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PVC-U管材加工工藝及應用

 摘 要:通過分析溫度對PVC-U管材生產應用的影響,說明溫度對PVC-U管材的重要性,并和實際生產中的一些現象聯系起來,希望對實際生產人員能有一定的參考作用。
關鍵詞:溫度,擠出,定徑,擴口

    溫度對PVC-U塑料管材的影響體現在PVC-U塑料管材的整個生命周期中,從生產加工,產品貯存到使用,溫度的不同直接決定了管材的使用壽命和使用強度。下面從塑料受溫度的影響原理來說明溫度對塑料管材的影響。
    塑料制品是高分子聚合物,隨溫度的不同會呈現出玻璃態、高彈態和粘流態三種狀態(這三種狀態是不同于低分子物質的,低分子物質三態是固、液、氣三態分明),由于高分子物質的分子量分布和分散,所以三態之間相互轉化時不是一個非常明確的溫度值,而是一個比較寬溫度范圍(低分子物質三態轉化有比較精確的熔點、沸點)。玻璃態下的塑料具有一定的強度,在常溫下多數塑料處于玻璃態,我們通常是在這個溫度下應用各種塑料;高彈態下,高聚物分子可以相對容易的伸展,塑料具有很好的彈性,可以進行一些簡單的后成形加工(如擴口、彎曲);在粘流態時,高聚物分子具有相對良好的流動性,可以進行復雜的加工如:擠出,注塑等等。
    在我們的PVC-U管材擠出生產中,由于溫度的不同,物料三態的變化為:在擠出機中,物料在螺桿末端(計量段)應達到粘流態,在機頭中呈粘流態;離開口模后漸呈高彈態,接觸定徑套后,在表層迅速降溫,溫度降至玻璃化溫度以下,冷卻的部分表現出玻璃態,保持一定的形狀,然后逐漸冷卻,直至管材整體呈玻璃態;擴口工序,對管材加熱,使擴口部分處于高彈態,利用它的彈性可以使模具輕松進入,并且管材不受損傷,然后加壓冷卻至玻璃態定型。
    在整個生產過程中,只有熔溫是直接測量物料溫度,所以熔溫反映的是物料的真實溫度,而其它工序的各個溫度只是通過設備溫度間接的反映物料溫度(擠出機機身、機頭、加熱爐),溫度顯示值和物料溫度存在一定的偏差。

1、混料
    混料過程分為熱混和冷混,熱混主要是使配方中各組分充分的進行物理混合,使其分散均勻,并排出其中的水蒸氣。熱混終止溫度設置一般在110攝氏度以上,熱量來源是靠高速混合機的高速旋轉帶動物料高速運動, 物料與鍋壁和攪拌槳摩擦生熱,物料之間的摩擦生熱,使溫度上升。這個過程的溫度設置主要考慮不要使用樹脂分解,水分充分氣化揮發,潤滑劑類物質能夠熔化并分散均勻。熱混結束后,將物料排入冷混機中降溫,當溫度降到40攝氏度左右時將物料排出,如果沒有這個冷卻過程,熱的物料堆積在一起,熱量散發不出去,會造成物料過熱分解。

2、擠出
    擠出過程中涉及到溫度的地方主要有機身和機頭,在機身和機頭部位,主要是吸熱,具體的熱量來源是,機身部位的摩擦熱和外加熱,機頭部位的外加熱。在擠出過程中,吸熱過程與溫度高低和受熱時間有很大關系。
    機身主要包括螺桿和機筒。螺桿通常分為三段,加料段、塑化段和計量段。
    加料段:在喂料口位置,防止物料架橋通有冷卻水;根據固體輸送理論,為了實現大擠出量,要求螺桿有較大的輸送能力,螺桿溫度不宜高,現在的設備多數沒有螺桿溫度控制,螺桿只能靠不同部位之間的熱傳導和摩擦熱來調節溫度;即使機筒溫度設的高,也只是反映機筒溫度,而不是物料的實際溫度。
    塑化段:通過吸收各種熱量物料溫度上升,溫度達到潤滑劑熔點以上,潤滑劑熔化后會有一定的粘連作用,物料形成一種非常疏松的塊狀物,在物料經過真空抽吸孔時,靠負壓脫出其中的水分、揮發分,如果溫度高(確切的應當是吸熱量太多),物料將變成一種堅實的塊狀物,則水分、揮發分將被包覆在塊狀物內部,不能靠負壓脫出。若溫度低(確切的說應當是吸熱量不足),其中的水分、揮發分不能充分氣化排出,粉狀的物料也將從真空孔被吸出,堵塞抽真空管道。
    計量段:物料將逐漸壓實,并建立壓力,以克服機頭阻力,摩擦熱將成為主要的熱量來源,在此階段物料已不需要大量吸熱,物料常常需要向外散熱。機筒可以借助外設風機散熱,所以機筒散熱是最簡單且有效的;而螺桿的散熱問題則不易解決,因為無論是控溫外循環油散熱還是利用熱管技術的內冷散熱,都因螺桿的內部散熱面積小,而制約了其散熱功效,尤其在高速生產時,摩擦熱大,產生的熱量散不出去,會造成料溫太高,影響管材內壁成形和物理性能。
    熔溫是一個非常重要的工藝參數,熔溫在擠出機與機頭的連接體處測量,熔溫受擠出機中計量段的溫度影響非常大,通常通過調節計量段的溫度來控制熔溫。測量熔溫的熱電偶直接與物料接觸,所以,熔溫反映的是物料的實際溫度。
    機頭主要是使物料塑化的更加均勻,使物料壓得更加密實,使物料由不規則流動變成規則的直線流動,并形成制品的形狀。機頭主要分為芯子和機頭體,由于物料在機頭的停留時間較長,所以溫度不宜高。機頭的溫度、壓力、口模長度直接影響著合料線的情況和產品的性能。
    在擠出過程中,由于擠出機的轉數不同,當轉數高時,在機筒部位的摩擦熱量高,由于擠出速度快,物料在機頭中的停留時間短,機頭區的溫度可以適當的設高一點;當轉數比較低時,物料在機頭中的停留時間長,機頭的溫度應當比轉數高時低一點。

3、定徑
    物料離開口模后,進入定徑套,在冷卻水和真空的作用下定徑,對于薄壁管材,由于管壁比較薄,所以內、外壁溫差小,冷卻造成的內應力還不大;對于厚壁管材,內外壁溫差大,造成的內應力要大的多。并且壁越厚,內應力越大,較大的內應力將影響管材的性能。所以對于厚壁管材由于冷卻時間長,內外壁的溫差大,為防止造成太大的內應力,定徑箱和噴淋箱之間應當有一定的間距,使冷卻的外壁溫度能夠回升一點,然后再逐漸冷卻。
    熱的管坯以一定的速度離開口模,牽引機以一定的速度牽引管坯進入定徑套,這兩個速度是不完全相同的,一般是牽引速度稍大。由于熱的管坯離開口模時有一定的軸向分子取向,對于薄壁管材,管坯進入定徑套后,迅速冷卻,取向的分子鏈段被凍結,會產生較大的內應力,影響管材的性能。對于厚壁管材,進入定徑套后,只有靠近表層的分子鏈段被凍結,深層的屬于緩冷,取向的分子鏈段可以在熱的狀態下自由運動,降低軸向取向度。具體表現是管材的縱向回縮率在生產薄壁管材時,不易合格,厚壁管材則沒有問題。

4、擴口
    擴口過程是對已成形管材的后加工處理,所以應該在管材受熱后,處于高彈態時進行加工。溫度高時,由于塑料處于粘流態,不能承受大的變形,在擴口變形時會發生破裂現象。溫度低時,會出現發白現象。
    在連續生產時,由于擴口模具不能有效的降溫,而生產中冷卻時間又不能延長,會造成冷卻不充分(尤其是厚壁管材),在擴口完成后,尚未完全降至玻璃化溫度以下,在放置時,由于重力(或受擠壓)作用,溫度高的部位會繼續發生變形,容易造成擴口部位不圓。
    而在剛開始生產時,由于模具溫度還很低(預熱不充分),當模具與管材內壁接觸時,管材內壁溫度下降,當低于玻璃化溫度時,管材不能輕松發生形變,會發生墩管現象。
    對于大口徑管材的擴口,是水冷定型,模具上容易附有水珠,管材內壁接觸水后降溫,但由于大口徑管材一般壁比較厚,挺度比較好,不會發生墩管現象,但大口徑管材的擴口平直部位常常會發白;小口徑管材擴口是風冷定型,模具溫度常常會比較高,當剛開始生產時,模具溫度比較低,小口徑管材壁比較薄,挺度比較差,容易發生墩管。

5、貯存
    管材在貯存時,應當遠離熱源,避免曝曬。尤其在夏季,地表溫度可達50攝氏度以上,由于塑料的蠕變與溫度和力有關,所以放在下層的管材容易變形(不能自己恢復),造成安裝困難。如果在高溫下時間太長,也會使管材發生降解、變色。

6、應用
    塑料管材與金屬管材有很大的區別,使用時受溫度影響很大,我們通常所說的管材多少Kg/cm2,或公稱壓力均是指在20攝氏度條件下,溫度高時,則應當降低管材的使用壓力或減少其使用年限。
一般規定管材的最高應用溫度不高于其維卡軟化溫度減去25攝氏度,我國的國家標準GB/T10002.1-1996規定使用溫度在0~45攝氏度,但在高于20攝氏度應用時,要按一定折減系數來計算最高應用壓力。


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