PVC－U 給水管材耐壓性能影響因素研究

楊成德

（新疆天業節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

（新疆天業節水灌溉股份有限公司，新疆832000）

從原輔料、混配料、設備與模具、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，并在生產實踐過程中通過一系列配方和工藝試驗予以驗證。

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的硬聚氯乙烯（PVC-U）管材，與傳統的金屬管材，水泥管材及其他聚烯烴類管材相比，具有耐腐蝕、質量輕、水流阻力小、力學強度好、環保衛生、施工方便、性價比高、使用壽命長（非不可抗力破壞，正常使用50年以上）等優點，已在城市給排水、人飲工程、建筑給排水、農業節水灌溉、水產養殖、綠化，高爾夫球場工程等許多領域中得到廣泛應用。按現行PVC-U給水管國標GB/T10002.1-2006，管材的耐壓性能成為一項十分重要的性能指標，影響管材的耐壓性能，既有機械設備方面的因素，也有原材料和配方因素，同時也要考慮加工工藝的相應調整。因此，將各方面因素加以綜合考慮分析、客觀評價，然后進行優化，才能得到成本最低、性能最優的產品。我們選擇了在上海金緯ф80/156錐形雙螺桿擠出機上進行實驗，生產ф160×4.0mm，PN0.63Mpa規格的給水管材，得到了較好的結果。

1 實驗部分

1.1 主要原輔料

PVC（SG-5型）樹脂粉，新疆天業生產；

復合穩定劑，外潤滑劑、抗沖加工改性劑、輕質碳酸鈣填料、著色劑炭黑N330等均為市購。

1.2 實驗設備

ф80/156錐形雙螺桿擠出機及擠出模頭，上海金緯管道設備制造有限公司

高速捏合機、冷卻混合機，張家港產；

1.3 實驗方法

將PVC（SG-5型）樹脂粉、復合穩定劑、外潤滑劑、抗沖加工改性劑、輕質碳酸鈣填料、炭黑N330等按一定的比例在捏合機中捏合，在ф80/156錐形雙螺桿擠出機上擠出管材。適當調整工藝溫度、主機轉速、喂料轉速、主機真空度、牽引速度、真空水箱真空度等。

2 影響因素分析

2.1 設備與模具

擠出機螺桿的設計參數，直接影響物料塑化時的背壓和塑化程度。但對于已經大眾化使用的通用擠出機，最關心的應是螺桿與機筒的間隙。間隙過大，容易引起漏料回流，勢必也就影響了塑化。

模具（機頭）設計，供料量數據和壓縮比數據十分關鍵。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用管，是不科學的做法[1]。因為對于給水管材，壁厚比農用管材增加，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定和管材密實度，保證塑化均勻，芯棒支架設計應盡可能小而光滑，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

這是一個容易忽略的因素。一般談到捏合工藝，認為只要控制捏合溫度即可。而實際上，混料與捏合，最重要的應是物料分散均勻，以及易揮發物揮發較徹底。物料分散不均勻，在擠出生產時就會出現產品性能不穩定；易揮發物揮發不徹底，擠出管材容易產生氣泡和翻料，因而也就影響了產品性能。一般建議混料溫度控制在115～135℃，混料時間在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，則加料量應控制在200KG～280KG之間建議在240KG上下）為宜。

另外，易揮發物揮發時易在高攪鍋頂蓋內側凝結，凝結量多時，形成液滴與PVC樹脂粉、輕質碳酸鈣、炭黑及其它物料凝聚成顆粒。這些顆粒在擠出生產時極易產生塑化不良的“晶點”，影響了管材的性能，液壓試驗時容易產生變形沙眼刺水，因此在原輔料投入使用前應嚴格控制其揮發份含量并保證高攪鍋頂蓋排氣裝置的暢通，預防“晶點”的產生，并對高混后的物料進行冷混至45℃以下放料，干混后的物料過旋振篩（40～60目），是確保管材質量的一個十分必要的工序。

表1 不同塑化度管材的拉伸強度和斷裂伸長率

表2 PVC—U管材溫度對壓力的折減系數

2.3 原輔材料及配方

由于原輔材料檢測只是抽樣檢測，而且根據檢測指標對原輔材料性能進行評價有一定的局限性，因此有經驗的配方人員，除了參考原輔材料檢測結果外，還進行一些額外的經驗檢驗，或上機試驗，根據試驗管材的檢驗結果，進一步確定原輔材料性能。

對于給水管材的配方設計，除了像常規產品考慮加工性能外，還須特別重視管材耐壓性能。根據塑料管材在靜液壓P作用下的受力分析，可得到壁厚受到的環向應力（拉伸強度）與外徑、壁厚的關系式（參見GB/T6111-2003）為：

式中：P—為試驗壓力，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管材在環向應力作用下的瞬時破壞壓力的 計算公式為：

式中：Pi為瞬時破壞壓力，Mpa;

從式（2）中可以看出，在管材外徑與壁厚一定的情況下，瞬時破壞壓力與瞬時拉伸強度呈正比，即拉伸強度越高，耐水壓能力越強。拉伸強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量有關外，還與管材的主機負載（機臺加工時主機電流值/主電機電流）密切相關（見表1）。因而設計一個合理的配方，并進行相應合理的配方工藝調整，使PVC管材塑化度控制在60%～65%，才能獲得好的產品性能。

同時管材的拉伸強度與環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，瞬時破壞壓力也隨環境和流體溫度升高而降低。

當環境溫度和輸水溫度不同時，應按表2（參見GB/T10002.1-2006）給出的不同溫度對壓力的折減系數（ft）修正工作壓力。用折減系數乘以公稱壓力得到最大允許工作壓力。因此為防止瞬時壓力破壞管材，即要防止0℃以下時的脆性破壞，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國家標準對PVC樹脂粉進行檢測，根據多年從事給水管生產的經驗和管材的試驗結果來看如果PVC(SG-5型)樹脂的113ml/g≤粘數≤118ml/g，0.52g/ml≤表觀密度，其余指標達到國家標準合格品要求即可，這種樹脂用來生產給水管則液壓從源頭上有了保證。有關標準中涉及不到的PVC樹脂粉的相對分子質量分布、熱穩定時間、塑化性能，以及塑化成型后的產品抗沖/拉伸性能，只能通過其他更高層次的檢測或試驗才能確立，而這些指標也是給水管材所需關注的指標[3]。

一般認為，在未建立完善的原輔料入廠檢測手段以前，使用信譽好、規模大、質量穩定的樹脂粉是必要的。

2.3.2 穩定潤滑體系

這是一個要求最高、最難量化的因素。當然，生產的管材熱穩定性好，不粘料、不變色，內外壁平整光滑，無合流線是基本要求；塑化性能好（二氯甲烷浸漬合格），加工穩定，是較高要求；流變性能好，工藝可調范圍廣，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，關鍵是如何配合。

一般情況下輕鈣份數在10份以內時，不使用內潤滑劑,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。

一般認為，在未建立完善的原輔料入廠檢測手段以前，使用信譽好、規模大、質量穩定的復合穩定劑和外潤滑劑是必要的。

2.3.3 輕質碳酸鈣

份數最好小于8份，粒徑越小，分散性越好（最好有包覆層），根據管材的生產經驗來看要求輕質碳酸鈣的沉降體積≥2.4ml/g，揮發物含量低的輕質碳酸鈣較為經濟、實用。

2.3.4 抗沖改性與加工改性體系

PVC-U管材的拉伸強度與抗沖改性劑、加工改性劑的種類和添加數量密切相關。抗沖改性劑加入量少時可以提高拉伸強度，而加入量多時則降低拉伸強度；ACR類抗沖改性劑比CPE類抗沖改性劑對拉伸強度的影響較少[4]。

對于給水PVC-U管材生產，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

調整工藝其主要效果表現為調整主機負載。在配方合理的情況下，調整工藝溫度、螺桿轉速、喂料轉速等工藝參數具體來講螺桿轉速控制在最高轉速的60～65%如最高轉速為35rpm的則實際生產轉速在21～23rpm左右，同時喂料轉速與之匹配保證主機負載在65～75%左右，最終實現控制PVC-U管材的塑化度在60～65%范圍[5]。管材塑化程度，可通過擠出機和模頭工藝溫度輔助調節，螺桿轉速和喂料轉速的匹配與配方的流變性能相對應，否則影響塑化。特別注意擠出機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物引起的PVC-U管材制品截面出現氣泡，進而影響產品的物理力學性能。

另外，正常配方、正常工藝參數條件下，剛開機時的產品性能與正常生產時的產品性能也存在較大差異，因而要注意調整開機時的工藝參數，待生產正常后再調回正常工藝參數。

3 結論

影響PVC-U給水管耐壓的因素，包括設備與模具、原材料與配方、混料與捏合、擠出工藝等方面的多個細節。在配方合理的情況下，調整機臺工藝參數，使管材主機負載控制在60～65%范圍內，可獲得較好的產品耐壓性能。

[1]喬輝等譯[美著]．聚氯乙烯手冊．北京：化學工業出版社，2008

[2]王貴斌主編．硬質聚氯乙烯制品及工藝．北京：化學工業出版社，2008

[3]劉芳，李杰．聚氯乙烯塑料助劑與配方設計技術．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：化學工業出版社，2001

[5]藍鳳祥等編著．聚氯乙烯生產與加工應用手冊.北京：化學工業出版社，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～）男研究生學歷，從事PVC管材、滴灌帶、PE管材方面的配方及生產工藝方面的設計和研究。