PVC制品的生产工艺讲座1.doc
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1、PVC制品的生产工艺讲座主讲人:衡水天星助剂有限公司教授级总工程师刘工本讲义共分为六个部分来阐述:第一部分:原材料的物理性能和化学性能及其在物料中的作用;第二部分:PVC的配方;第三部分:混料机的简易构造和混料工艺;第四部分:挤出机的简易构造和挤出机的工艺操作;第五部分:模具(主要讲管材模具);第六部分:产品制作全过程的质量控制。第一部分 原材料我们这里所讲的原材料主要是指高分子聚氯乙烯及相关的材料。世界上通用的五大塑料:聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯及工程塑料当中,聚氯乙烯占使用量的第二位,聚氯乙烯和其他的材料不同,其它的高分子材料都是成型的材料,不用配制任何配方就可以直接加工使用。但是
2、聚氯乙烯不同,它是由十几种或二十几种不同的原料搭配而成的,因此在聚氯乙烯的加工当中,技术是最难的,需要对构成它的每一种原材料都有深入的了解,才能给出合适的配方,做出好的产品。PVC是聚氯乙烯的英文缩写,由其加工而成的制品叫PVC塑料,原料就是PVC树脂。PVC树脂是PVC制品的主要材料,是一种白色粉末。PVC树脂有很多优点,比如:强度大、硬度高、不怕酸碱、电绝缘性能优良等,价格还很便宜。但是它自身也存在很多的缺陷,我们这里主要就是讲它的缺陷,通过对它的缺陷的了解,以及对缺陷的改造,就形成了配方。下面我们就讲一下PVC树脂的自身缺陷:第一个缺陷:光、热、氧的稳定性极差PVC树脂由于分子结构的不同
3、,所造成的不稳定,主要是支链上的氯原子是不稳定的。PVC在热的方面非常敏感,纯PVC树脂在90时就会轻微降解,在120时会加速降解,而在140的时候就加剧分解了,140以后长期受热就变成焦炭了。PVC树脂的降解过程可以从它的颜色变化中明显分辨出来,从正常时的白色到轻微降解时变成浅黄色,然后到深黄色、浅红色、中红色、灰色,一直到最后形成黑色的焦炭,颜色变化很明显。所以说PVC树脂的热稳定性极差,纯粹的PVC树脂是不能加工的,必须添加热稳定剂才能加工。另外,PVC树脂在加工过程中受到热和氧的攻击也会产生降解,所以在加工时要加入一定量的抗氧剂,以防止其降解。而且有很多PVC制品是在室外使用的,PVC
4、在受到紫外线的照射以后,会产生老化现象,对PVC制品的性能有很强的破坏能力。所以在PVC制品的加工过程中还要加入光稳定剂(紫外线吸收剂),以防止紫外线对产品的老化和破坏。总的来说,PVC在加工过程中,必须添加热稳定剂和抗氧剂,室外使用的制品还必须添加光稳定剂。一般来说,热稳定剂的加入量为4-5份,抗氧剂的加入量为0.4%-0.5%。第二个缺陷:熔体粘度高,不利加工PVC在加工过程中,熔体粘度过高,不利于加工。第三个缺陷:流动性差,塑化能力差第四个缺陷:抗冲击性能差纯的PVC树脂是没有使用价值的,因为它本身存在着抗冲击性能特别差的缺陷,而且温度越低,抗冲击性能越差。PVC树脂还有一些小的缺陷,总
5、的来说主要有以上四个缺陷,不利于PVC制品的生产和使用。但是PVC树脂也具有一个特性,使得它能够对它自身的缺陷进行改性,以达到更好的使用。PVC的这个特性就是:它能够和其它原材料共混,吸收不同物质的性能对自身缺陷进行改性。这是其它原材料所不具备的,这是它最大的优点。由于它的这一特性,我们就可以通过不同的物质与其共混,以达到改性的目的。而我们对PVC树脂的缺陷的改性的过程,添加不同的原料,就形成了配方。第二部分 PVC的配方1 热稳定剂热稳定剂总的可以分为六种,第一类:铅盐单体稳定剂;第二类:金属皂稳定剂;第三类:有机锡(锑)稳定剂;第四类:复合铅盐稳定剂;第五类:稀土复合铅稳定剂;第六类:无毒
6、钙锌稳定剂。我们管材所用的稳定剂基本上是复合铅稳定剂,它是把铅盐单体稳定剂和金属皂稳定剂以及其它一些稳定剂混合以后添加一定量的润滑剂,具备多种功能。管材所用的稳定剂还有一种,那就是无毒钙锌稳定剂,由于一些管材需要输送饮用水,所以必须使用无毒的、重金属不超标的稳定剂,无毒钙锌稳定剂就符合这种管材。下面就六大类稳定剂分别讲一下它主要组成部分。1.1铅盐单体稳定剂三盐基硫酸铅 氧化铅含量 88%90% 热稳定效果最好二盐基亚硫酸铅 氧化铅含量 89%91% 热稳定剂效果其次,但耐紫外线二盐基硬脂酸铅 氧化铅含量 50%1 润滑性特别好 熔点2601.2 金属皂稳定剂硬脂酸铅 氧化铅含量27%0.5
7、热稳定效果突出,润滑性突出(外润滑剂)硬脂酸锌 氧化锌含量 12.5%0.5 突出的增白效果,但使用量不能超过0.6%,使用量过大会产生“锌烧”的现象,产品表面会出现黑灰色,也是一种外润滑剂。硬脂酸钡 钡含量19.5%0.5 在管材中很常见,有突出的长期的热稳定效果,还是一种突出的后期外润滑剂,对大口径管材的润滑有很好的效果。硬脂酸钙 钙含量6.5%0.5 热稳定性一般,但具有突出的内润滑效果,可促进塑化,使用量有限制不大于0.6%,因为它长期受热会使产品发红,使用量过多也会使得制品发红。硬脂酸铬 不推荐使用,因其有剧毒。1.3 有机锡(锑)稳定剂有机锡稳定剂也不推荐使用,因为它的稳定效果不是
8、很好,需要配合其他的稳定剂一起使用。而且它还有两个缺陷,不利于使用,一是它具有很强烈的刺激性气味,不利于操作;二是它的价格很高,对生产成本的控制不利。而且有机锡稳定剂还有一个更重要的特点,它能够和铅盐起化学反应,使产品变成黑灰色。所以当设备已经使用过铅盐稳定剂以后,就不能再更换使用有机锡稳定剂;如果已经使用了有机锡稳定剂,也不能再更换使用复合铅盐稳定剂。回收料的使用要注意,不能让两种稳定剂混用,会对设备有损害。有机锡稳定剂在我国不太常用,占使用量的1%2%。1.4 复合铅盐稳定剂复合铅盐稳定剂是目前使用量最大的一种稳定剂,占总使用量的90%以上。铅盐单稳定剂在生产、配料、混料的过程中,会产生大
9、量的有毒的铅,很容易使操作人员铅中毒,或者发生铅污染,而且制作铅盐单体稳定剂需要的工作量很大,因此,把铅盐单体稳定剂和金属皂稳定剂以及其他的辅助材料混合在一起压成片状,这样既降低了人员的工作量,又能防止发生铅中毒和铅污染,用这种方法制成的稳定剂就叫复合铅盐稳定剂。复合铅盐稳定剂是一种多功能的稳定剂,它是由三盐、二盐硫酸铅还有二盐硬脂酸铅、硬脂酸铅、硬脂酸钙、硬脂酸钡等多种材料复合而成。由于PVC是酸性物质,在加工过程中不可避免地会释放出氯气,氯气在空气中很容易产生氯化氢(HCl),氯化氢是强酸,它对PVC树脂有促进和催化降解的作用。对于复合铅盐稳定剂中的铅盐单体稳定剂而言,它在复合铅盐稳定剂中
10、的作用主要就是捕捉和吸收PVC树脂在加工过程中产生的HCl分子,抑制氯化氢对PVC的催化降解。而复合铅盐稳定剂中加入金属皂稳定剂,是为了置换PVC树脂分子链上不稳定的氯原子,以抑制PVC的降解。有机辅助热稳定剂如环氧大豆油、亚硫酸酯等,作用是鳌合有害的重金属化合物,防止其对PVC树脂的催化降解。在复合铅盐稳定剂中,还要加入抗氧剂,目的是为了终止自由基的发生,防止链式反应,而对PVC树脂最有效的抗氧剂是1076和双酚A抗氧剂。总的来说,好的复合稳定剂至少应该具备以上四种功能,如果只有两种或者三种功能的复合铅盐稳定剂是不合格的。另外,不同厂家生产的复合铅盐稳定剂,由于配方不同,流变行为不同,热稳定
11、效果不同,所生产的产品质量也会不同。所以,作为复合铅盐稳定剂的生产厂家,应该为其售出的产品做跟踪技术指导和售后服务,对其产品的使用量、氧化铅含量、润滑剂的含量都应该做出说明。1.5 稀土复合稳定剂稀土作为我国所特有的一种稀有资源,其含量占世界的85%以上,主要产地在包头和云南。在元素周期表上从57到62号的镧系元素都属于稀土元素,稀土元素非常珍贵,功能也很多,但能作为稳定剂的稀土元素只有四种:镧、铈、鐠和钕,而常用的只有镧和铈两种,因为只有镧和铈是白色的,鐠是墨绿色的,钕是粉红色的,可以作为彩色稳定剂,但是不太常用。稀土元素的功能很多,作为稳定剂,稀土稳定剂也具有其它稳定剂所不具备的优点:1.
12、 没有毒性,可作为卫生级的稳定剂。2. 可以促进物料塑化,增加物料流动性。3. 提高产品的韧性。4. 能够包覆钙粉,提高钙粉的使用量,效果是目前世界上最好的。但是稀土稳定剂的热稳定效果不如铅盐稳定剂,而且由于稀土元素比较稀有,价格比较高,所以稀土稳定剂一般都是作为辅助材料添加到其它稳定剂中使用,以提高性能。1.6 无毒钙锌稳定剂西方国家对产品中的重金属含量,特别是有毒性的铅的含量级为重视,所以发明了无毒钙锌稳定剂。它的稳定效果不如复合铅盐稳定剂,成本也比较高。无毒钙锌稳定剂的主要成分是硬脂酸钙和硬脂酸锌,其中硬脂酸钙占五分之三,硬脂酸锌占五分之二,因稳定效果不够,再添加一些有机稳定剂如:环氧酯
13、、环氧大豆油、亚硫酸酯等,还要添加大量的抗氧剂,以提高其热稳定效果,这也使得其成本很高。无毒钙锌稳定剂的价格一般每吨在2万到2.3万左右。无毒钙锌稳定剂的添加量一般在44.5份之间,不超过5份,对我们公司来说,主要是生产给水用的饮用水管时使用。PVC树脂的第一个缺陷,光、热、氧稳定性差的改性,需要添加热稳定剂和抗氧剂,有些还需要添加光稳定剂。一般的复合稳定剂生产厂家在生产的热稳定剂中都添加有抗氧剂和光稳定剂,也有些没有添加,我们在购买和使用的时候要咨询清楚。复合铅盐稳定剂的添加量为3.85.5份。2 PVC加工助剂对于PVC树脂的第二个缺陷:熔体粘度高,不易加工的缺陷,有两种材料可以对它改性,
14、这就是PVC加工助剂。这两种材料一种是ACR,另一种是聚甲基苯乙烯。PVC加工助剂的作用是:降低PVC熔体的粘度;促进塑化;增加流动性;增加熔体强度。作为PVC加工助剂,ACR是目前国内比较常用的,大约占使用量的80%以上,聚甲基苯乙烯和ACR的功能基本一样,我们就主要讲述ACR。ACR是由甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸已酯或丁酯二元共聚而成,其中甲基丙烯酸甲酯含量为85%,丙烯酸酯为15%,这种二元共聚物才具有降低PVC熔体的粘度;促进塑化;增加流动性;增加熔体强度的作用,这就是ACR201。而现在市场上流通的所谓的ACR301、401,其实都不具备以上四种功能或者具有的功能很小,它们大多是由少量的
15、甲基丙烯酸甲酯加少量的丙烯酸酯、适量的丙烯晴以及大量的低廉的苯乙烯复合而成,根本就不能有效起到PVC的改性作用。所以我们在选择PVC加工助剂的时候,要注意检验和辨别,不要以为401就一定比201更好。PVC加工助剂ACR201的添加量在1.53份之间。3 抗冲击性改性PVC树脂本身存在着抗冲击性能特别差的缺陷,而且温度越低,抗冲击性能越差。针对这个缺陷,我们有四种材料可以改变它的缺陷:1. CPE: CPE是氯化聚乙烯的英文缩写,一般的CPE中氯含量为35%,抗冲击性能较佳,和PVC相容性最好,其添加量为78份。2. 抗冲击型ACR 这种材料目前在国内很少使用,因为国内生产的抗冲击性ACR一般
16、都是不合标准的,很难达到改性的目的。但是纯的抗冲击ACR是具有很好的抗冲击性能的,使用它9份就可以相当于12份的CPE的效果。3. MBS: MBS也是一种很好的可以改善PVC抗冲击性能差的缺陷的工程塑料,它在抗冲击改性方面的效果,比CPE更优秀,但是它也有一个缺点,那就是不能在室外使用。所以我们常常把它和CPE搭配起来使用,这样能更好的改进PVC抗冲击性能差的缺点。MBS如果单独使用,其使用量是12份,而与CPE搭配的话,则每种都需要6份。4. ABS: ABS和MBS具有同等效用,但是它的功效不如MBS,我们一般都使用MBS,这里就不对ABS做过多的介绍了。4 钙粉PVC树脂还有一个缺陷,
17、那就是它的维卡软化温度比较低,不能达到国家标准。国标规定:PVC制品的维卡软化温度要大于等于75,而PVC树脂的维卡软化温度根本达不到标准,那就需要添加碳酸钙。钙粉就是指碳酸钙的粉末,钙粉在PVC加工中有很重要的作用 ,它的主要功能有:1. 增加PVC制品的强度和刚度2. 增加制品的维卡软化温度3. 稳定PVC制品的尺寸4. 降低生产成本钙粉又分为重钙和轻钙两种,重钙是火山爆发以后产生的火山岩,通过物理方法磨成细度不同的粉末,而轻钙则是通过化学方法制备的。轻钙的PH值在89之间,而市场上流通的轻钙的PH值一般都在11以上,呈强碱性。PVC树脂是呈弱酸性的,这就使得PVC树脂和普通轻钙混合会产生
18、对抗的酸碱中和反应,从而使PVC降解。所以我们在添加钙粉时,要注意添加顺序和时间,还要对钙粉进行包覆。而包覆钙粉的物质,我们一般都使用硬脂酸,根据钙粉的细度不同,所使用的硬脂酸的用量也不同。我们在生产实践中总结了一套公式,根据钙粉的细度的不同,用来包覆它的硬脂酸的用量如表一。表1钙粉的细度与硬脂酸的添加量添加的重钙的细度(目)硬脂酸的使用量(%)添加的轻钙的细度(目)硬脂酸的使用量(%)2000.54001.24000.66001.36000.78001.48000.810001.510000.912501.612501.05 润滑体系针对PVC树脂的第四个缺陷:流动性差的特点,我们需要添加润
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