得不同壁厚的给水管或农用管，是不科学的做法。因为对于大口径给水管材，壁厚比农用管材增加，需要有更大的供料量和更大的压缩比，这样才有利于供料的稳定和管材密实度，保证塑化均匀，芯棒支架设计应尽可能小而光滑，模具表面要镀硬铬表面处理，使合缝线对管材性能的影响尽可能小[1]。针对大口径PVC-U管材生产来说必须使用专业厂家制作的口模、芯棒、定径套和扩口模具。

4.2 配料与混料

这是一个容易忽略的因素。一般谈到混料工艺，认为在按配方精确计量的前提下，控制混料温度即可。而实际上，配料与混料，最重要的应是物料分散均匀，以及易挥发物挥发彻底。物料分散不均匀，在挤出生产时就会出现产品性能不稳定；易挥发物挥发不彻底，挤出大口径PVC-U管材容易产生气泡和翻料，因而也就影响了产品性能。一般建议混料温度控制在115～135℃，新疆冬季高混温度应略高，混料时间在8～10mi n，干混料的表观密度控制在0.60～0.65g/m l,高搅锅的加料量应控制在高混室空容积的50～70%（例如高混室容积为800L的高搅锅，则加料量应控制在200KG～280KG之间建议在240KG上下）为宜[2]。当未均匀分散的混合料进入到机筒螺杆时，经过剪切啮合的物料在机头里就会表现出不同的凝胶化状态，形成疏密不均的弹性体。在相同的机头压力下就表现出不同的挤出速率，当牵引速度一定时，大口径PVC-U管材就会发生壁厚变化。

此外，经过低速混合机排放的混合料温度也十分关键，一般在40℃～50℃为宜。这样既可提高挤出速度又可保证大口径PVC-U管材壁厚不发生波动。

另外，易挥发物挥发时易在高搅锅顶盖内侧凝结，凝结量多时，形成液滴与PVC树脂粉、轻质碳酸钙、炭黑及其它物料凝聚成颗粒。这些颗粒在挤出生产时极易产生塑化不良的“晶点”，影响了管材的性能，液压试验时容易产生变形沙眼刺水，因此在原辅料投入使用前应严格控制其挥发份含量并保证高搅锅顶盖排气装置的畅通，预防“晶点”的产生，并对高混后的物料进行冷混至50℃以下放料，干混后的物料过旋振筛（20～40目），是确保大口径PVC-U管材质量的一个十分必要的工序。

4.3 原辅材料及配方

由于原辅材料检测只是抽样检测，而且根据检测指标对原辅材料性能进行评价有一定的局限性，因此有经验的配方人员，除了参考原辅材料检测结果外，还进行一些额外的经验检验，或上机试验，根据试验管材的检验结果，进一步确定原辅材料性能。

对于大口径PVC-U给水管材的配方设计，除了像常规产品考虑加工性能外，还须特别重视管材耐压性能。根据塑料管材在静液压P作用下的受力分析，可得到壁厚受到的环向应力（拉伸强度）与外径、壁厚的关系式（参见GB/T6111-2003）为：

式中：P—为试验压力，M pa;

dem—测量得到的试样平均外径，单位为毫米（m m）;

em in—测量得到的试样自由长度部分壁厚的最小值，单位为毫米（m m）。

PVC管材在环向应力作用下的瞬时破坏压力的 计算公式为：

式中：Pi为瞬时破坏压力，M pa;

从式（2）中可以看出，在管材外径与壁厚一定的情况下，瞬时破坏压力与瞬时拉伸强度呈正比，即拉伸强度越高，耐水压能力越强。拉伸强度除了与配方中的抗冲改性剂、加工改性剂等配方材料的种类和数量有关外，还与管材的主机负载（机台加工时主机电流值/主电机电流）密切相关（见表1）。因而设计一个合理的配方，并进行相应合理的配方工艺调整，使大口径PVC-U管材主机负载控制在50%～65%，才能获得好的产品性能。

表1 不同塑化度管材的拉伸强度和断裂伸长率

同时管材的拉伸强度与环境和流体的温度呈反比，所以在管材外径和壁厚一定的情况下，瞬时破坏压力也随环境和流体温度升高而降低。

表2 PVC—U管材温度对压力的折减系数

当环境温度和输水温度不同时，应按表2（参见GB/T10002.1-2006）给出的不同温度对压力的折减系数（ft）修正工作压力。用折减系数乘以公称压力得到最大允许工作压力。因此为防止瞬时压力破坏管材，即要防止0℃以下时的脆性破坏，也要考虑不能超过PVC－U管材的最高使用温度为45℃。

4.3.1 PVC树脂粉

按GB/T5761-2006国家标准对PVC树脂粉进行检测，大口径PVC-U管材的挤出速率与树脂的性能有较大关系，外形规整、内部孔隙均匀、表观密度高的树脂一般具有较好的加工流变行为，挤出速率也较高。树脂的这些性能对管材加工企业提高挤出机的生产效率、降低制品的成本是十分有利的。因此，管用树脂应具有形状因数高(外形规整)、表观密度高、孔隙率高(增塑剂吸收量高)等特点。

实践证明采用表观密度0.64g/m l的PVC(SG-5)树脂,生产630m m口径PVC-U管材，可以提高挤出速率15%～25%，且管材其它性能良好。

根据十多年从事给水管生产的经验和管材的试验结果来看如果PVC(SG-5型)树脂技术指标的118m l/g≥粘数≥113m l/g，表观密度≥0.54g/m l，其余指标达到国家标准即可，这种树脂用来生产大口径给水管则液压从源头上有了保证，挤出速率稳定 [3]。

4.3.2 稳定润滑体系

这是一个要求最高、最难量化的因素。当然。生产的管材热稳定性好，不粘料、不变色，内外壁平整光滑，无合流线是基本要求；塑化性能好（二氯甲烷浸渍合格），加工稳定，是较高要求；流变性能好，工艺可调范围广，适合快速挤出，是更高要求。添加稳定剂是为了抑制PVC树脂在加工过程中制品变色、分解、性能变差。目前国内大多数厂家使用的是铅盐复合稳定剂、钙锌复合稳定剂、有机锡稳定剂等，铅盐复合稳定剂一般用于生产排水管和节水灌溉用管材，钙锌复合稳定剂和有机锡稳定剂主要用于给水管材的生产。可供使用的稳定剂种类和型号是很多的，关键是要稳定，适合企业需要。

一般情况下轻钙份数在12份以内时，不使用内润滑剂,而加工所必须的外润滑剂用量最好比较小,建议在0.2份以内。

4.3.3 轻质碳酸钙

份数最好小于12份，粒径越小，分散性越好（最好有包覆层，具体是用钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂进行表面活化后（添加量0.8～1.5%）的轻质碳酸钙），根据十多牛管材的生产经验来看要求轻质碳酸钙的沉降体积≥2.4m l/g，挥发物含量低的轻质碳酸钙较为经济、实用。

4.3.4 抗冲加工改性体系

大口径 PVC-U管材的拉伸强度与抗冲加工改性剂的种类和添加数量密切相关。抗冲加工改性剂加入量少时可以提高拉伸强度，而加入量多时则降低拉伸强度；ACR类抗冲改性剂比CPE类抗冲改性剂对拉伸强度的影响较少[4]。

对于630m m口径PVC-U给水管材生产，建议添加1～2份ACR类抗冲加工改性剂，它促进PVC的塑化，提高熔体塑化的均匀性，降低塑化温度，既可以最大限度地减少热稳定剂在加工中的损耗，提升后期耐老化能力又可以提高制品强度，是大口径PVC-U管材配方中重要控制点。生产配方见表3。

4.4 挤出工艺

调整工艺其主要效果表现为调整主机负载。在配方合理的情况下，调整工艺温度、螺杆转速、喂料转速等工艺参数具体来讲螺杆转速控制在最高转速的70～80%如最高转速为35rpm的则实际生产转速在24～28rpm左右，同时喂料转速与之匹配保证主机负载在50～65%左右，螺杆转速和喂料转速的匹配与配方的流变性能相对应，否则影响塑化。特别注意挤出机真空排气装置要正常工作，保证真空度≥0.05M Pa，以防止混料中易挥发物引起的PVC-U管材制品截面出现气泡，进而影响产品的物理力学性能[5]。生产工艺见表4.

表3 Ga/Zn复合稳定剂(8965R/4)生产630×15.4mm口径PVC-U管材配方

表4 Ga/Zn复合稳定剂(8965R/4)生产630×15.4mm口径PVC-U管材工艺

4.5 其它

机头出料均匀后，还要注意水箱托架、定径套、牵引机履带及管材表面是否处于同一平面，定径套四周温度是否一致等，如有问题及时调整，尤其开车前要做好充分准备，才能保质保量生产出合格产品。

4.6 630×15.4mm口径产品的性能检测结果见表6：

5 结论

表6 口径630×15.4mm产品性能测试结果

影响大口径PVC-U给水管生产的因素，包括设备与模具、原材料与配方、混料与捏合、挤出工艺等方面的多个细节。在配方合理的情况下，调整机台工艺参数，使主机负载控制在50～60%范围内，才能生产出优质的产品。

加强大口径PVC管材的壁厚控制，不但可以提高产品质量，还可以节约原

材料降低成本。以某PVC管材生产企业生产的Φ 630×15.4m m/0.63M Pa管材为例，其平均壁厚偏差每减少0.2mm，每根管材可为公司节约原辅助材料3.15kg，占投入的1.68%。如一年生产几千吨大口径管材，就可为公司节约上百吨原材料，其经济效益十分可观。

因此实际生产中要不断地去学习、总结经验，制定合理的配方、生产工艺。以上是我十余年从事PVC-U管材生产过程中总结的一些经验，有不妥之处欢迎批评指正。

[1]蓝凤祥等编著.聚氯乙烯生产与加工应用手册[M].北京：化学工业出版社，1996(5),26:28

[2]段予忠,谢林生.材料配合与混炼加工（塑料部分）[M].北京：化学工业出版社，2001(4),52:58.

[3]乔辉等译[美著].聚氯乙烯手册[M].北京：化学工业出版社，2008, 222:232.

[4]刘芳,李杰.聚氯乙烯塑料助剂与配方设计技术[M].北京：中国石化出版社，2006，78:89.

[5]王贵斌主编.硬质聚氯乙烯制品及工艺[M].北京：化学工业出版社，2008，69:72.

630mm caliber PVC-U pipe production to study the formulation process

Yang Chengde （Xinjiang day of water-saving irrigation industry Co., LTD，xinjiang，832000）

from the original auxiliary materials, mixed ingredients, equipment and mould, formula, processing technology, this paper discussed the affect PVC-U service pipe factors affecting the performance of the pressure, and in the production practice process through a series of formulation and process test to be validated.

HPVC-U (without gaining plastic polyvinyl chloride)； Water supply pipe； Formulation technology

杨成德（1978～）男，工程硕士学位，高级工程师，从事PVC管材、PE滴灌带、PE管材的配方及生产工艺方面的设计和研究，有15年的一线研发生产经验，曾获三项国家专利。