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填料對PVC管材生產(chǎn)的影響及解決方案

2014-6-20 23:35:50??????點(diǎn)擊:

填料雖然只占PVC管材配方的很小一部分,但對提高PVC管材的性能和質(zhì)量發(fā)揮著(zhù)重要的作用,而且會(huì )對PVC管材生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節產(chǎn)生很大的影響。因此,填料增加后應及時(shí)調整潤滑體系予以平衡,否則會(huì )對PVC管材的生產(chǎn)造成極大的破壞作用。 

填料又稱(chēng)填充劑,是一類(lèi)添加到塑料中能增加體積、降低制品成本的物質(zhì)。填料不但降低了塑料制品的生產(chǎn)成本,提高了樹(shù)脂的利用率,同時(shí)也擴大了樹(shù)脂的應用范圍,而且一些填料的應用還可賦予或提高管制品某些特定的性能,如尺寸穩定性、阻燃性、電氣絕緣性、防粘性、不透明性和剛性。有些填料還能提高管材的拉伸強度和沖擊強度。 

本文以采用了碳酸鈣填料的、用于110規格管材的0#~4#配方(各配方的配比情況如表中所示)為例,通過(guò)6項測試實(shí)驗來(lái)討論在管材生產(chǎn)過(guò)程中填料是如何影響PVC管材生產(chǎn)的,并就其中出現的各種問(wèn)題提出了相應的解決方案。 PVC管材生產(chǎn)設備信息http://www.minshigroup.cn/Product/6810424459.html

填料對PVC管材生產(chǎn)的影響 

1、 混料工藝 
PVC混料設備信息http://www.minshigroup.cn/cnproduct/Mixer/PVCmixer/
在PVC管材配方中增加填料后,首先會(huì )對混料電流造成較大影響。如圖1所示,在混料初期,0#~4#配方樣品中的混料電流值差較小。在55℃~65℃之間,各配方的電流值差為5A,當混料溫度上升至65℃~75℃時(shí),混料電流值差只有2 ~3A。這是由于在此溫度范圍內,配方中的外潤滑劑開(kāi)始溶解,發(fā)揮潤滑作用,從而使電流保持在一定范圍內。隨著(zhù)混料溫度不斷升高,混料電流呈現較大的差異,且填料含量越高,混料電流相對越低。這表明填料比例增加后,由于潤滑劑的潤滑作用,使其具有較低的切導熱系數,從而極大地降低了物料與混料機槳葉之間的摩擦熱,并同時(shí)降低了馬達的負載,導致混料電流呈下降趨勢。

 

圖1 填料對混料電流的影響

如圖2所示,隨著(zhù)填料含量的增加,混料時(shí)間呈上升趨勢。增加1倍的填料,混料時(shí)間可延長(cháng)22%左右。這也與混料電流下降相對應,當電流值為67 ~76 A時(shí),混料電流處于一個(gè)較低的曲線(xiàn),而增加改質(zhì)劑后,降低了物料混合過(guò)程中的摩擦熱,同時(shí)由于高混鍋排料溫度的升高,延長(cháng)了混料時(shí)間,從而為配方中各組分提供了充分的混合時(shí)間,顯著(zhù)提高了PVC樹(shù)脂的包覆效果和干混料的混合均勻性。

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圖2 填料對混料時(shí)間的影響

圖3所示為填料的增加對干混料表觀(guān)密度的影響示意圖。從圖中可以看出,填料的增加對表觀(guān)密度的影響很小,只有1%左右。這是由于填料的流動(dòng)性比較好,尤其是在高溫時(shí)流動(dòng)性能更好,所以在混料過(guò)程中由于CaCO3的加入降低了PVC顆粒之間、PVC顆粒與機械表面之間的摩擦,從而使得物料的總摩擦力減少,而且CaCO3的加入量越多,現象越明顯。

圖3 填料對干混料表觀(guān)密度的影響 

總之,填料的增加會(huì )大大降低混料工序的效率,但不會(huì )對干混料的質(zhì)量造成較大影響。 
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2、 管材的加工性能 

有研究表明,填料的含量對管材的加工性能影響顯著(zhù)。當填料含量較低時(shí),由于填料分散于PVC粒子之間,妨礙了PVC粒子的熔融,從而減緩了物料的塑化速度,延長(cháng)了塑化時(shí)間,但可有效提高PVC管材的剛性。填料加量過(guò)多則會(huì )提高物料的粘性,平衡轉矩也會(huì )隨之升高。 

研究發(fā)現,在實(shí)際的應用過(guò)程中,在不改變擠出成型模具的情況下增加填料,管材的外徑出現了偏大的問(wèn)題,并同時(shí)伴隨著(zhù)壁厚尺寸出現誤差等問(wèn)題。這是因為填料顆粒的加入限制了PVC分子鏈的旋轉和移動(dòng)功能,因而對那些與PVC分子鏈有關(guān)的材料性能均有影響。提高材料的模量會(huì )降低離模膨脹率和熱收縮率,這樣處于高溫下的管坯在進(jìn)入真空定徑裝置冷卻定型的過(guò)程中,收縮比例減小,從而導致管坯的壁厚有所減小,出現壁厚達不到原有標準,甚至低于標準下限的現象。

 

圖4 填料對扭矩和熔體壓力的影響

3、 管材擠出設備 

填料含量的增加對擠出工藝的要求大為不同。隨著(zhù)填料含量的增加,在擠出過(guò)程中物料的扭矩值增大,導致在原有的擠出工藝條件下管材生產(chǎn)出現過(guò)塑化問(wèn)題,且管材的擠出量隨之下降,造成產(chǎn)量的降低。如圖4所示,在相同的擠出工藝條件下,隨著(zhù)填料含量的增加,扭矩值和熔體壓力呈逐步上升趨勢。隨著(zhù)填料含量的增加,螺桿中物料的密度也隨之增大,使得物料在擠壓、剪切過(guò)程中的摩擦力增加,摩擦熱因此急劇增加,從而導致螺桿、機筒4區(均化擠出段)的溫度遠遠超出設定溫度(如圖5所示),而此時(shí)設備自身的冷卻系統已達到滿(mǎn)負荷狀態(tài),無(wú)法使該區溫度繼續下降,通常會(huì )高出設定溫度15℃~25℃。這時(shí)若要緩解物料的過(guò)塑化問(wèn)題,必須將實(shí)際溫度降低至130℃以下,而在如此低的溫度下生產(chǎn)管材,由于物料對螺桿磨損以及扭矩的上升對設備的安全運行極為不利,而且此時(shí)物料塑化所需的熱能需要大量的機械能來(lái)轉換,這樣長(cháng)時(shí)間的擠出運轉勢必會(huì )加劇螺桿及設備傳動(dòng)系統的損壞。

 

圖5 填料對擠出工藝控制方面(工藝溫度)的影響

另一方面是填料本身對管材擠出設備的磨損。一般,各礦物性填料的莫氏硬度為2.5~3,即便是硬度低于鋼材的填料,其尖角也會(huì )對設備有影響。從機筒抽真空處觀(guān)察到的塑化情況與螺桿扭矩曲線(xiàn)上表現出的塑化情況對比發(fā)現,粒徑大小以及粒徑分布均勻程度直接影響混料的塑化時(shí)間和螺桿扭矩的變化,甚至顆粒大小、分布和形狀相同的填料,若硬度較高,對料筒、螺桿、混料機槳葉,甚至是模具都會(huì )有較大的磨損。 

綜上所述,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,填料增加后的情況:試樣0#~4#的液壓實(shí)驗時(shí)間從23min~60min不等。試樣0#~3#主要是剪切熱大,物料有過(guò)塑化現象,均出現了韌性變形:試樣0#的液壓時(shí)間為23min,此時(shí)物料并未出現塑化過(guò)度的現象,但存在螺槽中物料填充不足的現象;試樣1#降低了主機速度,由于塑化效果不充分,出現了脆爆現象;試樣2#的機身2區和機頭2區溫度比1#高5℃,雖進(jìn)一步改善了塑化效果,大大延長(cháng)了液壓實(shí)驗時(shí)間,但仍然達不到國標要求。這4次工藝調整使得物料的塑化狀態(tài)逐漸由條狀轉變?yōu)樾鯛?,扭矩值和熔體壓力也逐漸恢復到原有水平,液壓實(shí)驗逐漸好轉,但仍然達不到質(zhì)量標準要求。這樣我們對試樣4#的滑劑種類(lèi)進(jìn)行了調整,適當的增加了內潤滑劑的比例,對比發(fā)現該試樣有效提高了填料的分散性,改善了塑化效果,而且所獲得的混料電流值最高,液壓實(shí)驗性能最好。

 

圖6 液壓實(shí)驗對比圖

解決方案 

一般,可以通過(guò)提高管材的擠出速度和增加模具壓縮段的壓力來(lái)提高離模膨脹率,從而使管材的壁厚達到標準范圍。通過(guò)降低真空箱的真空度可以將管材的外徑維持在標準的范圍內,如果仍無(wú)法達到預期的目的,那么就必須通過(guò)更換定型模具來(lái)解決該問(wèn)題。 

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,可以通過(guò)降低管材的擠出速度或喂料量來(lái)緩解高扭矩和高摩擦熱的問(wèn)題,但隨之而來(lái)的是設備產(chǎn)能的下降和單位管材能耗的增加,不利于管材穩定高效的生產(chǎn)。在增加填料的同時(shí),應盡可能地將扭矩值和熔體壓力保持在原有水平:一方面,可適當調整工藝溫度。但這通常要降低機身溫度,適當提高模具以及合流芯的溫度,以減少物料在機身部分的受熱程度,緩解過(guò)塑化問(wèn)題。另一方面,要改進(jìn)管材生產(chǎn)的整個(gè)生產(chǎn)流程源頭,即調整配方組份。調整配方組份其實(shí)主要是指調整配方中的潤滑體系,使其最終達到潤滑平衡的狀態(tài)。 

在生產(chǎn)PVC硬管時(shí),所需的熱量來(lái)自管材擠出機的外部加熱和物料與物料、物料與螺桿和料筒之間的剪切摩擦,后者是主要的供熱源。由于混料在加工時(shí)受到一定的剪切力會(huì )產(chǎn)生大量的剪切熱,這就要求混料配方具有控制塑化速率及熔體粘度的特性。雖然潤滑劑對混料的影響不大,但潤滑劑可調節物料分子之間的作用力和物料與機械表面的摩擦力,其中內潤滑劑能促進(jìn)塑化并降低塑化扭矩,而外潤滑劑可延遲塑化并防止樹(shù)脂熔體粘附在加工設備的金屬表面??赏ㄟ^(guò)調整內外潤滑劑的比例來(lái)調控樹(shù)脂混合物的塑化時(shí)間,以滿(mǎn)足特定加工設備及工藝所要求的塑化速率。

表 各配方的配比情況 

在管材生產(chǎn)的過(guò)程控制中,需要結合干混料的性能檢測結果對配方中的潤滑體系進(jìn)行調配。調配主要以硬脂酸、石蠟和改質(zhì)劑為主,保證混料電流值趨于偏中下水平,混料時(shí)間必須達到8min以上,表觀(guān)密度達到0.64。在工藝調試過(guò)程中,并不調整工藝溫度,而是增加喂料量,提高物料的剪切、混煉效果,從而增加管材的密實(shí)度,改善液壓實(shí)驗性能。隨著(zhù)擠出工藝溫度控制逐步下降,接下來(lái)應盡可能下調工藝溫度,包括機頭溫度的控制。若調試過(guò)程中管材擠出速度變大,出現韌性變形的次數越頻繁,說(shuō)明調整不適宜,干混料的加工性能欠缺。 

如果加工設備的剪切力過(guò)大,生成的摩擦熱過(guò)多,在加工較易分解的樹(shù)脂時(shí)就必須降低加工溫度,以避免樹(shù)脂內部局部過(guò)熱而造成熱分解。由于樹(shù)脂都是熱的不良導體,單靠降低加熱溫度來(lái)調節很有限,最可靠的方法是降低樹(shù)脂粘度,從根本上減少摩擦熱。這時(shí),可適當地按比例增加內、外潤滑劑用量來(lái)降低樹(shù)脂的熔體粘度,使潤滑體系能適應特定的加工設備及工藝的要求。反之,加工設備的剪切力較小,則應適當減少內、外潤滑劑的用量。

PVC管材生產(chǎn)設備信息http://www.minshigroup.cn/Product/6810424459.html

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