楊成德（新疆天業(yè)節(jié)水灌溉股份有限公司，新疆，832000）

630mm口徑PVC-U 給水管材生產(chǎn)配方工藝研究

楊成德（新疆天業(yè)節(jié)水灌溉股份有限公司，新疆，832000）

從原輔料、混配料、設(shè)備與模具、配方、加工工藝等方面探討了630mm口徑PVC-U給水管材影響生產(chǎn)的因素進(jìn)行研究，并在生產(chǎn)實(shí)踐過程中通過一系列配方和工藝試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

PVC-U（未增塑聚氯乙烯）；給水管材；配方工藝

1 引言

硬聚氯乙烯（PVC-U）管材，與傳統(tǒng)的金屬管材，水泥管材及玻璃鋼類管材相比，具有耐腐蝕、質(zhì)量輕、水流阻力小、力學(xué)強(qiáng)度好、環(huán)保衛(wèi)生、施工方便、性價(jià)比高、使用壽命長（非不可抗力破壞，正常使用50年以上）等優(yōu)點(diǎn)，已在城市給排水、人飲工程、建筑給排水、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、綠化，高爾夫球場工程等許多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。然而由于我國現(xiàn)階段生產(chǎn)的大口徑PVC-U管材質(zhì)量還不夠穩(wěn)定，相關(guān)的專業(yè)技術(shù)文獻(xiàn)也很少，很大程度上限制了大口徑PVC-U管材的發(fā)展，鑒于此因，現(xiàn)將630m m口徑PVC-U管材生產(chǎn)中需控制的幾個(gè)工藝因素與同行們一起探討。影響大口徑PVC-U管材正常生產(chǎn)的既有機(jī)械設(shè)備方面的因素，也有原材料和配方因素，同時(shí)也要考慮加工工藝做相應(yīng)調(diào)整。在國家標(biāo)準(zhǔn)中，由于大口徑PVC管材壁厚偏差范圍相對較大，如能在生產(chǎn)中減少壁厚偏差，不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)精準(zhǔn)產(chǎn)品，還可以節(jié)約原材料，降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。因此，將各方面因素加以綜合考慮分析、客觀評價(jià)，然后進(jìn)行優(yōu)化，才能得到成本最低、性能最優(yōu)的產(chǎn)品。我們選擇了在上海金緯ф 92/188錐形雙螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)ф 630×15.4m m，PN 0.63M pa規(guī)格的給水管材，得到了較好的結(jié)果。

2 生產(chǎn)630mm口徑PVC-U管材的工藝流程圖

3 630mm口徑PVC-U管材實(shí)驗(yàn)部分

3.1 主要原輔料

PVC（SG-5型）樹脂粉，新疆天業(yè)集團(tuán)有限公司；Ga/Zn復(fù)合穩(wěn)定劑(8965R/4)，百爾羅赫塑料添加劑（江蘇）有限公司；外潤滑劑(PE蠟) 成都盛騰塑料助劑有限公司；半精煉石蠟獨(dú)山子石化公司；抗沖加工改性劑（HL-2005）山東日科集團(tuán)有限公司；輕質(zhì)CaCO 3填料新疆天源高新材料有限公司；著色劑炭黑N 330新疆阜康市鴻泰化工有限公司均為市購。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

ф 92/188錐形雙螺桿擠出機(jī)、擠出模頭、定徑套、擴(kuò)口模具等，上海金緯管道設(shè)備制造有限公司;高低混合機(jī)組，張家港連冠股份有限公司。

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

將PVC（SG-5型）樹脂粉、Ga/Zn復(fù)合穩(wěn)定劑、外潤滑劑、抗沖加工改性劑、輕質(zhì)碳酸鈣填料、炭黑N 330等按一定的比例在高混機(jī)中混合，在ф 92/188錐形雙螺桿擠出機(jī)上擠出管材。適當(dāng)調(diào)整工藝溫度、主機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料轉(zhuǎn)速、主機(jī)真空度、牽引速度、真空水箱真空度等，生產(chǎn)出合格的大口徑PVC-U管材。

4 630mm口徑P VC-U管材生產(chǎn)因素分析

4.1 設(shè)備與模具

擠出機(jī)螺桿的設(shè)計(jì)參數(shù)，直接影響物料塑化時(shí)的背壓和塑化程度。但對于已經(jīng)大眾化使用的通用擠出機(jī)，最關(guān)心的應(yīng)是螺桿與機(jī)筒的間隙。間隙過大，容易引起漏料回流，勢必也就影響了塑化。

模具（機(jī)頭）設(shè)計(jì)，供料量數(shù)據(jù)和壓縮比數(shù)據(jù)十分關(guān)鍵。將給水模頭和排水模頭做成同一體系，僅通過更換芯棒來獲得不同壁厚的給水管或農(nóng)用管，是不科學(xué)的做法。因?yàn)閷τ诖罂趶浇o水管材，壁厚比農(nóng)用管材增加，需要有更大的供料量和更大的壓縮比，這樣才有利于供料的穩(wěn)定和管材密實(shí)度，保證塑化均勻，芯棒支架設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能小而光滑，模具表面要鍍硬鉻表面處理，使合縫線對管材性能的影響盡可能小[1]。針對大口徑PVC-U管材生產(chǎn)來說必須使用專業(yè)廠家制作的口模、芯棒、定徑套和擴(kuò)口模具。

4.2 配料與混料

這是一個(gè)容易忽略的因素。一般談到混料工藝，認(rèn)為在按配方精確計(jì)量的前提下，控制混料溫度即可。而實(shí)際上，配料與混料，最重要的應(yīng)是物料分散均勻，以及易揮發(fā)物揮發(fā)徹底。物料分散不均勻，在擠出生產(chǎn)時(shí)就會出現(xiàn)產(chǎn)品性能不穩(wěn)定；易揮發(fā)物揮發(fā)不徹底，擠出大口徑PVC-U管材容易產(chǎn)生氣泡和翻料，因而也就影響了產(chǎn)品性能。一般建議混料溫度控制在115～135℃，新疆冬季高混溫度應(yīng)略高，混料時(shí)間在8～10mi n，干混料的表觀密度控制在0.60～0.65g/m l,高攪鍋的加料量應(yīng)控制在高混室空容積的50～70%（例如高混室容積為800L的高攪鍋，則加料量應(yīng)控制在200KG～280KG之間建議在240KG上下）為宜[2]。當(dāng)未均勻分散的混合料進(jìn)入到機(jī)筒螺桿時(shí)，經(jīng)過剪切嚙合的物料在機(jī)頭里就會表現(xiàn)出不同的凝膠化狀態(tài)，形成疏密不均的彈性體。在相同的機(jī)頭壓力下就表現(xiàn)出不同的擠出速率，當(dāng)牽引速度一定時(shí)，大口徑PVC-U管材就會發(fā)生壁厚變化。

此外，經(jīng)過低速混合機(jī)排放的混合料溫度也十分關(guān)鍵，一般在40℃～50℃為宜。這樣既可提高擠出速度又可保證大口徑PVC-U管材壁厚不發(fā)生波動(dòng)。

另外，易揮發(fā)物揮發(fā)時(shí)易在高攪鍋頂蓋內(nèi)側(cè)凝結(jié)，凝結(jié)量多時(shí)，形成液滴與PVC樹脂粉、輕質(zhì)碳酸鈣、炭黑及其它物料凝聚成顆粒。這些顆粒在擠出生產(chǎn)時(shí)極易產(chǎn)生塑化不良的“晶點(diǎn)”，影響了管材的性能，液壓試驗(yàn)時(shí)容易產(chǎn)生變形沙眼刺水，因此在原輔料投入使用前應(yīng)嚴(yán)格控制其揮發(fā)份含量并保證高攪鍋頂蓋排氣裝置的暢通，預(yù)防“晶點(diǎn)”的產(chǎn)生，并對高混后的物料進(jìn)行冷混至50℃以下放料，干混后的物料過旋振篩（20～40目），是確保大口徑PVC-U管材質(zhì)量的一個(gè)十分必要的工序。

4.3 原輔材料及配方

由于原輔材料檢測只是抽樣檢測，而且根據(jù)檢測指標(biāo)對原輔材料性能進(jìn)行評價(jià)有一定的局限性，因此有經(jīng)驗(yàn)的配方人員，除了參考原輔材料檢測結(jié)果外，還進(jìn)行一些額外的經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)，或上機(jī)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)管材的檢驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步確定原輔材料性能。

對于大口徑PVC-U給水管材的配方設(shè)計(jì)，除了像常規(guī)產(chǎn)品考慮加工性能外，還須特別重視管材耐壓性能。根據(jù)塑料管材在靜液壓P作用下的受力分析，可得到壁厚受到的環(huán)向應(yīng)力（拉伸強(qiáng)度）與外徑、壁厚的關(guān)系式（參見GB/T6111-2003）為：

式中：P—為試驗(yàn)壓力，M pa;

dem—測量得到的試樣平均外徑，單位為毫米（m m）;

em in—測量得到的試樣自由長度部分壁厚的最小值，單位為毫米（m m）。

PVC管材在環(huán)向應(yīng)力作用下的瞬時(shí)破壞壓力的 計(jì)算公式為：

式中：Pi為瞬時(shí)破壞壓力，M pa;

從式（2）中可以看出，在管材外徑與壁厚一定的情況下，瞬時(shí)破壞壓力與瞬時(shí)拉伸強(qiáng)度呈正比，即拉伸強(qiáng)度越高，耐水壓能力越強(qiáng)。拉伸強(qiáng)度除了與配方中的抗沖改性劑、加工改性劑等配方材料的種類和數(shù)量有關(guān)外，還與管材的主機(jī)負(fù)載（機(jī)臺加工時(shí)主機(jī)電流值/主電機(jī)電流）密切相關(guān)（見表1）。因而設(shè)計(jì)一個(gè)合理的配方，并進(jìn)行相應(yīng)合理的配方工藝調(diào)整，使大口徑PVC-U管材主機(jī)負(fù)載控制在50%～65%，才能獲得好的產(chǎn)品性能。

表1 不同塑化度管材的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率

同時(shí)管材的拉伸強(qiáng)度與環(huán)境和流體的溫度呈反比，所以在管材外徑和壁厚一定的情況下，瞬時(shí)破壞壓力也隨環(huán)境和流體溫度升高而降低。

表2 PVC—U管材溫度對壓力的折減系數(shù)

當(dāng)環(huán)境溫度和輸水溫度不同時(shí)，應(yīng)按表2（參見GB/T10002.1-2006）給出的不同溫度對壓力的折減系數(shù)（ft）修正工作壓力。用折減系數(shù)乘以公稱壓力得到最大允許工作壓力。因此為防止瞬時(shí)壓力破壞管材，即要防止0℃以下時(shí)的脆性破壞，也要考慮不能超過PVC－U管材的最高使用溫度為45℃。

4.3.1 PVC樹脂粉

按GB/T5761-2006國家標(biāo)準(zhǔn)對PVC樹脂粉進(jìn)行檢測，大口徑PVC-U管材的擠出速率與樹脂的性能有較大關(guān)系，外形規(guī)整、內(nèi)部孔隙均勻、表觀密度高的樹脂一般具有較好的加工流變行為，擠出速率也較高。樹脂的這些性能對管材加工企業(yè)提高擠出機(jī)的生產(chǎn)效率、降低制品的成本是十分有利的。因此，管用樹脂應(yīng)具有形狀因數(shù)高(外形規(guī)整)、表觀密度高、孔隙率高(增塑劑吸收量高)等特點(diǎn)。

實(shí)踐證明采用表觀密度0.64g/m l的PVC(SG-5)樹脂,生產(chǎn)630m m口徑PVC-U管材，可以提高擠出速率15%～25%，且管材其它性能良好。

根據(jù)十多年從事給水管生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)和管材的試驗(yàn)結(jié)果來看如果PVC(SG-5型)樹脂技術(shù)指標(biāo)的118m l/g≥粘數(shù)≥113m l/g，表觀密度≥0.54g/m l，其余指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)即可，這種樹脂用來生產(chǎn)大口徑給水管則液壓從源頭上有了保證，擠出速率穩(wěn)定 [3]。

4.3.2 穩(wěn)定潤滑體系

這是一個(gè)要求最高、最難量化的因素。當(dāng)然。生產(chǎn)的管材熱穩(wěn)定性好，不粘料、不變色，內(nèi)外壁平整光滑，無合流線是基本要求；塑化性能好（二氯甲烷浸漬合格），加工穩(wěn)定，是較高要求；流變性能好，工藝可調(diào)范圍廣，適合快速擠出，是更高要求。添加穩(wěn)定劑是為了抑制PVC樹脂在加工過程中制品變色、分解、性能變差。目前國內(nèi)大多數(shù)廠家使用的是鉛鹽復(fù)合穩(wěn)定劑、鈣鋅復(fù)合穩(wěn)定劑、有機(jī)錫穩(wěn)定劑等，鉛鹽復(fù)合穩(wěn)定劑一般用于生產(chǎn)排水管和節(jié)水灌溉用管材，鈣鋅復(fù)合穩(wěn)定劑和有機(jī)錫穩(wěn)定劑主要用于給水管材的生產(chǎn)。可供使用的穩(wěn)定劑種類和型號是很多的，關(guān)鍵是要穩(wěn)定，適合企業(yè)需要。

一般情況下輕鈣份數(shù)在12份以內(nèi)時(shí)，不使用內(nèi)潤滑劑,而加工所必須的外潤滑劑用量最好比較小,建議在0.2份以內(nèi)。

4.3.3 輕質(zhì)碳酸鈣

份數(shù)最好小于12份，粒徑越小，分散性越好（最好有包覆層，具體是用鈦酸酯偶聯(lián)劑或鋁酸酯偶聯(lián)劑進(jìn)行表面活化后（添加量0.8～1.5%）的輕質(zhì)碳酸鈣），根據(jù)十多牛管材的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來看要求輕質(zhì)碳酸鈣的沉降體積≥2.4m l/g，揮發(fā)物含量低的輕質(zhì)碳酸鈣較為經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。

4.3.4 抗沖加工改性體系

大口徑 PVC-U管材的拉伸強(qiáng)度與抗沖加工改性劑的種類和添加數(shù)量密切相關(guān)。抗沖加工改性劑加入量少時(shí)可以提高拉伸強(qiáng)度，而加入量多時(shí)則降低拉伸強(qiáng)度；ACR類抗沖改性劑比CPE類抗沖改性劑對拉伸強(qiáng)度的影響較少[4]。

對于630m m口徑PVC-U給水管材生產(chǎn)，建議添加1～2份ACR類抗沖加工改性劑，它促進(jìn)PVC的塑化，提高熔體塑化的均勻性，降低塑化溫度，既可以最大限度地減少熱穩(wěn)定劑在加工中的損耗，提升后期耐老化能力又可以提高制品強(qiáng)度，是大口徑PVC-U管材配方中重要控制點(diǎn)。生產(chǎn)配方見表3。

4.4 擠出工藝

調(diào)整工藝其主要效果表現(xiàn)為調(diào)整主機(jī)負(fù)載。在配方合理的情況下，調(diào)整工藝溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)具體來講螺桿轉(zhuǎn)速控制在最高轉(zhuǎn)速的70～80%如最高轉(zhuǎn)速為35rpm的則實(shí)際生產(chǎn)轉(zhuǎn)速在24～28rpm左右，同時(shí)喂料轉(zhuǎn)速與之匹配保證主機(jī)負(fù)載在50～65%左右，螺桿轉(zhuǎn)速和喂料轉(zhuǎn)速的匹配與配方的流變性能相對應(yīng)，否則影響塑化。特別注意擠出機(jī)真空排氣裝置要正常工作，保證真空度≥0.05M Pa，以防止混料中易揮發(fā)物引起的PVC-U管材制品截面出現(xiàn)氣泡，進(jìn)而影響產(chǎn)品的物理力學(xué)性能[5]。生產(chǎn)工藝見表4.

表3 Ga/Zn復(fù)合穩(wěn)定劑(8965R/4)生產(chǎn)630×15.4mm口徑PVC-U管材配方

表4 Ga/Zn復(fù)合穩(wěn)定劑(8965R/4)生產(chǎn)630×15.4mm口徑PVC-U管材工藝

4.5 其它

機(jī)頭出料均勻后，還要注意水箱托架、定徑套、牽引機(jī)履帶及管材表面是否處于同一平面，定徑套四周溫度是否一致等，如有問題及時(shí)調(diào)整，尤其開車前要做好充分準(zhǔn)備，才能保質(zhì)保量生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。

4.6 630×15.4mm口徑產(chǎn)品的性能檢測結(jié)果見表6：

5 結(jié)論

表6 口徑630×15.4mm產(chǎn)品性能測試結(jié)果

影響大口徑PVC-U給水管生產(chǎn)的因素，包括設(shè)備與模具、原材料與配方、混料與捏合、擠出工藝等方面的多個(gè)細(xì)節(jié)。在配方合理的情況下，調(diào)整機(jī)臺工藝參數(shù)，使主機(jī)負(fù)載控制在50～60%范圍內(nèi)，才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

加強(qiáng)大口徑PVC管材的壁厚控制，不但可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，還可以節(jié)約原

材料降低成本。以某PVC管材生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的Φ 630×15.4m m/0.63M Pa管材為例，其平均壁厚偏差每減少0.2mm，每根管材可為公司節(jié)約原輔助材料3.15kg，占投入的1.68%。如一年生產(chǎn)幾千噸大口徑管材，就可為公司節(jié)約上百噸原材料，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

因此實(shí)際生產(chǎn)中要不斷地去學(xué)習(xí)、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，制定合理的配方、生產(chǎn)工藝。以上是我十余年從事PVC-U管材生產(chǎn)過程中總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)，有不妥之處歡迎批評指正。

[1]藍(lán)鳳祥等編著.聚氯乙烯生產(chǎn)與加工應(yīng)用手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996(5),26:28

[2]段予忠,謝林生.材料配合與混煉加工（塑料部分）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001(4),52:58.

[3]喬輝等譯[美著].聚氯乙烯手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008, 222:232.

[4]劉芳,李杰.聚氯乙烯塑料助劑與配方設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2006，78:89.

[5]王貴斌主編.硬質(zhì)聚氯乙烯制品及工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)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

楊成德（1978～）男，工程碩士學(xué)位，高級工程師，從事PVC管材、PE滴灌帶、PE管材的配方及生產(chǎn)工藝方面的設(shè)計(jì)和研究，有15年的一線研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，曾獲三項(xiàng)國家專利。