PVC－U 給水管材耐壓性能影響因素研究

楊成德

（新疆天業(yè)節(jié)水灌溉股份有限公司，新疆832000）

PVC－U 給水管材耐壓性能影響因素研究

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影響PVC-U給水管材耐壓性能的影響因素，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；耐壓性能

以未增塑聚氯乙烯（PVC-U）樹脂為主要原料生產(chǎn)的硬聚氯乙烯（PVC-U）管材，與傳統(tǒng)的金屬管材，水泥管材及其他聚烯烴類管材相比，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。按現(xiàn)行PVC-U給水管國標(biāo)GB/T10002.1-2006，管材的耐壓性能成為一項(xiàng)十分重要的性能指標(biāo)，影響管材的耐壓性能，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)也要考慮加工工藝的相應(yīng)調(diào)整。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ф80/156錐形雙螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)ф160×4.0mm，PN0.63Mpa規(guī)格的給水管材，得到了較好的結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原輔料

PVC（SG-5型）樹脂粉，新疆天業(yè)生產(chǎn)；

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、著色劑炭黑N330等均為市購。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

ф80/156錐形雙螺桿擠出機(jī)及擠出模頭，上海金緯管道設(shè)備制造有限公司

高速捏合機(jī)、冷卻混合機(jī)，張家港產(chǎn)；

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將PVC（SG-5型）樹脂粉、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N330等按一定的比例在捏合機(jī)中捏合，在ф80/156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。

2 影響因素分析

2.1 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[1]。因?yàn)閷τ诮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。

2.2 混料與捏合

這是一個(gè)容易忽略的因素。一般談到捏合工藝，認(rèn)為只要控制捏合溫度即可。而實(shí)際上，混料與捏合，最重要的應(yīng)是物料分散均勻，以及易揮發(fā)物揮發(fā)較徹底。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℃，混料時(shí)間在8～10min[2]。干混料的表觀密度控制在0.60～0.65g/ml,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。

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45℃以下放料，干混后的物料過旋振篩（40～60目），是確保管材質(zhì)量的一個(gè)十分必要的工序。

表1 不同塑化度管材的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率

表2 PVC—U管材溫度對壓力的折減系數(shù)

2.3 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，Mpa;

dem—測量得到的試樣平均外徑，單位為毫米（mm）;

emin—測量得到的試樣自由長度部分壁厚的最小值，單位為毫米（mm）。

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，Mpa;

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PVC管材塑化度控制在60%～65%，才能獲得好的產(chǎn)品性能。

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。

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℃。

2.3.1 PVC樹脂粉

按GB/T5761-2006國家標(biāo)準(zhǔn)對PVC樹脂粉進(jìn)行檢測，根據(jù)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)樹脂的113ml/g≤粘數(shù)≤118ml/g，0.52g/ml≤表觀密度，其余指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)合格品要求即可，這種樹脂用來生產(chǎn)給水管則液壓從源頭上有了保證。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中涉及不到的PVC樹脂粉的相對分子質(zhì)量分布、熱穩(wěn)定時(shí)間、塑化性能，以及塑化成型后的產(chǎn)品抗沖/拉伸性能，只能通過其他更高層次的檢測或試驗(yàn)才能確立，而這些指標(biāo)也是給水管材所需關(guān)注的指標(biāo)[3]。

一般認(rèn)為，在未建立完善的原輔料入廠檢測手段以前，使用信譽(yù)好、規(guī)模大、質(zhì)量穩(wěn)定的樹脂粉是必要的。

2.3.2 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。可供使用的該類原材料是很多的，關(guān)鍵是如何配合。

一般情況下輕鈣份數(shù)在10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)。

一般認(rèn)為，在未建立完善的原輔料入廠檢測手段以前，使用信譽(yù)好、規(guī)模大、質(zhì)量穩(wěn)定的復(fù)合穩(wěn)定劑和外潤滑劑是必要的。

2.3.3 輕質(zhì)碳酸鈣

份數(shù)最好小于8份，粒徑越小，分散性越好（最好有包覆層），根據(jù)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≥2.4ml/g，揮發(fā)物含量低的輕質(zhì)碳酸鈣較為經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。

2.3.4 抗沖改性與加工改性體系

PVC-U管材的拉伸強(qiáng)度與抗沖改性劑、加工改性劑的種類和添加數(shù)量密切相關(guān)?？箾_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]。

對于給水PVC-U管材生產(chǎn)，建議添加1.5～3份ACR類抗沖改性劑，配合1～2份ACR類加工改性劑。

2.4 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60～65%如最高轉(zhuǎn)速為35rpm的則實(shí)際生產(chǎn)轉(zhuǎn)速在21～23rpm左右，同時(shí)喂料轉(zhuǎn)速與之匹配保證主機(jī)負(fù)載在65～75%左右，最終實(shí)現(xiàn)控制PVC-U管材的塑化度在60～65%范圍[5]。管材塑化程度，可通過擠出機(jī)和模頭工藝溫度輔助調(diào)節(jié)，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≥0.5MPa，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。

另外，正常配方、正常工藝參數(shù)條件下，剛開機(jī)時(shí)的產(chǎn)品性能與正常生產(chǎn)時(shí)的產(chǎn)品性能也存在較大差異，因而要注意調(diào)整開機(jī)時(shí)的工藝參數(shù)，待生產(chǎn)正常后再調(diào)回正常工藝參數(shù)。

3 結(jié)論

影響PVC-U給水管耐壓的因素，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)，使管材主機(jī)負(fù)載控制在60～65%范圍內(nèi)，可獲得較好的產(chǎn)品耐壓性能。

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

[2]王貴斌主編．硬質(zhì)聚氯乙烯制品及工藝．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008

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

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

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

PVC-U service pipe stress factors affecting properties research

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.

PVC-U (without gaining plastic polyvinyl chloride); Water supply pipe; Compression performance

楊成德（1978年7月18 日～）男研究生學(xué)歷，從事PVC管材、滴灌帶、PE管材方面的配方及生產(chǎn)工藝方面的設(shè)計(jì)和研究。