【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 。 在國家政策指導下，經(jīng)過多年的應用和發(fā)展，已經(jīng)具備了應用技術法規(guī)完整、施工技術研究深入、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)達國家正在大力開發(fā)和應用的一種新型化學材料 。 它在輸送流體方面 ， 具有重量輕、耐壓、強度高、輸送液體的摩擦阻力小、耐化學腐蝕性能強、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度、建設投資較低等優(yōu)點 。 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)建設中的鋼材緊缺、能源不足的局面 ， 其經(jīng)濟效益是顯著的 。 2 國家產(chǎn)業(yè)政策要求發(fā)展 PVC 塑料管材 PVC 應用于給水管網(wǎng)歷史悠久目前在世界各地應被廣泛應用 。 這不僅因為 PVC管道具有上述許多優(yōu)點，而且已經(jīng)具有許多豐富的加工使用經(jīng)驗 。 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 60 年代開始少量應用，改革開放后的近 10 年管 材應用較快 。 為在全國推廣應用塑料管道，國家專門成立了由五部委組成的全國化學建材協(xié)調(diào)小組，制定了一系列推廣政策 。 推廣初期重點對 PVC 管道進使我國 PVC 管材、管件得到迅猛的發(fā)展 。 通過引進國外的先進技術設備和管理經(jīng)驗，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、管行了試點工作，取得了不少 經(jīng)驗，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年遠景規(guī)劃預測： 2021 年全國新建、改建、擴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，城市燃氣管（中、低壓管） 60%以上，重點發(fā)展的塑料管品種以 PVC 和 PE 管為主，并大力發(fā)展新型復合管道、改性管品種以 PVC、 PE 管為主，并大力發(fā)展新型復合、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進行干法塑化工藝連續(xù)操作 。 在螺桿擠出機轉(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備之間的剪切摩擦熱，使混料熔化而呈為熔體在設備中不斷往前流動，各組分受螺桿的攪拌而均勻分散 。 熔 體在機頭口模處成型后成連續(xù)體被螺桿擠到機外，經(jīng)冷卻凝固，即成管材 。 在擠出成型階段中的關鍵設備是擠出機和成型機頭，即擠出過程和成型過程 。 擠出成型工藝是聚合物加工領域中生產(chǎn)品種最多，變化最多、生產(chǎn)率高、適應性強、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進行干法塑化工藝連續(xù)操作 。 螺桿擠出機又可分為單螺桿擠出機和多螺桿擠出機 。 PVC 管材的擠出機可以用單螺桿擠出機，也可以用雙螺桿擠出機 。 兩種擠出機各有各的特點 。 單螺桿擠出機特點：，價格低 。 ，適合顆粒料的擠出加工 。 對聚合物 3 的剪切降解小，但物料在擠出機中停留時間長 。 ，工藝控制簡單 。 雙螺桿擠出機： ，價格高 。 ，物料在擠出機中停留時間短，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行生產(chǎn) 。 而雙螺桿擠出機 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，由于雙螺桿擠出機的產(chǎn)量大，擠出速度快，一般可達到 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)雙螺桿擠出機的質(zhì)量已基本達到進口雙螺桿擠出機的水平，價格僅為進口機的 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應用越來越廣，雙螺桿擠出機的型號日漸增多，對雙螺桿擠出理論的研究也日漸深入 [7]。 綜上所述， 本項目采用錐型異向雙螺桿擠出機生產(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行或改變樹脂主要原料的性能，以滿足塑料制品應用條件時要求 。 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? 有的能夠改進制品的力學性能 ； 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]。 助劑應用選擇應該注意如下： ①助劑應與樹脂相容性好，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)，對機器設備無腐蝕作用 。 ③多種助劑混合應用不產(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)點是它能完全溶于 PVC，從而可制得完全透明的各類制品 。 又因為它具有可靠的安全性，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 貯運過程中要避免因吸潮而產(chǎn)生的結塊和“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備金屬表面粘著而改進可加工性的物質(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備之間的粘附 。 降低熔化后的熔體粘度以促進流動，以及防止樹脂與金屬設備表面的粘著 。 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 甲基苯乙烯的低結構，泡沫塑料的相對密度小、強度大 。 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) — 沖擊改性劑來實現(xiàn) 。 本設計采用 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)國家標準 GB／ T576193《懸浮法通用型聚氯乙烯樹脂檢驗標準》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 分別用高速熱混機低速冷混機摻混在一起攪拌均勻， 過篩后 投入到 雙螺桿 擠出機內(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 由定徑機定徑，以 達到工藝要求的 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，由料倉送至擠出機的加料斗中，然后物料由加料斗進入擠出機進行加熱、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、切割機，上光烘干固化后，檢驗合格即為成品 [1819]。 6 產(chǎn)品質(zhì)量指標 我國采用 ISO 國際標準的對應技術文件，結合國內(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 向國際標準靠攏的國家標準和行業(yè)標準 。 不同的用途有不同的產(chǎn)品標準如表 3。 表 3 項目 國家標準 項目 國家標準 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)生指標也有相應的標準可依 。 1) 鉛的萃取值 第一 次小于 ， 第二次小于 。 試驗方法按 GB9644規(guī)定 。 2) 錫的萃取值 第二次小于 。 試驗方法按 GB9644 測定 。 3) 鎘的萃取值 三次取值均不大于 。 試驗方法按 GB9644 測定 。 4) 汞的萃取值 三次萃取值均不大于 。 試驗方法按 GB9644 測定 。 5) 氯乙烯單體含量 ≤ 。 試驗方法為：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，應嚴格制使用含鉛、錫、鎘、 汞等重金屬的輔助材料 。 除以上所列內(nèi)容外，國家標準GB/T17219— 1998 對飲水用管件也有較為嚴格的要求 。 管件生產(chǎn)企業(yè)應予以重視 。 7 主要設備的工藝計算 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，對生產(chǎn)設備進行工藝計算 。 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相應生產(chǎn)單位的實際生產(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 設計日產(chǎn)量 = 1400/% = 設計年產(chǎn)量 = 199= kg/a= t/a 按每天物料在各工序中進出料量進行計算 ： % ????? 后處理物料損耗率 每天設計產(chǎn)量日進入后處理的物料量 % ????? 擠出成型物料損耗率日進入后處理的物料量量日進入擠出成型的物料 % ????? 混合機物料損耗率 量日進入擠出成型的物料日進入混合機的物料量 % ????? 耗率原料處理及輸送物料損 日進入混合機的物料量的物料量日進入原料處理及輸送 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出料量情況進行衡算 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