【技術(shù)分析】碳酸鈣填料對PVC管材生產(chǎn)的影響及解決方法

　　微粉網(wǎng)訊：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)揮著重要的作用，而且會(huì)對PVC管材生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生很大的影響。因此，填料增加后應(yīng)及時(shí)調(diào)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。

　　填料又稱填充劑，是一類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，提高了樹脂的利用率，同時(shí)也擴(kuò)大了樹脂的應(yīng)用范圍，而且一些填料的應(yīng)用還可賦予或提高管制品某些特定的性能，如尺寸穩(wěn)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(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度。

　　本文以采用了碳酸鈣填料的、用于110規(guī)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6項(xiàng)測試實(shí)驗(yàn)來討論在管材生產(chǎn)過程中填料是如何影響PVC管材生產(chǎn)的，并就其中出現(xiàn)的各種問題提出了相應(yīng)的解決方案。

　　填料對PVC管材生產(chǎn)的影響

　　一、混料工藝

　　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(dāng)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(nèi)，配方中的外潤滑劑開始溶解，發(fā)揮潤滑作用，從而使電流保持在一定范圍內(nèi)。隨著混料溫度不斷升高，混料電流呈現(xiàn)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(dǎo)熱系數(shù)，從而極大地降低了物料與混料機(jī)槳葉之間的摩擦熱，并同時(shí)降低了馬達(dá)的負(fù)載，導(dǎo)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22%左右。這也與混料電流下降相對應(yīng)，當(dāng)電流值為67～76 A時(shí)，混料電流處于一個(gè)較低的曲線，而增加改質(zhì)劑后，降低了物料混合過程中的摩擦熱，同時(shí)由于高混鍋排料溫度的升高，延長了混料時(shí)間，從而為配方中各組分提供了充分的混合時(shí)間，顯著提高了PVC樹脂的包覆效果和干混料的混合均勻性。

　　
　　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密度的影響示意圖。從圖中可以看出，填料的增加對表觀密度的影響很小，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，所以在混料過程中由于CaCO3的加入降低了PVC顆粒之間、PVC顆粒與機(jī)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(xiàn)象越明顯。

　　
　　圖3填料對干混料表觀密度的影響

　　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。

　　二、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。當(dāng)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，延長了塑化時(shí)間，但可有效提高PVC管材的剛性。填料加量過多則會(huì)提高物料的粘性，平衡轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之升高。

　　研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，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(xiàn)了偏大的問題，并同時(shí)伴隨著壁厚尺寸出現(xiàn)誤差等問題。這是因?yàn)樘盍项w粒的加入限制了PVC分子鏈的旋轉(zhuǎn)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程中，收縮比例減小，從而導(dǎo)致管坯的壁厚有所減小，出現(xiàn)壁厚達(dá)不到原有標(biāo)準(zhǔn)，甚至低于標(biāo)準(zhǔn)下限的現(xiàn)象。

　　
　　圖4填料對扭矩和熔體壓力的影響

　　三、管材擠出設(shè)備

　　填料含量的增加對擠出工藝的要求大為不同。隨著填料含量的增加，在擠出過程中物料的扭矩值增大，導(dǎo)致在原有的擠出工藝條件下管材生產(chǎn)出現(xiàn)過塑化問題，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，隨著填料含量的增加，扭矩值和熔體壓力呈逐步上升趨勢。隨著填料含量的增加，螺桿中物料的密度也隨之增大，使得物料在擠壓、剪切過程中的摩擦力增加，摩擦熱因此急劇增加，從而導(dǎo)致螺桿、機(jī)筒4區(qū)（均化擠出段）的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)定溫度（如圖5所示），而此時(shí)設(shè)備自身的冷卻系統(tǒng)已達(dá)到滿負(fù)荷狀態(tài)，無法使該區(qū)溫度繼續(xù)下降，通常會(huì)高出設(shè)定溫度15℃～25℃。這時(shí)若要緩解物料的過塑化問題，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(shè)備的安全運(yùn)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(jī)械能來轉(zhuǎn)換，這樣長時(shí)間的擠出運(yùn)轉(zhuǎn)勢必會(huì)加劇螺桿及設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)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(shè)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(shè)備有影響。從機(jī)筒抽真空處觀察到的塑化情況與螺桿扭矩曲線上表現(xiàn)出的塑化情況對比發(fā)現(xiàn)，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(jī)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)過程中，填料增加后的情況：試樣0#～4#的液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)間從23min～60min不等。試樣0#～3#主要是剪切熱大，物料有過塑化現(xiàn)象，均出現(xiàn)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(xiàn)塑化過度的現(xiàn)象，但存在螺槽中物料填充不足的現(xiàn)象；試樣1#降低了主機(jī)速度，由于塑化效果不充分，出現(xiàn)了脆爆現(xiàn)象；試樣2#的機(jī)身2區(qū)和機(jī)頭2區(qū)溫度比1#高5℃，雖進(jìn)一步改善了塑化效果，大大延長了液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)間，但仍然達(dá)不到國標(biāo)要求。這4次工藝調(diào)整使得物料的塑化狀態(tài)逐漸由條狀轉(zhuǎn)變?yōu)樾鯛睿ぞ刂岛腿垠w壓力也逐漸恢復(fù)到原有水平，液壓實(shí)驗(yàn)逐漸好轉(zhuǎn)，但仍然達(dá)不到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。這樣我們對試樣4#的滑劑種類進(jìn)行了調(diào)整，適當(dāng)?shù)脑黾恿藘?nèi)潤滑劑的比例，對比發(fā)現(xiàn)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(yàn)性能最好。

　　
　　圖6液壓實(shí)驗(yàn)對比圖

　　解決方案

　　一般，可以通過提高管材的擠出速度和增加模具壓縮段的壓力來提高離模膨脹率，從而使管材的壁厚達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍。通過降低真空箱的真空度可以將管材的外徑維持在標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，如果仍無法達(dá)到預(yù)期的目的，那么就必須通過更換定型模具來解決該問題。

　　在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可以通過降低管材的擠出速度或喂料量來緩解高扭矩和高摩擦熱的問題，但隨之而來的是設(shè)備產(chǎn)能的下降和單位管材能耗的增加，不利于管材穩(wěn)定高效的生產(chǎn)。在增加填料的同時(shí)，應(yīng)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(dāng)調(diào)整工藝溫度。但這通常要降低機(jī)身溫度，適當(dāng)提高模具以及合流芯的溫度，以減少物料在機(jī)身部分的受熱程度，緩解過塑化問題。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(diào)整配方組份。調(diào)整配方組份其實(shí)主要是指調(diào)整配方中的潤滑體系，使其最終達(dá)到潤滑平衡的狀態(tài)。

　　在生產(chǎn)PVC硬管時(shí)，所需的熱量來自管材擠出機(jī)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(diào)節(jié)物料分子之間的作用力和物料與機(jī)械表面的摩擦力，其中內(nèi)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脂熔體粘附在加工設(shè)備的金屬表面。可通過調(diào)整內(nèi)外潤滑劑的比例來調(diào)控樹脂混合物的塑化時(shí)間，以滿足特定加工設(shè)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)的過程控制中，需要結(jié)合干混料的性能檢測結(jié)果對配方中的潤滑體系進(jìn)行調(diào)配。調(diào)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(dá)到8min以上，表觀密度達(dá)到0.64。在工藝調(diào)試過程中，并不調(diào)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(yàn)性能。隨著擠出工藝溫度控制逐步下降，接下來應(yīng)盡可能下調(diào)工藝溫度，包括機(jī)頭溫度的控制。若調(diào)試過程中管材擠出速度變大，出現(xiàn)韌性變形的次數(shù)越頻繁，說明調(diào)整不適宜，干混料的加工性能欠缺。

　　如果加工設(shè)備的剪切力過大，生成的摩擦熱過多，在加工較易分解的樹脂時(shí)就必須降低加工溫度，以避免樹脂內(nèi)部局部過熱而造成熱分解。由于樹脂都是熱的不良導(dǎo)體，單靠降低加熱溫度來調(diào)節(jié)很有限，最可靠的方法是降低樹脂粘度，從根本上減少摩擦熱。這時(shí)，可適當(dāng)?shù)匕幢壤黾觾?nèi)、外潤滑劑用量來降低樹脂的熔體粘度，使?jié)櫥w系能適應(yīng)特定的加工設(shè)備及工藝的要求。反之，加工設(shè)備的剪切力較小，則應(yīng)適當(dāng)減少內(nèi)、外潤滑劑的用量。