轉(zhuǎn)矩流變儀在PVC管材生產(chǎn)中的應(yīng)用

郝洪波 林云青 張文霖 王成城

(康泰塑膠科技集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，四川 成都 611230)

轉(zhuǎn)矩流變儀在PVC管材生產(chǎn)中的應(yīng)用

郝洪波 林云青 張文霖 王成城

(康泰塑膠科技集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，四川 成都 611230)

本文從轉(zhuǎn)矩流變儀的構(gòu)成、實(shí)驗(yàn)原理以及PVC干混料的動(dòng)態(tài)熱穩(wěn)定性曲線的分析入手，重點(diǎn)介紹了轉(zhuǎn)矩流變儀在 PVC管材生產(chǎn)中的應(yīng)用，并對(duì)輔料配方工藝等方面的調(diào)整給出了建議。

PVC；轉(zhuǎn)矩流變儀；熱穩(wěn)定性；流變曲線

隨著PVC加工行業(yè)的迅速發(fā)展，在PVC生產(chǎn)廠家不斷推出新型的產(chǎn)品的同時(shí)，已經(jīng)向規(guī)模化、理性化轉(zhuǎn)變，眾多企業(yè)的生產(chǎn)人員在生產(chǎn)與質(zhì)量管理上也由粗放型轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)型，并越來(lái)越重視加工技術(shù)的不斷完善。越來(lái)越多的企業(yè)借助于先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)、跟蹤產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。轉(zhuǎn)矩流變儀的出現(xiàn)滿足了這種需要[1]。本文主要針對(duì)流變儀在PVC管材生產(chǎn)與質(zhì)量管理等方面的應(yīng)用。

1 轉(zhuǎn)矩流變儀

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

轉(zhuǎn)矩流變儀由微機(jī)控制系統(tǒng)、主機(jī)平臺(tái)以及加熱室三部分構(gòu)成。其中微機(jī)控制系統(tǒng)可以設(shè)定各區(qū)加熱溫度、主機(jī)轉(zhuǎn)速以及顯示實(shí)驗(yàn)曲線；主機(jī)平臺(tái)具有控速和測(cè)力的驅(qū)動(dòng)裝置；加熱室內(nèi)有兩個(gè)西格瑪轉(zhuǎn)子。

轉(zhuǎn)矩流變儀的工作原理是PVC物料在熱環(huán)境下由粉狀固體變成熔體的塑化過(guò)程中，受轉(zhuǎn)子、壓錘等作用下產(chǎn)生的阻抗而描繪出的模擬PVC物料由玻璃態(tài)向黏流態(tài)轉(zhuǎn)變的實(shí)際加工動(dòng)態(tài)的一種實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可獲得PVC物料在設(shè)定溫度、剪切速率條件下扭矩隨時(shí)間、溫度隨時(shí)間變化的軌跡圖。

1.2 轉(zhuǎn)矩流變儀的主要特征[2]

(1)PVC物料在密閉的腔體內(nèi)受剪切力的作用上下翻轉(zhuǎn)，不能左右移動(dòng)。

(2)PVC物料由玻璃態(tài)向高彈態(tài)、黏流態(tài)轉(zhuǎn)變，通過(guò)扭矩隨時(shí)間的變化反映出來(lái)；

(3)PVC物料塑化的全過(guò)程由軟件記錄下來(lái)，并且可實(shí)時(shí)了解溫度、壓力、扭矩、物料溫度等工藝條件等PVC物料在高溫和高剪切速率下的熔體行為；

(4)通過(guò)流變曲線可以對(duì)PVC物料的塑化質(zhì)量有一個(gè)量的評(píng)價(jià)。

2 PVC粒料的典型流變曲線及其分析

PVC物料的轉(zhuǎn)矩流變特性可以從6個(gè)區(qū)間、4個(gè)峰值反映出來(lái)，它們分別是0—L區(qū)、L—V區(qū)、V—F區(qū)、F—S 區(qū)、S—O區(qū)、O—D區(qū)、加料峰L、最小峰V、最高峰F、分解峰D。涉及11個(gè)參數(shù)，它們是加料時(shí)間及轉(zhuǎn)矩、達(dá)到最小峰值的時(shí)間及轉(zhuǎn)矩、達(dá)到最高峰值的時(shí)間及轉(zhuǎn)矩、達(dá)到平衡態(tài)的時(shí)間及轉(zhuǎn)矩、達(dá)到分解的時(shí)間及轉(zhuǎn)矩、融合(塑化)時(shí)間[3]。

0L區(qū)為起動(dòng)段，樹脂粒子在壓錘壓力作用下，蓬松狀態(tài)的PVC顆粒在混煉器內(nèi)逐漸被壓實(shí)。對(duì)轉(zhuǎn)子的阻抗增大，故扭矩急劇上升，當(dāng)物料負(fù)荷加載結(jié)束時(shí)，形成了最大扭矩值L。

LV區(qū)為壓實(shí)段，樹脂在加熱、剪切，壓力作用下，大而疏松的顆粒少量破碎，物系由靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦，因而對(duì)轉(zhuǎn)子的阻抗減小，PVC顆粒破碎成初級(jí)粒子，產(chǎn)生形變使體積逐漸縮小，PVC物料微粒問(wèn)孔隙度逐漸減少，所占體積減少，使轉(zhuǎn)矩流變儀的混煉室中的自由空間逐漸增大、轉(zhuǎn)子的阻力不斷減少，反映到轉(zhuǎn)矩流變曲線上，轉(zhuǎn)矩值從加載峰值L點(diǎn)逐漸下滑，V點(diǎn)時(shí)阻抗最小，扭矩值最低。

總而言之，路吉阿諾斯說(shuō)得上是古希臘文明的一個(gè)“流氓鬼”，他那嘲諷的棘刺并未因了一千八百年之久遠(yuǎn)而鈍挫，有著不以古而遂湮滅的生命偉力。他以洞悉一切的眼力、識(shí)見(jiàn)對(duì)所處時(shí)代的一切“虛妄”作出淋漓盡致的指斥與絕不妥協(xié)的批判，最大限度地驅(qū)除人們思想上的痼疾，重現(xiàn)真實(shí)。因此，路吉阿諾斯是他那個(gè)時(shí)代少有的唯理者，清醒者與批判者，被周作人譽(yù)稱為古希臘的“殿軍人物”。

VF區(qū)，由于外界加熱作用及轉(zhuǎn)子對(duì)PVC物料施加的剪切作用產(chǎn)生的摩擦熱，在這雙重?zé)崃康淖饔孟?，樹脂粒子不斷熔融和破碎成為初?jí)粒子，同時(shí)大部分初級(jí)粒子開始破碎成一級(jí)粒子，使轉(zhuǎn)矩流變儀的混煉室中的自由空間逐漸減小，轉(zhuǎn)子的阻力不斷增大，反映到轉(zhuǎn)矩流變曲線上，轉(zhuǎn)矩值從最小峰值V點(diǎn)逐漸上升，形成熔融峰F點(diǎn)。

FS區(qū)，經(jīng)F點(diǎn)后，物料的流動(dòng)已由前段樹脂粒子的相對(duì)滑動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿垠w的均勻形變，為分子間的相對(duì)位移，扭矩下降并逐漸趨于平衡，初級(jí)粒子消失，成為破碎的微級(jí)粒子產(chǎn)生自由大分子鏈團(tuán)，使大分子鏈纏結(jié)減少、自由運(yùn)動(dòng)增大，不可逆塑性形變逐漸增加，熔體流動(dòng)性逐漸增加，高彈形變抵抗壓錘的壓力逐漸減少，反映到轉(zhuǎn)矩流變曲線是轉(zhuǎn)矩值上下變化，并且這種梯度變化逐漸減弱，同時(shí)曲線下滑。

SO區(qū)，隨著外熱與翻轉(zhuǎn)、捏合的作用，PVC自由大分子鏈更加活躍，與其他助劑進(jìn)一步分散的同時(shí)流動(dòng)性增加，轉(zhuǎn)子的阻力降低，反映在曲線上為轉(zhuǎn)矩逐漸下降。當(dāng)高彈形變恒定以后，不可逆形變隨時(shí)間持續(xù)進(jìn)行，達(dá)到穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，反映在轉(zhuǎn)矩流變曲線上為O點(diǎn)，即穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩(平衡扭矩)。

OD區(qū)為分解段，在熱和力的作用下，隨著PVC物料降解的發(fā)生，轉(zhuǎn)矩會(huì)有較大幅度的升高。

圖1：PVC粒料的典型流變曲線

圖2：穩(wěn)定劑對(duì)轉(zhuǎn)矩流變曲線的影響

3 根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)流變曲線

在生產(chǎn)中如何評(píng)價(jià)一個(gè)配方的好壞，一種輔料的優(yōu)劣，最好的方法就是建立一組標(biāo)準(zhǔn)的流變曲線，將其他的曲線與該曲線進(jìn)行對(duì)比。該曲線是根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品的性能要求，既能保證經(jīng)濟(jì)效益又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。理想PVC物料標(biāo)準(zhǔn)曲線是為研究PVC管材生產(chǎn)與質(zhì)量提供了一個(gè)科學(xué)的生產(chǎn)模型，是研究PVC物料流變曲線的一個(gè)科學(xué)方法。但是，理想PVC物料標(biāo)準(zhǔn)曲線是相對(duì)的，常常受到配方體系與生產(chǎn)設(shè)備等因素的影響，所以每個(gè)生產(chǎn)企業(yè)的理想標(biāo)準(zhǔn)曲線應(yīng)該結(jié)合自己的實(shí)際情況制定。

4 轉(zhuǎn)矩流變曲線在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 評(píng)價(jià)PVC物料的熱穩(wěn)定性

PVC物料的熱穩(wěn)定性直接影響到PVC熱加工性能及后期的熱穩(wěn)定性能。通過(guò)改變轉(zhuǎn)矩流變儀混煉器的溫度、轉(zhuǎn)速、投入量等工藝參數(shù)，觀察轉(zhuǎn)矩流變曲線變化情況，并與標(biāo)準(zhǔn)流變曲線進(jìn)行比較，可以評(píng)價(jià)PVC物料的熱穩(wěn)定性能。如果曲線變化不大，說(shuō)明該物料動(dòng)態(tài)熱穩(wěn)定性好，熱老化性能佳，能夠滿足生產(chǎn)需要；否則說(shuō)明該P(yáng)VC物料熱穩(wěn)定性差，熱老化性能不佳，會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。

4.2 生產(chǎn)工藝配方的調(diào)整與評(píng)定

(1)穩(wěn)定劑的影響

圖2中曲線1，2，3分別是不同廠家穩(wěn)定劑相同含量時(shí)的流變曲線，其中曲線2為選定的標(biāo)準(zhǔn)曲線。從圖中可以看出穩(wěn)定劑穩(wěn)定時(shí)間不足時(shí)(曲線1)，在流變曲線上表現(xiàn)為最高扭矩及平衡扭矩，均比標(biāo)準(zhǔn)曲線要高些，為了確保曲線1配方有良好的加工性能和物理性能，必須對(duì)曲線1配方進(jìn)行配方調(diào)整，調(diào)整的方向是增加潤(rùn)滑劑含量，以達(dá)到改善配方1加工性能的目的。曲線3存在的問(wèn)題是塑化時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，因此該配方的調(diào)整方向?yàn)榧涌焖芑?/p>

(2)潤(rùn)滑劑的影響

潤(rùn)滑劑對(duì)轉(zhuǎn)矩流變曲線的影響見(jiàn)圖3

圖3中曲線1，2，3分別是潤(rùn)滑劑含量依次增大時(shí)的流變曲線，其中曲線2是選定的標(biāo)準(zhǔn)曲線。從圖中可以看出如果配方中潤(rùn)滑劑的用量不足，轉(zhuǎn)矩流變曲線表現(xiàn)為最低峰值高且尖，扭矩大(圖3中表現(xiàn)為曲線1)。在生產(chǎn)中會(huì)表現(xiàn)為在擠出機(jī)內(nèi)的物料熔體與螺桿及螺筒摩擦大，主機(jī)扭矩或電流增大，管材表面顏色容易呈淺黃色。

如果潤(rùn)滑劑的用量過(guò)多，流變曲線上表現(xiàn)為各時(shí)間段的扭矩低，物料達(dá)到平衡時(shí)間較長(zhǎng)，塑化峰降低，平衡轉(zhuǎn)矩降低且塑化峰寬度加寬。(圖3中表現(xiàn)為曲線3)。在生產(chǎn)中會(huì)表現(xiàn)為PVC物料的熔體與螺桿及螺筒摩擦小，主機(jī)扭矩或電流降低，塑化時(shí)間推遲，管材表面不光滑[4]。

(3)ACR加工助劑的影響

ACR加工助劑對(duì)轉(zhuǎn)矩流變曲線的影響見(jiàn)圖4

圖4中曲線1，2，3分別代表了配方中ACR加工助劑含量依次增加時(shí)的流變曲線，其中曲線2為選定的標(biāo)準(zhǔn)曲線。從圖中可以看出ACR加工助劑用量不足時(shí)，PVC熔體黏度偏低，扭矩降低，降低了塑化速度，延長(zhǎng)了塑化時(shí)間，但是對(duì)平衡扭矩的變化影響較小，加工過(guò)程中存在熔體強(qiáng)度不夠，容易發(fā)生破裂現(xiàn)象，生產(chǎn)的管材物理性能亦達(dá)不能滿足使用需要。

當(dāng)ACR加工助劑用量過(guò)大時(shí)，PVC熔體黏度增加，扭矩提高，提高了塑化速度，縮短了塑化時(shí)間，但是ACR加工助劑量的多少對(duì)平衡扭矩的變化影響較小，加工過(guò)程中存在熔體強(qiáng)度大，黏度高的現(xiàn)象，生產(chǎn)的管材物理性能雖能滿足使用需要，但是生產(chǎn)效率低，且能耗大。(4)填充劑的影響

填充劑碳酸鈣對(duì)轉(zhuǎn)矩流變曲線的影響見(jiàn)圖5

圖5中曲線1，2，3分別代表了填充劑碳酸鈣含量依次增加的流變曲線，從圖中可以看出隨著填充劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加推遲物料的塑化時(shí)間以及熱分解時(shí)間，最大扭矩降低，平衡扭矩變化不大。曲線3直接沒(méi)有塑化峰，表現(xiàn)為不分解。在實(shí)際生產(chǎn)中，添加適量的填充劑可以達(dá)到降低成本，提高產(chǎn)品某些方面的物理性能，但是過(guò)多的填充劑會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品物理性能下降，失去使用價(jià)值。

圖3：潤(rùn)滑劑對(duì)轉(zhuǎn)矩流變曲線的影響

圖4:ACR加工助劑對(duì)轉(zhuǎn)矩流變曲線的影響

圖5:填充劑碳酸鈣對(duì)轉(zhuǎn)矩流變曲線的影響

5 結(jié)論

(1)轉(zhuǎn)矩流變儀應(yīng)用在PVC管材的生產(chǎn)中，既優(yōu)化了產(chǎn)品配方，又可以模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。

(2)用流變儀測(cè)試的結(jié)果是相對(duì)的，因此需要根據(jù)自身情況確定“標(biāo)準(zhǔn)曲線”，以方便確認(rèn)結(jié)果。

(3)轉(zhuǎn)矩流變儀由于其加工條件與實(shí)際生產(chǎn)加工設(shè)備存在一定差異，因而不能完全再現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)，僅對(duì)生產(chǎn)起到指導(dǎo)作用。

[1]轉(zhuǎn)矩流變儀在高分子材料研究中的應(yīng)用[J] 煉油與化工 2007年第1期

[2]轉(zhuǎn)矩流變儀在PVC型材生產(chǎn)與質(zhì)量管理中的應(yīng)用[J] 聚氯乙烯 2007年第8期

[3]轉(zhuǎn)矩流變儀在測(cè)定PVC樹脂塑化性能方面的應(yīng)用[J] 中國(guó)氯堿 2004年第9期

[4]轉(zhuǎn)矩流變儀系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備在PVC加工中的應(yīng)用[J] 聚氯乙烯 2004年第5期

The application of torque rheometer in the production of PVC pipe

Hao Hongbo; Lin Yunqing Zhang Wenlin Wang Chengcheng
(Technology Center of Kangtai Plastic Group CO.,LTD，Sichuan Chengdu 611230)

Beginning with the composition of torque rheometer,experimental principle and the analysis of stability curve of PVC dry blend,the paper mainly introduce the use of the torque rheometer in the production of PVC pipe,and gives advice to the adjustments of excipient formula technology.

PVC；Torque rheometer；Thermal stability； Rheological curve

郝洪波，男，1980年生，山東濰坊人，碩士研究生學(xué)歷，材料工程師，研究方向?yàn)镠DPE、PVC等高分子材料的改性。