【文章內(nèi)容簡介】 品 。 給水用 PVCU 管材管件的開發(fā)始于國家 “ 七五 ” 期間 。 在國家政策指導(dǎo)下，經(jīng)過多年的應(yīng)用和發(fā)展，已經(jīng)具備了應(yīng)用技術(shù)法規(guī)完整、施工技術(shù)研究深入、產(chǎn)品加工工藝成熟的優(yōu)勢 。 上海、廣州、武漢、天津等省市在供水管道工程中已全面停止使用普通鍍鋅管，采用塑料 管 [25]。 PVCU硬聚氯乙烯管是世界上一些發(fā)達(dá)國家正在大力開發(fā)和應(yīng)用的一種新型化學(xué)材料 。 它在輸送流體方面 ， 具有重量輕、耐壓、強(qiáng)度高、輸送液體的摩擦阻力小、耐化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)、施工安裝及維修方便、節(jié)省鋼材及能源、使用壽命長、減輕工人施工勞動強(qiáng)度、建設(shè)投資較低等優(yōu)點(diǎn) 。 因此在一些方面用 PVCU硬聚氯乙烯管代替鋼管 ， 可以緩解我國生產(chǎn)建設(shè)中的鋼材緊缺、能源不足的局面 ， 其經(jīng)濟(jì)效益是顯著的 。 2 國家產(chǎn)業(yè)政策要求發(fā)展 PVC 塑料管材 PVC 應(yīng)用于給水管網(wǎng)歷史悠久目前在世界各地應(yīng)被廣泛應(yīng)用 。 這不僅因?yàn)?PVC管道具有上述許多優(yōu)點(diǎn)，而且已經(jīng)具有許多豐富的加工使用經(jīng)驗(yàn) 。 無疑 PVC 給水管材、管件今后在我國仍將具有十分廣闊的市場前景 。 我國給水塑料管材從 20 世紀(jì) 60 年代開始少量應(yīng)用，改革開放后的近 10 年管 材應(yīng)用較快 。 為在全國推廣應(yīng)用塑料管道，國家專門成立了由五部委組成的全國化學(xué)建材協(xié)調(diào)小組，制定了一系列推廣政策 。 推廣初期重點(diǎn)對 PVC 管道進(jìn)使我國 PVC 管材、管件得到迅猛的發(fā)展 。 通過引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)設(shè)備和管理經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)已經(jīng)建立了一批年產(chǎn)數(shù)萬噸以上的 PVC 管材、管件現(xiàn)代化企業(yè)，主要原料和管材、管行了試點(diǎn)工作，取得了不少 經(jīng)驗(yàn)，也件的生產(chǎn)加工能力成倍增長，工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，我國已經(jīng)能為給水管網(wǎng)提供質(zhì)量可靠、配套完備的 PVC 給水管材、管件 。 根據(jù) 2021年遠(yuǎn)景規(guī)劃預(yù)測： 2021 年全國新建、改建、擴(kuò)建工程中采用塑料管比例為：建筑供水管 85%以上（基本淘汰傳統(tǒng)鑄鐵管），建筑給水、熱水和采暖管道 85%以上，電線護(hù)套管 90%以上，建筑雨水管 80%以上，城市供水管 80%以上，村鎮(zhèn)供水管 85%，市政供水管 50%以上，城市燃?xì)夤埽ㄖ小⒌蛪汗埽?60%以上，重點(diǎn)發(fā)展的塑料管品種以 PVC 和 PE 管為主，并大力發(fā)展新型復(fù)合管道、改性管品種以 PVC、 PE 管為主，并大力發(fā)展新型復(fù)合、改性塑料管 。 五部委聯(lián)合發(fā)文規(guī)定：自 2021 年 6 月 1 日起在城鎮(zhèn)新建住宅中，禁止使用鍍鋅管用于室內(nèi)給水管道，由此可見國家產(chǎn)業(yè)政策要求發(fā)展 PVC 管道 [6]。 2 國內(nèi)外主要工藝路線 的比較和選擇 目前大多數(shù)生產(chǎn) PVC 管材的企業(yè)都是采用螺桿擠出機(jī)進(jìn)行干法塑化工藝連續(xù)操作 。 在螺桿擠出機(jī)轉(zhuǎn)動時，裝入料斗中的干混料或粒料借助轉(zhuǎn)動的螺桿進(jìn)入加料筒中，由于料筒的外加熱及 PVC 干混料本身和干混料與設(shè)備之間的剪切摩擦熱，使混料熔化而呈為熔體在設(shè)備中不斷往前流動，各組分受螺桿的攪拌而均勻分散 。 熔 體在機(jī)頭口模處成型后成連續(xù)體被螺桿擠到機(jī)外，經(jīng)冷卻凝固，即成管材 。 在擠出成型階段中的關(guān)鍵設(shè)備是擠出機(jī)和成型機(jī)頭，即擠出過程和成型過程 。 擠出成型工藝是聚合物加工領(lǐng)域中生產(chǎn)品種最多，變化最多、生產(chǎn)率高、適應(yīng)性強(qiáng)、用途廣泛、產(chǎn)量所占比重最大的成型加工方法 。 擠出成型是使高聚物的熔體 (或粘性流體 )在擠出機(jī)的螺桿的擠壓作用下通過一定形狀的口模而連續(xù)成型，所得的制品為具有恒定斷面形狀的連續(xù)型材 。 目前大多數(shù)生產(chǎn) PVC 管材的企業(yè)都是采用螺桿擠出機(jī)進(jìn)行干法塑化工藝連續(xù)操作 。 螺桿擠出機(jī)又可分為單螺桿擠出機(jī)和多螺桿擠出機(jī) 。 PVC 管材的擠出機(jī)可以用單螺桿擠出機(jī)，也可以用雙螺桿擠出機(jī) 。 兩種擠出機(jī)各有各的特點(diǎn) 。 單螺桿擠出機(jī)特點(diǎn)：，價格低 。 ，適合顆粒料的擠出加工 。 對聚合物 3 的剪切降解小，但物料在擠出機(jī)中停留時間長 。 ，工藝控制簡單 。 雙螺桿擠出機(jī)： ，價格高 。 ，物料在擠出機(jī)中停留時間短，適合粉料加工 。 ，擠出速度快，單位產(chǎn)量耗能低 。 但是使用單螺桿擠出機(jī)生產(chǎn) PVC 管材的企業(yè)，干混料不能直接使用，還必須經(jīng)過混煉塑化加工成粒料的工序才能進(jìn)行生產(chǎn) 。 而雙螺桿擠出機(jī) 適合粉料加工，它可以直接使用混合好的 PVC料，減少了造粒的工序，但多了廢料的磨粉工序 。 另外，由于雙螺桿擠出機(jī)的產(chǎn)量大，擠出速度快，一般可達(dá)到 2～ 4 米 /分鐘，適合 PVC 塑料型材的大規(guī)模生產(chǎn) 。 而單螺桿擠出機(jī)一般只用作小型輔助型材生產(chǎn)，擠出速度僅為 1～ 2 米 /分鐘，而且目前國產(chǎn)雙螺桿擠出機(jī)的質(zhì)量已基本達(dá)到進(jìn)口雙螺桿擠出機(jī)的水平，價格僅為進(jìn)口機(jī)的 1/3～1/5。 所以近年來，隨著硬 PVC 制品產(chǎn)量的增加，直接使用干混料加工 PV 制品的雙螺桿擠出機(jī)應(yīng)用越來越廣，雙螺桿擠出機(jī)的型號日漸增多，對雙螺桿擠出理論的研究也日漸深入 [7]。 綜上所述， 本項(xiàng)目采用錐型異向雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn) PVC 管材 。 3 助劑 作用 及 主要 助劑簡介 塑料制品用主要原料中加 入 助劑，是為了使塑料制品成型加工順利進(jìn)行或改變樹脂主要原料的性能，以滿足塑料制品應(yīng)用條件時要求 。 這就是助劑加入主要原料中的作用 。 比如有某些助劑的加入，可改變?nèi)哿系酿ざ?，耐高溫、不易分解，改善熔料的流動性? 有的能夠改進(jìn)制品的力學(xué)性能 ； 還有的能改變塑料制品的外觀質(zhì)量和顏色等 。 按助劑的不同功能作用分類，常用塑料助劑有 ： 增塑劑、穩(wěn)定劑、抗氧劑、光穩(wěn)定劑、阻然劑、發(fā)泡劑、抗靜電劑、著色劑、潤滑劑、填充料、 交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑等 [ 10]。 助劑應(yīng)用選擇應(yīng)該注意如下： ①助劑應(yīng)與樹脂相容性好，穩(wěn)定地在制品分散、不揮發(fā)、不滲出、不噴霜，以保持制品質(zhì)量 。 ②在高溫條件下不分解變質(zhì)，對機(jī)器設(shè)備無腐蝕作用 。 ③多種助劑混合應(yīng)用不產(chǎn)生相互對抗作用，不降低各助劑扇原有功能作用 。 ④選用毒性小，對環(huán)境污染影響小的助劑 。 穩(wěn)定劑 生產(chǎn)飲水 PVC 管材，熱穩(wěn)定劑的選擇是十分關(guān)鍵的，既要適合衛(wèi)生性能的要求，又要適合加工工藝的要求，才能生產(chǎn)出合格的管材 。 適用的熱穩(wěn)定劑有甲基硫醇錫 。 甲基硫醇錫熱穩(wěn)定劑是用于聚氯乙烯 (PVC)加工中最 有效的穩(wěn)定劑品種，廣泛用于硬質(zhì)及軟質(zhì) PVC 的加工，最主要的優(yōu)點(diǎn)是它能完全溶于 PVC，從而可制得完全透明的各類制品 。 又因?yàn)樗哂锌煽康陌踩?，因此，其制品可廣泛用于各種食品包裝材料及上水管 。 填充劑 4 生產(chǎn)硬質(zhì) PVC 碳酸鈣是使用最普通和使用量最大的填充劑 。 碳酸鈣除了可以降低成本之外，還可以改善一些性能 。 碳酸鈣還容易吸潮，在雨季尤為嚴(yán)重 。 碳酸鈣中過量水分存在能使 PVC 制品產(chǎn)生氣泡及銀紋，這不僅影響外觀，還降低物理性能 。 因此在 CaCO3 貯運(yùn)過程中要避免因吸潮而產(chǎn)生的結(jié)塊和“架橋”，在生產(chǎn) 的捏合工序時要注意不 斷排 氣 。 潤滑劑 潤滑劑主要是指塑料中能降低熔體粘度或防止聚合物與加工設(shè)備金屬表面粘著而改進(jìn)可加工性的物質(zhì)，它對擠出加工過程是很重要的 。 將潤滑劑加入 PVC 中，在熔化前是降低樹脂粒子之間的摩擦，熔化后是降低樹脂分子之間的摩擦，以及降低熔體與加工設(shè)備之間的粘附 。 降低熔化后的熔體粘度以促進(jìn)流動，以及防止樹脂與金屬設(shè)備表面的粘著 。 適用于硬 PVC 無毒給水管材的內(nèi)外潤滑劑品種很多，選用硬脂酸、硬脂酸鈣、聚乙稀蠟、石蠟等組成潤滑體系較好，這一潤滑體系均為無毒添加劑，且價格低廉易得 。 加工助劑 AMS 樹脂是 а 甲基苯乙烯的低結(jié)構(gòu)，泡沫塑料的相對密度小、強(qiáng)度大 。 為聚合度為 210 的線型低聚物，其六聚體又稱為 M80；另一類為環(huán)狀二聚物 [1112]。 AMS 無毒、透明，加入 PVC 中可顯著降低熔體黏度、降低能耗、提高制品的光澤度和透明度，加入量為 520 份 。 抗沖改性劑 沖擊改性劑是指加入到脆性聚合物中能提高其沖擊強(qiáng)度的含彈性體成分的物質(zhì) 。未改性的硬 PVC 有缺口敏感性 [12]。 要提高硬制品的韌性，則需添加能與 PVC 半相容的、低模量的物質(zhì) — 沖擊改性劑來實(shí)現(xiàn) 。 本設(shè)計采用 MBS 樹脂 來改性 。 4 PVCU 管 成 型用原料和配方 PVCU 管材主要原料 PVC 樹脂選擇 生產(chǎn) PVC 管材的原料主要是懸浮法聚合的聚氯乙烯樹脂 。 PVC 粉末為一種白色粉末，密度在 ，表觀密度在 cm3 。 視增塑劑含量大小可為軟、硬制品，一般增塑劑含量 05 份為硬制品， 525份為半硬制品，大于 25 份為軟制品 [13]。 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB／ T576193《懸浮法通用型聚氯乙烯樹脂檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，懸浮法 PVC 分為 PVCSGl 到 PVCSG8 八 種樹脂，其中數(shù)字越小，聚合度越大，分子量也越大，強(qiáng)度越高，但熔融流動越困難，加工也越困難 。 表 1 我國懸浮法聚氯乙烯樹脂的型號及相關(guān)參數(shù) 5 型號 聚合溫度 /℃ 粘數(shù) /（ ml/g） K 值 聚合度 參考用途 SG1 154～ 144 77～ 75 1800～ 1650 高級電絕緣材料 SG2 143～ 136 74～ 73 1650～ 1500 電絕緣材料，一般軟制品 SG3 135～ 127 72～ 71 1500～ 1350 電絕緣材料，農(nóng)膜， 塑料鞋 SG4 126～ 119 70～ 69 1250～ 1150 薄膜，人造革，高強(qiáng)度硬管 SG5 118～ 107 68～ 66 1100～ 1000 透明制品，硬管，型材 SG6 106～ 96 64～ 63 950～ 850 唱片，透明片，硬板，焊條 SG7 95～ 87 62～ 60 850～ 750 吹塑瓶，透明片，管件 SG8 86～ 73 59～ 55 750～ 650 過氯乙烯樹脂 生產(chǎn) PVC 管材 所用的樹脂必須符合擠出加工的要求， 本設(shè)計中選用 SG5 型號的PVC 樹脂可行 。 這種樹脂一般要求 K 值為 68 左右，揮發(fā)物 ≤% ，同時對樹脂的白度及雜質(zhì)含量如黃、黑點(diǎn)及魚眼等也有一定的要求 。 PVC 樹脂的堆密度對擠出工藝有一定的影響，生產(chǎn)時應(yīng)視具體情況對工藝作相對的調(diào)整 。 PVCU 管材生產(chǎn)配方 表 2 本設(shè)計 PVCU 管配方 [14]： 原料 名稱 單位（份） 樹脂 PVC（ SG5） 100 增塑劑 鄰苯二甲酸二辛酯 （ DOP） 2 穩(wěn)定劑 甲基硫醇錫 2 潤滑劑 石蠟 加工助 劑 а 甲基苯乙烯 （ AMS） 10 填料 偶聯(lián)劑處理過的輕質(zhì) CaCO3 8 顏料 鈦白粉 2 增白劑 Uvitex OB 抗沖劑 甲基丙烯酸甲酯（ MBS） 5 5 PVCU 管材 生產(chǎn)工藝流程概述 生產(chǎn)工藝 把成型 PVC 塑料管 原料按配方要求分別計量，然后 分別用高速熱混機(jī)低速冷混機(jī)摻混在一起攪拌均勻， 過篩后 投入到 雙螺桿 擠出機(jī)內(nèi)，原料塑化呈熔融態(tài)，從成型模具中擠出成型 管 坯，再 將管 狀 由定徑機(jī)定徑，以 達(dá)到工藝要求的 PVC 管 直徑和厚度，經(jīng) 水冷箱 定型后 切割成所需長度 ，即 得 擠出 成型 PVC 管 [1517]。 整個生產(chǎn)工藝流程見附圖。 6 工藝流程 框 圖 圖 1 工藝流程框圖 PVC 管材生產(chǎn)工藝流程可分為三個過程： 1) 成型料準(zhǔn)備過程，包括配方、混合（高速和低速）、過篩或者造粒 。 2) 擠出成型過程，將 配好的物料在上料器的作用下，由料倉送至擠出機(jī)的加料斗中，然后物料由加料斗進(jìn)入擠出機(jī)進(jìn)行加熱、塑化 。 塑化完全后，塑化料被定量擠出 。 3) 定型包裝過程，經(jīng)過冷卻定徑箱泠卻定型，再經(jīng)過牽引機(jī)、切割機(jī)，上光烘干固化后，檢驗(yàn)合格即為成品 [1819]。 6 產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo) 我國采用 ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)技術(shù)文件，結(jié)合國內(nèi) PVCU 管材的發(fā)展情況和質(zhì)量水平，制定了符合我國國情并 向國際標(biāo)準(zhǔn)靠攏的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 。 不同的用途有不同的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)如表 3。 表 3 項(xiàng)目 國家標(biāo)準(zhǔn) 項(xiàng)目 國家標(biāo)準(zhǔn) 化工用硬 聚氯乙 烯 管材 GB/T42191996 建筑排水用硬 聚氯乙烯 管材 GB/ 給水用硬 聚氯乙 烯 管材 GB/6 埋地排污、廢水用硬 聚氯乙烯 管材 GB/ 低壓輸水灌溉用薄壁硬 聚氯乙烯 管材 GB/T1366492 農(nóng)用硬 聚氯乙烯管材 JB/T512591 對于飲水用壓力管件，其衛(wèi)生指標(biāo)也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可依 。 1) 鉛的萃取值 第一 次小于 ， 第二次小于 。 試驗(yàn)方法按 GB9644規(guī)定 。 2) 錫的萃取值 第二次小于 。 試驗(yàn)方法按 GB9644 測定 。 3) 鎘的萃取值 三次取值均不大于 。 試驗(yàn)方法按 GB9644 測定 。 4) 汞的萃取值 三次萃取值均不大于 。 試驗(yàn)方法按 GB9644 測定 。 5) 氯乙烯單體含量 ≤ 。 試驗(yàn)方法為：在管件的管壁上切取 原料及助劑 高速混合 過篩 低速攪拌 擠出 口模定徑 冷卻定型 牽引 切割 捆扎包裝 成品 7 試樣，按 GB4615 規(guī)定測定 。 從以上數(shù)據(jù)可知， PVC 飲水用管件在生產(chǎn)過程中除了對樹脂有一定要求外，應(yīng)嚴(yán)格制使用含鉛、錫、鎘、 汞等重金屬的輔助材料 。 除以上所列內(nèi)容外，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17219— 1998 對飲水用管件也有較為嚴(yán)格的要求 。 管件生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)予以重視 。 7 主要設(shè)備的工藝計算 生產(chǎn)線產(chǎn)能 計算 生產(chǎn)線的生產(chǎn)規(guī)模是日產(chǎn) 2Km 聚氯乙烯塑料管 ，此次生產(chǎn)的 PVC 管產(chǎn)品規(guī)格為Φ 75～ 200 mm，取Φ 200mm 管徑為計算值，則壁厚為 ， 密度在 之間， 2KmPVC 管的體積為（ ） 2021 = m3 ，則 每天生產(chǎn)的成品 PVC 塑料管質(zhì)量大概為 1400 = ， 按每日工作 24 小時，其每小時 成品 生產(chǎn)能力約 。 下面，以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行工藝計算 。 原始數(shù)據(jù) （一）聚合聚生產(chǎn)能力： 日產(chǎn) 2kmPVC 塑料管材 （二） 年工作時間的確定（年工作小時數(shù)） ： 年工作日 =365104 雙休日 10 固定假日 30 停工檢修 10 臨時故障 = 211d 機(jī)頭清理、換過濾網(wǎng)時間 1 次 /6 天， 8h/次 每年工作小時數(shù) = (211 24)(211/6) 8 = 4783h 年實(shí)際生產(chǎn)日 = 4783/24 = 199d （三） PVC 管材合格率 % （四）產(chǎn)品規(guī)格 Φ 75～ 200mm （五） 損耗系數(shù)的確定 ： 根據(jù)塑料手冊資料和有關(guān)相應(yīng)生產(chǎn)單位的實(shí)際生產(chǎn)損耗確定其物料損耗數(shù)據(jù)如表 4 和表 5 所示 。 表 4 原材料處理物料損耗系數(shù)一覽表 工序 PVC 樹脂 增塑劑輸送 粉料計量與輸送 篩選 輸送 自然 撒落 損耗率， % 損耗率小計 總損耗率， % 表 5 加工成型工段物料損耗系數(shù)一覽表 工序 混合 擠出成型 成型后處理 損耗率， % 損 耗率小計 總損耗率， % 物料平衡 8 設(shè)計日產(chǎn)量 = 1400/% = 設(shè)計年產(chǎn)量 = 199= kg/a= t/a 按每天物料在各工序中進(jìn)出料量進(jìn)行計算 ： % ????? 后處理物料損耗率 每天設(shè)計產(chǎn)量日進(jìn)入后處理的物料量 % ????? 擠出成型物料損耗率日進(jìn)入后處理的物料量量日進(jìn)入擠出成型的物料 % ????? 混合機(jī)物料損耗率 量日進(jìn)入擠出成型的物料日進(jìn)入混合機(jī)的物料量 % ????? 耗率原料處理及輸送物料損 日進(jìn)入混合機(jī)的物料量的物料量日進(jìn)入原料處理及輸送 每天 各工序中的物料衡算匯總見表 6。 表 6 每天 物料在各工序中的進(jìn)出料量情況進(jìn)行衡算 工序 輸入 (kg) 輸出 (kg) 物料 小計 物料 損失 小計 原料處理及輸送 混合 擠出成型 后處理 日輸入和輸出物料量 生產(chǎn) 成品 合格成品 物料衡算流程圖： 總加工損耗物料輸出物料輸入物料 ?? 11438 11335 11312 11267 11233 圖 2 物料階段損耗量 配料 混合 成型 后處理