硬聚氯乙烯排水管材的制造方法与设备

（一）排水管材制造方法

硬聚氯乙烯管材是应用挤出成型原理进行生产制造的。挤出成型亦称挤压模塑或挤塑，即借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热熔化的塑料在压力的推动下，强行通过口模而具有恒定截面的连续管材的一种制成方法。按照加压力方式的不同，挤出工艺又分为连续和间歇两种。前一种所用设备为螺杆式挤出机，后一种为柱塞式挤出机。

螺杆式挤出机又分为单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。螺杆式挤出机是借助于螺杆旋转产生的压力和剪切力，使物料充分塑化和均匀混合，通过型腔（口模）而成型，因而使用一台挤出机就能完成混合、塑化和成型等一系列工序，进行连续生产。

柱塞式挤出机主要是借助柱塞压力，将事先塑化好的物料挤出口模而成型。料筒内物料挤完后柱塞退回，待加入新的塑化料后再进行下一次操作，生产不是连续的，而且对物料不能充分搅拌、混合，还需预先塑化，此法一般在硝酸纤维素等黏度特别大，流动性极差的塑料成型中应用。

硬聚氯乙烯管材的成型一般用螺杆式挤出机而不用柱塞式挤出机。下面就螺杆式挤出机挤出原理作简单的介绍。

在固体进料的挤出过程中，塑料要经历固体—弹性体—黏性液体的变化。同时物料又处于动态的温度和压力之下，在螺槽与料筒间，物料既产生拖曳流动又有压力流动，因此挤出过程中物料的状态变化和流动行为十分复杂。一般认为，物料要经过固体输送、熔融和熔体输送三个基本过程。首先是物料靠自重从料斗中进入螺槽，当物料与螺纹斜棱接触后，斜棱面对物料产生一与斜棱面相垂直的推力，使物料向前推移。推移过程中，由于塑料与螺杆、料筒间的摩擦及物料相互间的摩擦，同时由于挤出机的背压的影响，物料不可能呈现自由质点的螺旋运动。这些由于受热而黏结在一起的固体粒子和未塑化的、冷的粒子塞满整个螺槽，形成“固体塞”，物料类似螺钉上螺母一样受摩擦力推动而向前做轴向移动。当固体物料由加料段进入压缩段时，挤压作用逐渐增大，在料筒温度和摩擦力的作用下，固体物料于塑炼中逐渐熔化，最后进入均化段时，完成熔化过程，并发生相迁移。熔体在均化段的输送是正流、逆流、横流、漏流四种流动的组合，沿螺旋形轨迹流动而被挤出。

（二）排水管材制造设备及工艺

1.制造设备

硬聚氯乙烯管材的制造设备由挤出机和相应的机头模具及后续辅机组成。在实际生产中，挤出机按螺杆数量又分为单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。目前国内挤出管材的设备既有单螺杆挤出机，也有双螺杆挤出机，并逐步向双螺杆挤出制管方式发展，这是基于可以从捏合冷却混合料不经造粒工序直接生产管材。双螺杆挤出机加工PVC，单螺杆挤出机加工聚烯烃和其他热塑性塑料。下面就单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、机头模具和辅机分别叙述。

（1）单螺杆挤出机

在塑料挤出机中，最基本和最通用的是单螺杆挤出机。其基本结构如图8-4-1所示。主要包括螺杆、料筒、加料斗等挤出部分和加热、冷却装置与传动部分。

图8-4-1 单螺杆挤出机结构示意图

1—机座 2—电动机 3—传动装置 4—料斗 5—料斗冷却区 6—料筒 7—料筒加热器 8—热电偶控温点 9—螺杆 10—过滤网及多孔板 11—机头加热器 12—机头 13—挤出物

螺杆是挤出机最主要的部件，它直接关系到挤出机的应用范围和生产率。通过螺杆的转动对塑料产生挤压作用，塑料在料筒中才能产生移动、增压和从摩擦取得部分热量，塑料在移动过程中并得到混合和塑化，黏流态的熔体在被压实而流经口模时，取得所需形状而成型。料筒应与螺杆很好地匹配，内壁应光滑，有些料筒则刻有各种沟槽，以增大与塑料的摩擦力。在料筒外部附有用电阻、电感或其他方式加热的加热器、温度自控装置及冷却（风冷或水冷）系统。单螺杆挤出机供料一般多采用粒料。装料设备通常都使用锥形加料斗，其容积至少应能容纳1h的用料。料斗底部有截断装置，以便调整和切断料流，料斗侧面有视孔和标定计量装置。传动部分一般由电动机、减速箱和轴承组成。在挤出过程中，要求螺杆转速稳定，不随螺杆负荷的变化而变化．以保证制品质量均匀一致。但在不同场合下，又要求螺杆能变速，以达到一台设备能适应挤出不同规格制品的要求。为此，传动部分一般采用交流整流子电动机、直流电动机等装置，以达到无级调速的目的。

单螺杆挤出机由于其螺杆和整个挤出设计简单，制造容易，价格便宜，因而在塑料加工中得到广泛的应用。但随着塑料工业的发展，单螺杆挤出机显露出较大的局限性，主要表现在以下几个方面：

①由于单螺杆挤出机的输送作用主要靠摩擦，故其加料性能受到限制，粉料、无机填料难以加入。

②由于单螺杆挤出机物料在排气区的表面更新作用较小，因而排气效果较差。

③单螺杆挤出机不适于某些工艺过程，如聚合物的着色。因为这些过程要求物料在料筒中的停留时间短且不发生变化。单螺杆挤出机中物料停留时间一般较长，且各部分物料停留时间也不相等，特别是聚氯乙烯，其分解温度与成型温度十分接近，加工时对温度、压力等条件要求严格，单螺杆挤出机难以达到要求。

（2）双螺杆挤出机

为解决上述问题，出现了双螺杆挤出机，结构如图8-4-2所示。

图8-4-2 双螺杆挤出机

与单螺杆挤出机相比，双螺杆挤出机有以下几个特点：

①加料容易。这是由于双螺杆挤出机是靠正位移原理输送物料，不可能有压力回流。在单螺杆挤出机上难以加入的具有很高或很低黏度，以及与金属表面之间有很宽范围摩擦因数的物料，如带状料、糊状料、粉料及玻璃纤维皆可加入。双螺杆挤出机特别适于加工聚氯乙烯粉料，可由粉料直接挤出管材。

②物料在双螺杆中停留时间短，适于那些停留时间较长就会分解或固化凝聚的物料。

③优异的排气性能。这是由于双螺杆挤出机啮合部分的有效混合，排气部分的自洁功能使物料在排气段能获得完全的表面更新所致。

④低的比功率消耗。据有关资料介绍，若与相同产量的单双螺杆挤出机进行比较，双螺杆挤出机的能耗要少50%。这是因为双螺杆挤出机的螺杆长径比较单螺杆小，物料的能量多由外部热量输入，而单螺杆挤出机螺杆的长径比要大20%～30%，且机头和分流板筛网增加了阻力。

双螺杆挤出机的挤压系统由两根啮合或非啮合、整体或组合、同向回转或异向旋转的螺杆和料筒组成。

物料由加料斗加入，经过螺杆到达口模，在这一过程中，物料的运动情况和受到的混炼情况因螺杆是否啮合，是同向回转还是异向回转，通过何种形状和尺寸的螺杆区段而各不相同。在硬聚氯乙烯管材的生产中，通常选用异向回转啮合型双螺杆挤出机。两根螺杆是对称的。由于两根螺杆回转方向不同，一根螺杆上物料螺旋前进的通道被另一螺杆堵死，故不能形成∞运动。物料在螺纹推动下通过各部分的间隙而做圆周运动，同时也向着口模方向运动。物料通过两螺杆之间的径向间隙时犹如物料通过两辊的辊隙，所受的剪切搅拌作用最强烈。

（3）机头模具和辅机

在整个挤出机组中，挤出机主机固然是最重要的组成部分，其性能好坏对产品的质量和产量关系很大，但如果没有辅机的配合，同样也生产不出好的制品来。

辅机的作用是将从机头出来已初具形状和尺寸的高温熔体通过冷却并在一定的装置中定型下来，再通过进一步冷却，使之由高弹态最后转变为室温下的玻璃态，并经牵引机连续不断地引出，最后切割成段，从而获得合乎要求的制品。综上所述，塑料管材的辅机一般由以下几部分组成：冷却定型装置、牵引装置和切割装置。

塑料管材的定径方法一般有两种：外定径和内定径。我国塑料管材的标准中规定了管子的外径公差，故我国皆用外径定径方法。下面介绍外定径。

外定径是靠管子外壁与定径套内壁接触来实现冷却的。根据实现接触的方法又可分为管内充气加压定径法和在管子外壁与定径套内壁之间抽真空定径法，如图8-4-3和图8-4-4所示。

图8-4-3 充气加压定径

1—芯棒 2—外口模 3—绝热橡胶垫 4—外定径套 5—水浴槽 6—密封套 7—橡胶垫

图8-4-4 真空定径

1—管子 2—水槽 3—冷却水 4—通真空泵 5—芯模 6—口模

牵引装置是经由机头出来的已获得初步形状和尺寸的管子提供一定的牵引力和牵引速度，均匀地牵引出管材，并通过牵引速度调节管材的壁厚。牵引速度必须能在一定范围内进行无级平滑地调速。牵引力也必须保持恒定，不能有一推一拉现象，否则在管材表面会形成裂纹。牵引对管材的夹持力必须可调，使薄壁管材不产生永久变形，牵引装置一般有橡胶带式、滚轮式和履带式三种。如图8-4-5、图8-4-6和图8-4-7所示。橡胶带式和滚轮式只适用于小口径管材的生产，对大口径管材可由两条或三、四、六条履带组成的履带式牵引机牵引。

图8-4-5 橡胶带式牵引装置(www.xing528.com)

图8-4-6 滚轮式牵引装置

图8-4-7 履带式牵引装置

塑料管材的切割装置有以下几种：自动式或手推式电动圆锯切割机。自动式切割机由行程开关控制管子夹持器和电动圆锯片。夹持器夹到管子上，锯座在管子挤出推力或牵引力的推动下与管子同速前进，锯片开始切割，切断后，锯片返回原处。对大口径管材采用行星式自动切割机，圆锯片不仅自转，而且绕管于公转。

机头和口模通常为一整体，习惯上统称机头，但也有机头和口模各自分开的情况。机头的作用是将处于旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动，使塑料进一步塑化均匀，并将熔体均匀而平稳地导入口模，还赋予必要的成型压力，使塑料易于成型并使所得制品密实。口模为具有一定截面形状的通道，塑料熔体在口模中流动时取得所需形状，并被口模外的定型装置和冷却装置冷却硬化而成型。

硬聚氯乙烯管材的生产一般采用直线机头，它由分流器（鱼雷头）、分流梭（分流器支架）、芯棒、口模等部件组成。如图8-4-8所示。

①分流器（鱼雷头）：它使挤出机物料通过鱼雷头形成环状，使物料进一步塑化均匀、料层变薄。扩张角α过小不利于物料均匀受热，α过大则物料阻力增大易产生分解，α角一般为60°。分流器长度为1～1.5D。

②分流梭（支架）：支撑分流器及芯棒：由于分流料筋的存在，物料被分开再汇合形成合拢线，因此必须是流线型。分料筋为4～8根，宽度和长度应尽量减小，使合拢效果良好。

③芯棒：为管子内表面成型部件，应呈流线型。

④口模：管子外表面成型部件。口模与芯棒的平直部分组成管子成型部分，L=1～2.5D。

表8-4-1和表8-4-2分别为国内外主要塑料挤出机厂商及产品性能。

图8-4-8 硬管机头

1—卡套 2—连接套模 3—分流器 4—分流环 5—中套 6—芯棒 7—锁母 8—口模 9—法兰 10—冷却定型套

表8-4-1 我国主要塑料机械厂生产的挤出机

续表

表8-4-2 国外主要塑料机械厂商生产的挤出机

续表

2.制造工艺

硬聚氯乙烯管材的生产工艺流程：将聚氯乙烯树脂配以适量的稳定剂、填充剂、润滑剂、改性剂和颜料等，经高速搅拌机混合后，在双螺杆挤出机中充分塑化经口模挤出，在辅机的配合下定型、冷却、牵引、切割，最后生产出成品硬聚氯乙烯管材。其生产工艺流程如图8-4-9所示。

图8-4-9 硬聚氯乙烯管材生产流程图

1—挤出机 2—机头 3—定径套 4—冷却水槽 5—牵引装置 6—切割装置 7—硬聚氯乙烯管

（1）工艺过程的控制

将经过前处理后合格的原辅材料准确称量后按一定比例投入高速搅拌机中混合均匀，靠摩擦热使料温升高至95～115℃，为加快拌料周期，可将拌料机预热至70～80℃。经高速拌和的原料投入低温拌料机中冷拌，也可把料摊开冷却至40℃以下，即完成拌料过程。拌和好的原料加入双螺杆挤出机，经挤出机塑化挤出。挤出机的温度控制如下：

1区：160～170℃；

2区：170～180℃；

3区：160～170℃；

4区：155～165℃；

口模：180～190℃；

螺杆温度：100℃。

物料经挤出机塑化后挤压进模具成规定的尺寸，在离开机头口模后，应进行冷却定型。如果定型和冷却不及时，制品在自身重力作用下，就会发生变形。大多数情况下定型与冷却往往是同时进行的。制品从口模挤出后一般要产生离模膨胀现象，从而使挤出物尺寸和形状发生改变，同时制品从口模挤出后质量越来越大，若不引出，会造成堵塞，使生产停滞，进而破坏了挤出的连续性，并使后面的挤出物发生形变，因此连续而均匀地将挤出物引出（即牵引）是很必要的。牵引时，牵引速度应与挤出速度很好地匹配。一般应使牵引速度稍大于挤出速度，以便消除离模膨胀引起的尺寸变化，并对制品进行适度拉伸（产生一定程度的取向），同时要求牵引速度十分均匀，不然会影响其尺寸均匀和物理力学性能。

在整个生产过程中，工艺条件对制品质量影响很大，特别是塑化情况，更能直接影响制品的物理力学性能及外观，决定塑化程度的因素主要是温度和剪切作用。

物料的温度除主要来自料筒加热器外，还来自螺杆对物料的剪切作用产生的摩擦热，当转入正常生产时，摩擦产生的热将变得更为主要。料筒中料温升高时黏度降低，有利于塑化，同时，随着料温的升高，熔体流量增大，挤出物出料加快，但机头和口模温度过高时，挤出物的形状稳定性差，制品收缩增加，甚至引起制品发黄，出现气泡等，使挤出不能正常进行；温度降低时，熔体黏度大，机头压力增大，挤出制品压得较密实，形状稳定性好，但离模膨胀较严重，应适当增大牵引速度，以减小膨胀而增大的壁厚。料温过低时塑化较差，且因熔体黏度大而使功率消耗增加。当口模与模芯温度相差过大时，挤出的制品出现向外或向内翻，或扭歪情况。增大螺杆的转速能强化对物料的剪切作用，有利于物料的混合和塑化，且能降低物料的熔体黏度。螺杆的转速增加，并能提高料筒中物料的压力。

生产硬聚氯乙烯管材常见的质量异常及处理办法，见表8-4-3。

表8-4-3 质量异常及处理办法

（2）工艺配方的设计

考虑制品加工流动性和制品强度等物理力学性能，一般加工硬聚氯乙烯管材选择SG-4或SG-5型树脂。稳定剂一般选用三盐和二盐，其用量直接影响加工过程中物料的稳定性，三盐和二盐配合使用，其总量以4～6份为宜，也可使用复合型稳定剂，因其含有润滑剂等成分，故使用复合稳定剂时应参照稳定剂生产厂家提供的参考配方确定配方中各种物料的用量。润滑剂采用硬脂酸或石蜡，也可采用兼具稳定作用的硬脂酸钙、硬脂酸铅、硬脂酸钡等。填充剂一般采用碳酸钙，一方面可起到填充补强的作用和提高制品的尺寸稳定性；另一方面可以降低成本，提高经济效益。但如果一味为降低成本，以降低产品性能来达到追求经济效益的目的的做法显然不可取，应坚决杜绝和制止。另外，在聚氯乙烯分子结构中，因为存在取代基-Cl，其极性强，非键合原子间相互作用强，势垒大，分子内旋转困难，分子链柔性小，材料本身显示出脆性。为改变本身的脆性，增加韧性，往往对聚氯乙烯进行增韧改性。在聚氯乙烯的增韧改性中习惯添加氯化聚乙烯（CPE）等橡胶类物质以提高其韧性，其用量以5～8份为宜。为防止制品的老化（对聚氯乙烯制品主要是光降解），可加入炭黑或钛白粉等光屏蔽剂。此类物质的加入可在聚合物和光源之间设立一道屏障，使光达到聚合物表面时就被吸收或反射，阻碍了紫外线深入聚合物内部，从而有效地抑制制品的老化。在炭黑的结构中，具有苯醌结构及多核芳烃结构，它具有光屏蔽作用。由于含有苯酚基团，故又有抗氧化性能。钛白粉为白色颜料，当光投射到其表面上时，大部分可被反射掉，而呈现白色，并能吸收波长小于410nm的光。所以硬聚氯乙烯管材中一般加入少量炭黑和钛白粉等颜料，可起到调节颜色和防老化的双重作用。我国国家标准中对硬聚氯乙烯类管材制品一般规定为灰色，大概也是这个原因。

生产硬聚氯乙烯管材的参考配方如表8-4-4所示：

表8-4-4 硬聚氯乙烯管材的参考配方