【正文】 塑管已在上海、廣東、江蘇、浙江、福建、山東、天津等省市得到廣泛應(yīng)用 ， 目前在上海新建高層住宅中 90 %的給水管選用鋼塑管。隨著中西部經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 ， 中西部很多省市也開(kāi)始了鋼塑管的推廣應(yīng)用工作。據(jù)統(tǒng)計(jì)“ ， 十五”期間 ， 我國(guó)每年城市供水管道鋪設(shè)長(zhǎng)度約為 1. 5 104 km ，而我國(guó)正在運(yùn)行的市政公用管道中 ， 城市供水 管道有 5. 87 104 km是 20 世紀(jì) 70 年代以前鋪設(shè)的 ， 都已到了或接近使用年限 ， 需要更新改造。目前深圳、上海等發(fā)達(dá)城市建太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 設(shè)的直接飲用自來(lái)水工程 ， 是以居民區(qū)或公共建筑內(nèi)自來(lái)水為水源 ， 經(jīng)加工凈化處理達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn) ， 最后經(jīng)管道直接輸送到各家各戶(hù)和用水點(diǎn) ， 這項(xiàng)工程也需要大量的綠色環(huán)保供水管道。直飲水工程代表著城市供水的發(fā)展方向 ， 所有這些都為鋼塑管提供了廣闊的市場(chǎng)空間。 由上可知，鋼塑復(fù)合管在目前幾年具有廣闊的發(fā)展空間和優(yōu)越的政策支持，是一個(gè)充滿活力的項(xiàng)目。 第 2 章 配方設(shè)計(jì) 配方設(shè)計(jì)概述 塑料助劑是塑料產(chǎn)品中不可缺少的重要原材料，是在塑料配制及成型加工過(guò)程中添加到聚合物中起各種輔助作用的添加劑。它不僅能影響聚合物的加工特性、使用性能和使用壽命，而且還能降低成本、節(jié)約能源、提高生產(chǎn)率和商品價(jià)值。聚合物與塑料的配方混合機(jī)理是不同于改性的，同樣道理，合成聚合物是所用的助劑也就不在塑料助劑范疇之內(nèi)。常用的塑料助劑，按習(xí)慣和用途劃分為增塑劑、穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑、改性劑、填充劑、著色劑、交聯(lián)劑、發(fā)泡劑、偶聯(lián)劑、阻燃劑等等。在配方設(shè)計(jì)中，除滿足制品性能和使用性能要求外，還要掌握聚合物與助劑的配伍性。為 了防止因配方設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的制品缺陷，選擇助劑應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。 （ 1）理論和實(shí)踐相結(jié)合，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)積累， 舉 一反三。 （ 2）制定改善聚合物主要性能的目標(biāo)。因?yàn)樗芰现鷦┑募尤?，一方面有利于某一性能的提高，另一方面有損于另一性能。例如在聚合物中加入填料能夠提高剛性和力學(xué)性能，但脆性加大，韌性降低。所以應(yīng)根據(jù)使用要求，權(quán)衡得失利弊，正確的選用助劑。 （ 3）考核助劑與聚合物的相容性能。相容性好，助劑分布均勻，助劑分子難以向制品表面遷移。 （ 4）考核助劑的揮發(fā)性能。尤其是液狀助劑和增塑劑，如果選用高沸點(diǎn)，在擠出溫度下不會(huì)造 成大量揮發(fā)，從而提高了增塑或助劑所起的功能效果。 （ 5）考慮衛(wèi)生性能和環(huán)保要求。與人體健康關(guān)系密切的制品應(yīng)選用無(wú)毒或低毒助劑或環(huán)保型助劑。 （ 6）幾種助劑配合使用效果大，我們稱(chēng)為 “ 協(xié)同效應(yīng) ” ，在配方中應(yīng)盡可能發(fā)揮 “ 協(xié)同效應(yīng) ” 的作用。反之，即稱(chēng)為 “ 對(duì)抗效應(yīng) ” ，應(yīng)盡量避免。 （ 7）采用最佳的高?；炝戏椒?，是提高助劑效果的重要因素。 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 樹(shù)脂的性能 ABS 樹(shù)脂是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物，是科學(xué)家在對(duì)聚苯乙烯改性中開(kāi)發(fā)的一種新型塑料材料，制備方法歸結(jié)為兩大類(lèi)，共混法和接枝共聚法。 ABS 外 觀是淡黃色非晶態(tài)樹(shù)脂，不透明，密度與聚苯乙烯基本相同， ABS 具有良好的綜合物理力學(xué)性能。耐熱、耐腐、耐油、耐磨，尺寸穩(wěn)定，加工性能優(yōu)良，它具有三種單體所賦予的優(yōu)點(diǎn)。其中丙烯腈賦予材料良好的剛性、硬度、耐油、耐腐，良好的著色性和電鍍性，丁二烯賦予材料良好的韌性、耐寒性，苯乙烯賦予材料剛性、硬度、光澤性和良好的加工流動(dòng)性，改變?nèi)M的比例，可以調(diào)節(jié)材料性能。 的特性 淺象牙色不透明的非結(jié)晶性聚合物 ， 無(wú)毒 ， 無(wú)臭 ， 著色性好 . 硬而堅(jiān)韌 ， 剛性 ， 耐低溫沖擊性 ， 耐蠕變性 ， 尺寸穩(wěn)定性 ， 耐磨性均好 。線膨脹系數(shù)很小 ， 成型收縮小 ， 表面光澤好 . 電結(jié)緣性能較好 ， 可燃 ， 火焰呈黃色黑煙 ， 有特殊氣味 ， 但不滴落 。耐候性差 ，不耐紫外線 . 耐油 ， 耐酸 ， 堿和無(wú)機(jī)鹽 ， 但溶于酯 ， 醛 ， 醚類(lèi)及氯化烴 ， 且易吸濕 . 和極性樹(shù)脂相容性好 ， 可改善 PVC 性能等 . 的加工性 ABS 的成型加工性能很好 ， 可擠塑 ， 吹塑 ， 注塑 ， 壓延 ， 層合 ， 熱成型 ， 發(fā)泡 ， 涂覆 ， 焊接 ， 機(jī)加工 ， 印刷 ， 電鍍和拋光 ， 也可用于無(wú)機(jī)填料填充 ， 與其它樹(shù)脂共混 ， 用玻璃纖維增強(qiáng)等 . 助劑的選用 阻燃劑 ABS 塑料是 可以燃燒的，而且燃燒放熱量大，還因 燃燒不完全產(chǎn)生煙和有毒氣體 。 維持燃燒的必要條件是：（ 1）燃燒熱的積累足可以保持可燃物的溫度在燃點(diǎn)以上；（ 2）有充分的燃燒物；（ 3）有足夠的氧。阻燃的途徑就是要排除這三個(gè)因素中的一個(gè)或幾個(gè)。添加阻燃劑是是塑料阻燃的有效途徑。 阻燃劑的作用是：（ 1）切斷燃燒的鏈反應(yīng)；（ 2）形成隔熱與隔氧的表層 。（ 3）促進(jìn)脫水炭化。 各種阻燃劑及其作用機(jī)理：（一）添加型阻燃劑， 鹵化物通常采用氯化物或溴化太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 物，這在氣相下特別有效，因鹵化物分解產(chǎn)生的鹵化 氫 （溴化 氫 或 氯 化 氫 ），覆蓋在燃料表面，可 隔絕空氣和熱，并能抑制燃燒的鏈反應(yīng)。溴化物阻燃機(jī)理如下： 塑料中加入的含溴阻燃劑，遇火受熱發(fā)生分解反應(yīng)，分解產(chǎn)生的溴離子與塑料反應(yīng)產(chǎn)生 HBr， 溴化 氫 與水反應(yīng)使反應(yīng)活性很強(qiáng)的游離基 ，燃燒速度減慢，直到火焰熄滅。含氯有機(jī)化合物也有相同的效果。 磷酸酯，磷酸酯阻燃劑中有磷酸酯、磷酸氯烴酯等。它們?cè)诠滔嗯c液相時(shí)發(fā)生作用，在分解階段生成磷酸，使塑料脫水炭化，在其表面形成炭膜，以此斷絕空氣。（二）反應(yīng)型阻燃劑，這是含有 CL、 BR、 P等阻燃元素并含有反應(yīng)基的一類(lèi)化合物。它們與樹(shù)脂聚合而賦予樹(shù)脂 以阻燃性。（三）阻燃助劑，這是一類(lèi)與添加型或反應(yīng)型阻燃劑并用而使其效果顯著加強(qiáng)的物質(zhì)。主要有三氧化二銻、硼酸鋅等。硼酸鋅的阻燃機(jī)理是在鹵化物存在下生成 SbCl SbBr3 等氣相鹵化銻，這種比重很大的氣體覆蓋在樹(shù)脂表面可隔斷空氣和熱，同時(shí)也有捕捉游離基的作用。 鹵素阻燃劑燃燒時(shí)會(huì)生成大量的煙 、 有毒及有腐蝕性的氣體。有毒的煙氣會(huì)對(duì)人體的呼吸道及其它器官產(chǎn)生危害，甚至引起窒息而威脅生命。發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)始禁止使用各種鹵素阻燃劑。減少或不使用鹵素阻燃劑已成為塑料行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。 磷酸酯類(lèi)的磷酸酯二苯異辛酯具有比較好的 增塑作用，較好的低溫柔順性，并且可適用與食品包裝材料。 抗氧劑 抗氧劑的作用是阻止聚丙烯自動(dòng)氧化鏈反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)行。也即供給氫，以除去氧化過(guò)程中生成的游離基 R和 ROO的活性使變成 RH 和 ROOH，或使 ROOH 變成 ROH。根據(jù)作用機(jī)理的不同，抗氧劑可分為游離基鏈反應(yīng)終止劑 (也稱(chēng)主抗氧劑 )和過(guò)氧化物分解劑（輔助抗氧劑）兩類(lèi)。 游離基鏈反應(yīng)終止劑能與氧化過(guò)程中生成的活性游離基 R和 ROO結(jié)合，生成穩(wěn)定的化合物和低活性的游離基，從而阻止鏈的傳遞與增長(zhǎng)。 其反應(yīng)機(jī) 理如下： 式中 IH 表示游離基鏈反應(yīng)終止劑，生成的 I是低活性游離基，不能再引起鏈反應(yīng)。 有效的游離基鏈反應(yīng)終止劑，應(yīng)使上述反應(yīng)速度常數(shù) k k2， 大于下述反應(yīng)速度常 HO +HBr H2O+Br Br +RH R +HBr R +IH RH+I K1 ROO +IH ROOH+I K2 ROOH +RH ROOH+R K3 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 數(shù)。游離基鏈反應(yīng)終止劑主要包括受阻酚和仲芳胺化合物。 大分子過(guò)氧化游離基鏈傳遞及其與游離基鏈反應(yīng)終止劑反應(yīng)所生成的大分子過(guò)氧化物，能與過(guò)氧化分解劑作用生成穩(wěn)定的化合物，從而使自由基鏈反應(yīng)完全終止。 過(guò)氧化分解劑主要有硫化物，硫脂和亞磷酸酯類(lèi)等，它們與大分子過(guò)氧化物的作用為： 選用 主抗氧劑 1010 和輔助抗氧劑 DLTP， 作為 ABS 管材 配方的抗氧劑。 光穩(wěn)定劑 大多數(shù)聚合物在太陽(yáng)光長(zhǎng)期暴曬下會(huì)變色、變脆、性能下降，這種廣化學(xué)反應(yīng)后就伴生表面開(kāi)裂、催化而失強(qiáng)，電性能下降。添加各種光穩(wěn)定劑就能延緩這種過(guò)程的發(fā)生，防止光氧老化，而使制品壽命延長(zhǎng)，常用的光穩(wěn)定劑按其作用機(jī)理可分為四類(lèi)。 （ 1）紫外線吸收劑，它能有效吸收波長(zhǎng)為 290~410mm 的紫外線，先于聚合物吸收紫外線的能量通過(guò)它自身原子中電子結(jié)構(gòu)的重排將輻射能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散于大氣中，一旦釋放出能量，原子有回到原來(lái)狀態(tài)。常用的紫外 線吸收劑有二苯甲酮類(lèi)的 UVUV531。水楊酸酯類(lèi)的 BAD、 TBS、 OPS。笨并三唑類(lèi)的 UVP、 UV32 UV327。三嗪類(lèi)的三嗪 三嗪 三嗪 5 等。 （ 2）猝滅劑。又稱(chēng)能量轉(zhuǎn)移劑，是通過(guò)分子間的能量轉(zhuǎn)移來(lái)消耗能。未被遮蔽或吸收的紫外線被聚合物吸收后，使聚合物處于不穩(wěn)定的 “激發(fā)態(tài) ”，為了防止其進(jìn)一步產(chǎn)生自由基，猝滅劑能夠從受激聚合物分子上將激發(fā)能消除，使之回到低能狀態(tài)。這類(lèi)光穩(wěn)定劑對(duì)聚合物的穩(wěn)定效果很好，與紫外線吸收劑并用，有很好的協(xié)同效應(yīng)。常用的品中有二硫代氨基甲酸鎳類(lèi)的 NBC。硫代 雙酚 A 類(lèi)的 AM101。膦酸單酯鎳類(lèi)的 2021。 （ 3）自由基捕獲劑。它能捕獲高分子中生成的活性自由基，從而抑制光氧化過(guò)程，達(dá)到光穩(wěn)定劑的目的。新一類(lèi)的光穩(wěn)定劑主要是受阻胺光穩(wěn)定劑（ HALS） ， 其穩(wěn)定效果比紫外線吸收劑要高 2~3 倍。 HALS 有猝滅劑的功能，還能夠分解過(guò)氧化物，而且自身生成穩(wěn)定的氮氧自由基，氮氧自由基又能消除在氧化過(guò)程中生成的大分子游離基和過(guò)氧游離基，穩(wěn)定性能較高。我國(guó)塑料用光穩(wěn)定劑產(chǎn)品中有 80％的 HALS，主要品種有GW5 480、 54 508 等。光屏蔽劑。能減少紫外線對(duì)材料的投射作 用，使光不能投入聚合物內(nèi)部，從而起到保護(hù)聚合物的作用，具有這種性能的物質(zhì)很多，如炭黑、氧化鋅、二氧化碳、氧化鈦等。 ROOH+(R?O)3P ROH+(R?O)3P=O ROOH+R?SR? ROH+R?SOR? ROH+R?SO2R? ROOH+R?SOR? 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 選用三嗪 5 作為 ABS 管材 的光穩(wěn)定劑 。 填充劑 填充劑來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，用它填充到聚合物中，改進(jìn)塑料制品的性能、降低制品的成本，有著十分顯著的效果。隨著填充劑相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，賦予它的不僅僅是致廉劑，更重要的是功能助劑，填充劑對(duì)填充后的聚合物所產(chǎn)生的影響與填充劑某些性能有關(guān)。粒子的形狀為球型對(duì)復(fù)合材料影響較小，粒子形狀為板形、薄片形、針形、不定型的，則對(duì)復(fù)合材料影響較大，所 制得的制品具有異向性。粒徑大小又影響加工性能和制品物性，粒子小的在混合時(shí)需要能量較大，流動(dòng)性能較差，擠出加工性能降低，但制品的光滑性和強(qiáng)度有所提高；反之，粒子大分散性和流動(dòng)性較好，但制品表面不光滑，而且彎曲時(shí)產(chǎn)生泛白現(xiàn)象。水分含量高的，在加工時(shí)會(huì)導(dǎo)致分散不好，制品起泡，電性能下降；填充劑 PH 值太大或太小都有可能使制品的穩(wěn)定性、 耐化學(xué)性、固化性等受到不良影響；白色填充劑的白色度受水分和粒度的影響，采用化學(xué)處理法制得的填充劑比機(jī)械碎法白色度高，而且色散小。填充劑的作用主要應(yīng)用于改性功能方面。 塑料中添加有機(jī)或 無(wú)機(jī)填充劑，以改變其力學(xué)性能、工藝、使用性能和降低成本，應(yīng)用越來(lái)越廣。 碳酸鈣：碳酸鈣不僅大量的應(yīng)用于 PVC 的填充，近年來(lái)對(duì)聚烯烴樹(shù)脂的填充也得到了廣泛的應(yīng)用。使用最多的粒子直徑為 3~4μm ，比表面積為 12m2/g。制造聚烯烴透濕性薄膜（合成紙）時(shí)，填充碳酸鈣使樹(shù)脂與碳酸鈣的界面生成空隙并控制空隙的大小，使薄膜不能透過(guò)水，可透過(guò)濕氣；聚乙烯填充 30 份碳酸鈣，制得垃圾薄膜袋，每個(gè)單位重量的廢棄垃圾袋燃燒發(fā)熱量可減少一半，聚丙烯填充碳酸鈣 20~30 份時(shí)，其耐沖性和剛性均能得到顯著提高。 硅酸鹽 :用硅酸鹽填充的聚 合物，具有較好的電絕緣性能，常應(yīng)用于 PVC電線電纜。 亞硫酸鹽：在聚丙烯中加入粒徑為 5~40 微米的 70％亞硫酸鈣（ CaSO3 1/2H2O） ， 經(jīng)成型并拉伸 300％ ~400％，得柔軟、透明的片材。 氫氧化鈣：用氫氧化鈣填充的聚合物，能夠提高阻燃性能。 氧化物：以金紅石型二氧化鈦應(yīng)用為主，它是一個(gè)立方體，鈦原子和氧原子排列緊密，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此密度較高，折射率在戶(hù)外使用易變黃。除此之外，通常還將二氧化鈦、氧化鋅等作為白色著色劑使用。 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 表 21配方 類(lèi)別 名稱(chēng) 份數(shù) (質(zhì)量份數(shù) ) 樹(shù)脂 ABS 100 助燃劑 磷酸酯二苯異辛酯 5 抗氧劑 1010 DLTP 光穩(wěn)定劑 三嗪 5 填料 碳酸鈣 20 第 3 章 管材的擠出成型原理及設(shè)備 塑料擠出的基本原理 塑料加工業(yè)是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的技術(shù)型產(chǎn)業(yè)。它涉及到高分子化學(xué)，高分子物理，界面理論，塑料機(jī)械，塑料加工模具，配方設(shè)計(jì)原理及工藝控制等方面。擠出理論主要研究塑料在擠出機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況與變化規(guī)律。擠出機(jī)中塑料在一定外力作用下，于不同溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的高聚物的三種物理狀態(tài)，與螺桿結(jié)構(gòu)，塑料性能，加工