PVC-U管材縱向回縮率的影響因素及解決措施

何正炎

(天津永高塑業(yè)發(fā)展有限公司，天津 300480)

我國(guó)PVC制品主要為建筑給排水管材及門窗型材等。到“十二五”末，建筑給排水塑料管材已占全部管材的85%，其中約60%的塑料管材為PVC-U管材?？v向回縮率是表征PVC-U管材耐蠕變及產(chǎn)品壽命的重要指標(biāo)。PVC-U排水管材的縱向回縮率是指在150 ℃恒溫狀態(tài)下保持一定時(shí)間，在(23±2) ℃自然冷卻后測(cè)定管材長(zhǎng)度收縮的百分比。在生產(chǎn)過程中，PVC樹脂處于黏彈態(tài)，分子鏈由于受力取向或解纏后經(jīng)定徑套瞬時(shí)冷卻而被凍結(jié)，當(dāng)外部環(huán)境溫度為150 ℃時(shí)，分子鏈吸收熱能，以前被凍結(jié)的勢(shì)能釋放，冷卻定型時(shí)產(chǎn)生的形變得以恢復(fù)[1]，這就是PVC-U管材縱向回縮率的由來(lái)。

馬一青認(rèn)為PVC-U排水管材縱向回縮率表征的是管材的熱脹冷縮[2]，這個(gè)觀點(diǎn)值得商榷。因?yàn)槔鋮s凍結(jié)的形變才是縱向回縮率產(chǎn)生的直接原因，這個(gè)形變只有PVC-U管材在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(85 ℃)到黏流態(tài)溫度(175 ℃)之間時(shí)才會(huì)釋放出來(lái)，且不可逆。而熱脹冷縮是由于物體內(nèi)粒子的振動(dòng)幅度會(huì)隨溫度而改變?cè)斐傻?，?dāng)溫度上升時(shí)，粒子的振動(dòng)幅度加大，令物體膨脹；當(dāng)溫度下降時(shí)，粒子的振動(dòng)幅度便會(huì)減少，使物體收縮。因此，縱向回縮率不能用來(lái)表征PVC-U管材的熱脹冷縮。

在PVC-U排水管材的生產(chǎn)過程中，縱向回縮率超標(biāo)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，需要生產(chǎn)和技術(shù)部門及時(shí)處理，以消除不合格隱患。筆者從原材料、模具、工藝等方面對(duì)縱向回縮率的影響因素進(jìn)行探討[2]，并對(duì)其產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的解決措施。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

PVC-SG5型樹脂，企業(yè)1、企業(yè)2；輕質(zhì)碳酸鈣，河北乾昊鈣業(yè)有限公司；CPE,WK6000，浙江科利化工股份有限公司；穩(wěn)定劑，500BH，浙江傳化華洋化工有限公司；其他輔料，市售。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和儀器

PVC雙螺桿擠出機(jī)，SJSZ80、SJSZ65，河北通達(dá)塑料機(jī)械有限公司；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，XWW20A，河北金建檢測(cè)儀器有限公司；老化箱，RX-LH150，吳江市榮欣烘箱制造廠。

1.3 測(cè)試方法

PVC-U排水管材縱向回縮率按GB/T 6671—2001《熱塑性塑料管材縱向回縮率的測(cè)定》中的方法B(即烘箱試驗(yàn)法)來(lái)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 配方

采用Φ110×3.2的管材模具，考察碳酸鈣與CPE用量對(duì)PVC-U管材縱向回縮率的影響，結(jié)果見表1。

表1 配方對(duì)PVC-U管材縱向回縮率的影響

由表1可知：增加碳酸鈣用量可降低PVC-U管材的縱向回縮率，添加CPE則增加管材的縱向回縮率。這是因?yàn)樘妓徕}是無(wú)機(jī)剛性粒子，其均勻分布在PVC分子鏈的空隙中，阻礙了PVC分子鏈構(gòu)象的轉(zhuǎn)變，增加了解纏或取向分子鏈的回縮、回纏的位能，所以增加碳酸鈣用量管材縱向回縮率會(huì)變小；而CPE是大分子橡膠體，它的存在增加了PVC分子鏈的空隙距離，在同等外力作用下，分子彈性形變更大，在定徑套中被固化的形變也越大，進(jìn)而管材的縱向回縮率也變大。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一個(gè)定型的產(chǎn)品配方不會(huì)輕易更改碳酸鈣和CPE的用量，特別是增加碳酸鈣用量同時(shí)會(huì)改變產(chǎn)品密度、拉伸屈服強(qiáng)度等指標(biāo)。綜合考慮，最好從其他方面來(lái)降低PVC-U管材的縱向回縮率。

2.2 PVC樹脂平均聚合度

采用Φ110×3.2的管材模具，考察PVC樹脂平均聚合度對(duì)PVC-U管材性能的影響，結(jié)果見表2。

表2 PVC樹脂平均聚合度對(duì)PVC-U管材性能的影響

從表2可明顯看出：PVC樹脂的平均聚合度變小，PVC-U管材的縱向回縮率也變小，但同時(shí)拉伸屈服強(qiáng)度也變小，維卡軟化溫度也略有降低。在同樣的溫度、剪切條件下，平均聚合度低的PVC樹脂更容易塑化，即高彈態(tài)轉(zhuǎn)化為黏流態(tài)更容易。因此，在冷卻定型時(shí)，PVC熔體中殘留的高彈態(tài)較少，被凍結(jié)的形變也少，管材的縱向回縮率也較小。但在實(shí)際生產(chǎn)中，不同廠家、不同批次的PVC樹脂平均聚合度波動(dòng)較大，造成PVC-U管材縱向回縮率波動(dòng)較大，因此想通過控制PVC樹脂的平均聚合度來(lái)調(diào)節(jié)管材的縱向回縮率非常困難。

2.3 芯棒外徑

采用不同外徑的芯棒生產(chǎn)了不同壁厚(Φ50×2.0、Φ50×1.8)的PVC-U管材，考察芯棒外徑對(duì)其縱向回縮率的影響，結(jié)果見表3。

表3 芯棒外徑對(duì)PVC-U管材縱向回縮率的影響

由表3可知：芯棒外徑對(duì)PVC-U管材縱向回縮率的影響較大。采用外徑較小的芯棒時(shí)，出口模的管坯壁厚較厚，其在機(jī)筒與模具中受到的剪切形變來(lái)不及恢復(fù)即受到牽引機(jī)的拉伸，加之口模與定徑模距離較短(便于真空成型)，分子鏈冷卻回縮時(shí)間短，產(chǎn)生的應(yīng)變較多，最終造成管材縱向回縮率變大；采用外徑較大的芯棒時(shí)，由于管坯壁厚較小，為了讓管坯充分恢復(fù)、累積，此時(shí)的牽引力較小，產(chǎn)生的應(yīng)變相應(yīng)較少，縱向回縮率也就變小。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，因?yàn)槟p以及模具經(jīng)常除銹拋光，口模間隙逐年變大，所以芯棒使用幾年后最好更新。在實(shí)際生產(chǎn)中，更換芯棒是減小PVC-U管材縱向回縮率效果最明顯的方式之一。

2.4 工藝溫度

采用Φ110×3.2的管材模具，考察工藝溫度對(duì)PVC-U管材縱向回縮率的影響，結(jié)果見表4。

表4 工藝溫度對(duì)PVC-U管材縱向回縮率的影響

由表4可知：工藝溫度的改變對(duì)PVC-U管材的縱向回縮率有一定影響，特別是增加1區(qū)、2區(qū)機(jī)筒溫度，一方面可加快PVC初級(jí)粒子融化，減少處于高彈態(tài)的物料；另一方面可減少螺桿對(duì)熔體的剪切，減少形變。但由于PVC樹脂是熱敏性樹脂，為防止其分解，機(jī)筒1區(qū)、2區(qū)的溫度增加幅度有限。在縱向回縮率略微超標(biāo)時(shí)，通過調(diào)整工藝溫度可使其快速達(dá)標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

解決PVC-U管材縱向回縮率超標(biāo)的問題，更換芯棒是最直接、有效的措施；增加機(jī)筒溫度可在小范圍內(nèi)快速改善縱向回縮率；PVC樹脂最好選則平均聚合度偏低的SG5型產(chǎn)品；另外，不建議通過調(diào)整配方來(lái)降低PVC-U管材的縱向回縮率。