PVC管材工艺设计.doc

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1、第1章 总 论1.1 概述PVC管材作为科技发展的产物之一，在日常生活中触目可及。 聚氯乙烯(PVC)管材问世于上世纪三十年代，到五十年代已具有相当的规模，至今其产销量一直处于各种塑料管的首位。PVC管材的优异性能及显著的经济效益，使它在建筑、矿山、农田、污水排放等众多领域内广泛的应用，特别是八十年代以来，PVC管材的加工技术水平进一步提高，使各种PVC管材不断涌现，应用领域不断扩大。1.1.1 PVC管的发展历程上世纪四五十年代，欧洲人开始推广塑料管材的使用。在欧洲，1980年到1990年塑料管产量的增长率为8%，1986年欧洲塑料管总需求量为213.4万吨，1998年增长到346.5万吨，

2、年均增长率为5.2%，超过同期国民经济增长速度。到2001年，产量已达360万吨，其中PVC管材约占60%。截止到2009年底，欧洲塑料管的需求量居世界首位1。美国也是推广塑料管材较早的国家之一，1985年塑料管材的产量约为160万吨，1999年产量已达360万吨，其中PVC管材约占78%。到2009年，美国的塑料管产量已超过400万吨，其中PVC管材占总产量的75%以上。我国聚氯乙烯管道系统起步于20世纪50年代，但是在改革开放前一直和国际上有很大差距。80年代以后开始引进国外先进技术，逐步建立起UPVC管道系统的完整体系。我国第一根UPVC扩口管材是于1983年在沈阳诞生。1983年到19

3、94年，我国PVC管材、管件的发展速度极慢，其产量仅为19.5万吨；1996年的产量为24万吨，PVC管材在“九五”期间真正开始得到迅猛的发展，期间一些年生产能力在5万吨以上的工厂陆续建成投产，万吨以上生产规模的PVC管材工厂已达30多家2。规模在0.5-1万吨的厂家也有60余家。到1999年底，全国塑料管生产线约有2000余条，其中引进设备约占15%。此时，我国各种塑料管材的生产能力超过165万吨/年，而其中PVC管材占50%以上。这些生产厂家由于设备配套较齐全，技术力量较强，产品质量和管理体系也比较完善，管材、管件能够自己配套，产品质量也比较稳定。市场需求比较旺盛，这些厂家生产的管材、管件

4、占总生产量的85%以上。在过去10年中，中国塑料管市场年均增长率为13%，2000年、2002年及2003年产量分别达到75万吨、130万吨及150万吨，增长率为15%，其中PVC管材占55%以上。2004年国内管材的产量为200万吨，而PVC管道产量约达到120万吨，占各类塑料管材的首位。到2007年塑料管道的年生产能力为250万吨，到2009年，塑料管的年生产总量已达350万吨。年平均增长率在15%左右。1.1.2 PVC管材的生产现状从本世纪初开始，世界范围内PVC管材生产能力不断增强，到2000年增至3000万吨。在美国，一半以上的UPVC管道用于非压力管网，其中用量最大的品种是给水管

5、，其次是市政工程排污管、工业下水管、电工穿线管和滴灌管。在日本，UPVC管材最大应用领域是设备排水，其次是下水管、上水管等。大量的高压、无压UPVC管在工农业和化学工业中的应用是其它塑料品种所无法相比的。 目前我国塑料管的应用不仅在数量上而且在品种和规格上得到了很大发展。如PVC管材在一些城市建筑排水应用上已达到90%以上，塑料管的推广应用主要以PVC管材为主。到2005年，在全国新建、改建、扩建工程中，建筑用排水管道50%采用塑料管，城市排水管道20%采用塑料管，建筑给水、热水供应和供暖管道60%采用塑料管，城市供水管道50%采用塑料管，村镇供水管道60%采用塑料管，城市燃汽管道（中低压管）

6、50%采用塑料管，建筑电线穿线护套管80%采用塑料管。其中绝大部分为PVC管材。2008年中国塑料管市场年增长率达15%，居世界首位。2009年我国塑料管的生产能力已达380万吨。目前，中国塑管年产能力已接近400万吨。其中，PVC 管材产量最大，占据了约 70% 的管材市场份额。中国现有万吨以上年产规模的PVC管企业达30多家，年产能力达250万吨以上，年产量达120万吨以上。1.1.3 PVC管的性能特点PVC管材中，应用最广的是UPVC管。PVC-U管材是以PVC树脂为主料加入相应的加工助剂通过特定的挤出模具，在管材管壁纵向方向上均匀分布椭圆形或其他形状小孔的一种结构性管材，具有质轻、

7、消音、隔热、 并具有和同口径PVC实壁管相同的刚度等特点，主要适用于建筑排水、排污等场所。PVC-U管材重量很轻仅为金属管的1/5左右，搬运、装卸、安装方便,施工周期短；可节约施工费用。PVC管道由于其施工简易、水力条件好，在供水管网中得到了广泛应用。PVC管材有很好的力学性能，且具备极好的耐腐蚀性，使用过程中重量轻，安装方便，不需要维护，而使用钢铁作公用工程的下水管道，在使用过程中由于易腐蚀，必须经常涂敷涂料，维护费用高。一般建筑及公用工程用金属管道20年就需更换，而用加工良好的PVC管道，使用寿命长达50年以上3。因此，PVC管材是一种生产成本低、强度高、耐腐蚀的良好塑料制品。其主要特点主

8、要体现在：（1） 质量轻：塑料管的密度是铸铁管的1/5，是混凝土管的1/3，可以套装，便于运输，安装方便，施工费用与传统管相比，可降低30%-50%的费用。（2） 耐腐蚀性能好：塑料管道不需做任何防腐处理，可用做含有盐碱土的给水管道，可用于化工管道输送带有酸、碱、性质的介质。（3） 流体阻力小：塑料管道的粗糙系数0.008；铸铁管的粗糙系数是0.013，混凝土管的粗糙系数是0.014。（4） 使用寿命长：铸铁管的使用寿命为30年，塑料管的使用寿命为50年，一条塑料管道几乎等于两条铸铁管的寿命。（5） 管材卫生性能提高，PVC管材采用无铅配方环保型稳定剂进行生产，产品经中国疾病预防控制中心环境与

9、健康相关产品安全所卫生权威部门检测，卫生性能符合GBT17219-1998和卫生部颁发的生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范4。（6） 外观美观大方：UPVC排水管外观为白色、光亮平滑、美观、色泽明快、可给建筑室内环境气氛添整洁轻快的时代感。 施工简易: PVC管及管件采用溶剂性胶粘剂接驳，接合施工迅速容易，施工费用低廉。（7） 综合造价低，环保性、隔音效果好好：其造价比使用同样规格的铸铁管道系统的综合造价低20-30%。PVC 属环保产品，可回收重复利用，不会对环境造成任何污染。隔音降噪性好：具有良好的消音特性，能显著降低噪音污染。消音效果达10dB以上。1.1.4 PVC管材的发

10、展前景塑料材料作为传统材料的代替品，在20世纪初开始被大量生产和应用，进入50年代以后塑料工业在原料生产、加工、研究等方面都进入新的发展阶段，其应用领域也迅速扩大，在国民经济中与钢铁、木材、水泥一起并成为四大基础材料，被认为是推动社会生产力发展的新型材料。塑料材料不仅丰富了材料家族的品种，使人们的生活更加方便，多彩，给众多的工业产品带来了新面貌，而且在科技尖领域占有一席之地，就像发明塑料一样，人类同样可以找到解决塑料材料所存在问题的最佳途径，使它在人类日常和经济生活中发挥越来越重要的作用。塑料管材是新材料，它的市场不但随着国民经济的发展而增长，而且会由于替代传统材料而额外增长，因此国内外塑料管

11、的发展速度均超过了本国国民经济的增长速度，预计今后20年仍将快速增长。我国塑料管产业面临巨大的发展机遇，产业基础已经建立，市场需求明显扩大，技术进步在不断推进。在今后20年内，预计我国塑料管总量的年均发展速度为20%。 在综合经济性方面，塑料管的优势正在被越来越多的用户所认识。PVC管材与金属管材相比，生产每立方米PVC和生产每立方米钢及铝计算，钢的能耗为316KJ/m3，铝的能耗是619KJ/m3，PVC的能耗为70KJ/m3，即钢的能耗是PVC的4.5倍，铝的能耗是PVC的8.8倍。而生产PVC管的加工能耗也仅为同口径金属管材的三分之一。同时由于PVC管壁光滑，不结腐蚀瘤，输水效率高，用于

12、输液可节电20%左右。 一般来讲，在排污、废水和通风管道方面，PVC管道比使用铸铁管节约安装和劳务费用约16-37%；作导线管比使用金属导线套管节约费用30-33%；而作用氯化聚氯乙烯管在冷热水方面，比使用相同尺寸的铜管节约费用为23-44%。因此，由于PVC管材的优势，各国均在积极发展和推广PVC管材。随着我国住宅产业现代化的推广，塑料管材的市场前景逐渐趋好。建设部等四部委已明令规定，在城镇新建住宅中，禁止将铸铁管和冷轧镀锌钢管用于室内给排水管道，推广应用塑料复合管等新型管材。这为塑料管材发展提供了新的契机，也为塑料管材的应用领域扩大提供了良好的发展空间。我国塑料管材的发展 进入新世纪以来，

13、经济发展中有几大热点问题引起管材业内人士的高度重视：水资源匮乏、环境污染、住宅需求量逐渐扩大等。人们普遍认为，这几大经济发展的主题给塑料管材的快速发展带来了新的机遇。因此，聚氯乙烯给排水管或聚氯乙烯通风管等很快成为发展的热点产品。目前，包括各类复合管在内的聚烯烃管材生产厂已达六百余家。 经过多年努力，我国从原料、机械设备、加工和应用技术等方面都获得长足的进步。目前形成的聚乙烯塑料管材热与人们对未来市场的预期有关，也可以说主要是靠市场需求来带动的。从总体情况看，其发展前景非常好 。1.2 设计原则、依据和范围1.2.1 原则（1）本设计每一环节都遵循国家政策、法律、法令及行业规范；（2）在结合国

14、情的前提下，采用国内外先进科学技术、先进工艺、先进工艺设备，力求做到经济上合理、技术上先进、生产上安全可靠，三废处理合理；（3）采用国内现有生产的成套设备；（4）成品标准按国家标准、行业标准执行。1.2.2 依据（1）依据学校下达的设计任务书；（2）依据实习厂家的有关资料；（3）依据图书馆及网上查阅的有关资料。1.2.3 设计产量及产品规格（1）产量：3000吨/年（2）生产班组运行形式：采用四班三运转，全年开工300天。1.2.4 设计范围及深度（1）设计范围本设计生产流程是从原料的筛选输送计量捏合挤出成型成品包装。（2）设计深度扩大初步设计。第2章 原料选择及配方设计2.1 配方设计2.1

15、.1 配方设计的重要性塑料制品几乎充满了我们生活的方方面面，我们所生产的管材只是其中的一部分。但要满足其各种特殊性能要求，也不是一件简单的事情。除了要研究产品的结构设计、制造工艺外，产品的配方设计也是其中很重要的一个方面。对于管材来说，在进行配方设计之前，一定要对塑料制品所用的树脂及各种添加助剂的型号，性质有充分的认识和了解，然后再对成型加工设备和工艺条件及其适应性有足够的了解，最后对用户提出的制品性能要求及使用环境，也应充分了解。配方设计的重点是考虑助剂的类型和用量与制品使用性能之间的关系。这样才能设计出物美价廉的塑料制品。2.1.2 配方设计的依据（1）满足性能要求。在既定的配方体系和加工

16、工艺中，所加入的助剂能充分发挥其预计功效，并达到规定指标。（2）保留原有性能。在设计配方时，一定要全面考虑，尽可能不影响其他方面的性能。（3）不影响其它助剂，所加入的助剂应能不劣化或最小限定地影响其它助剂功效的发挥，最好与其它助剂有协同作用。（4）具有可加工性，所加入的助剂应能保证配方体系具有适当的可加工性能，以保证制品的成型，并对加工设备和使用环境无不良影响。（5）与树脂相容性好，所添加的助剂与树脂的相容性要好，这样才能保证助剂与树脂按设计的思路进行混合，保证设计指标的完成5。（6）环境卫生性好，具体要求为对操作者无害，对设备无害，对使用者无害，对接触环境无害。（7）不影响制品的颜色。（8）

17、价格低，来源广。2.2 原料选择2.2.1 基体树脂的选择及用量聚氯乙烯（polyvinyl chloride），简称PVC。是由液态的氯乙烯单体（VCM）经悬浮、乳液、本体或溶液法工艺聚合而成，其中悬浮工艺在世界PVC生产装置中大约占90%的比例。它是世界上产量最大的塑料产品之一，价格便宜，应用广泛，聚氯乙烯树脂多为白色或浅黄色粉末。根据不同的用途可以加入不同的添加剂，聚氯乙烯塑料可呈现不同的物理性能和力学性能。PVC树脂可以采用多种方法加工成制品，悬浮聚合的PVC树脂可以挤出成型、压延成型、注塑成型、吹塑成型、粉末成型或压塑成型。在聚氯乙烯树脂中加入适量的增塑剂，可制成多种硬质、软质和透明

18、制品6。做软制品时，一般使用PVC-SG1、PVC-SG2、PVC-SG3型，需要加人大量增塑剂。而加工硬制品时，一般不加或很少量加入增塑剂，所以用PVC-SG4、PVC-SG5、PVC-SG6、PVC-SG7、PVC-SG8型。如PVC硬管材使用SG-4树脂、塑料门窗型材使用SG-5树脂，硬质透明片材使用SG-6树脂、硬质发泡型材使用SG-7、SG-8树脂。结合本次设计的要求，聚氯乙烯管材选用SG-4树脂，用量100份。2.2.2 热稳定剂的选择及用量聚氯乙烯的热稳定性较差，只有经过热稳定处理才具有使用价值。通常采用的方法是向聚氯乙烯中添加一些热稳定剂，可以有效地抑制聚氯乙烯组成物的降解，防

19、止老化，并可以稳定配方要求的色泽、机械性能及使用性能等。理想的稳定剂应具有以下特点：（1）具有优异的热稳定性能；与聚氯乙烯相容性好，挥发性小；（2）对其他助剂稳定，不易被硫和铜污染；（3）对于不同的制品应不影响其相应的力学性能、电性能、印刷性、热焊接性、粘和性、透明性；（4）无毒、无臭、不污染，可用于食品包装材料或医用制品，符合卫生要求；（5）使用方便，价格低廉。目前PVC异型材常用稳定剂主要分为四大类：（1）盐基性铅盐类稳定剂。主要是指二盐、三盐等铅盐稳定剂。铅盐类稳定剂的优点:热稳定性优良,具有长期热稳定性,电气绝缘性能优良,耐候性好,价格低廉。铅盐类稳定剂的缺点:分散性差、毒性大、有初期

20、着色性,使制品透明性差,也难以得到色彩鲜艳的制品,缺乏润滑性,易产生硫污染。（2）金属皂类稳定剂。主要是指脂肪酸、高级脂肪酸的金属盐等。常用的金属皂类稳定剂主要有硬脂酸的镉、锌、钡、钙、镁、铝等金属盐。金属皂类稳定剂用量仅次于铅盐的第二大类主稳定剂。金属皂类稳定剂一般不单独使用,常常为金属皂类之间或与铅盐及有机锡等并用7。金属皂类稳定剂的优点：热稳定性好,兼有润滑性，价格低廉，无硫化污染,大多具有透明性，除镉、铅以外均无毒性，因而广泛用于软质PVC中。 （3）有机锡类稳定剂。其主要包括含硫有机锡和有机锡羧酸盐两类。有机锡类稳定剂为热稳定剂中最有效的,在透明和无毒制品中应用最广泛的一类稳定剂。其

21、突出优点为:高效、用量小、热稳定性好,透明性好,大多数无毒。缺点为价格高,无润滑性。有机锡类大部分为液体,只有少数为固体。可以单独使用,也常与金属皂类并用。（4）稀土复合稳定剂。稀土稳定剂是由我国开发的独特稳定剂,是一种新型热稳定剂。稀土热稳定剂的选材多为稀土氧化物和稀土氯化物为主,其氧化物和氯化物多为镧、铈、镨、钕等轻稀土元素的单一体或混合体。它的性能和特点是无毒,价格适中,用量少,热稳定效率高,透明及耐候性好,且具有独特的“偶联”性,即稀土稳定剂对PVC复合材料中各组分具有偶联作用。但稀土稳定剂一般不单独使用,通常和其他类型稳定剂复配使用,比如和钙/锌类稳定剂复配等。由于这个特点使它在加工

22、时表现为具有加工助剂及内润滑剂的特征,促进PVC树脂塑化,增加PVC韧性,在与含氧填料CaCO3等作用时起到“增容”作用。其与传统铅盐稳定剂相比，高效无毒；与有机锡、钙锌类稳定剂相比，配方成本较低。结合本次设计，热稳定剂选择硫醇锡和硬脂酸锌，用量分别为0.7份。同时硬脂酸锌又是一种润滑剂，其内、外润滑作用兼有。2.2.3 润滑剂的选择及用量润滑剂是在塑料加工中为了改善塑料,特别是热塑性塑料在加工成型时的流动性和脱模性、减少对设备的摩擦和粘附、改进制品表面的过亮度而添加的一种助剂。润滑剂依其功能可以分为内润滑剂和外润滑剂。PVC配方常用的内润滑剂有：硬脂酸丁酯、聚乙烯蜡、硬脂酸铅等；常用的外润滑

23、剂有：石蜡、聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡等。润滑剂主要影响模具、料筒、螺杆的使用寿命；挤出机的生产能力；生产过程中的能耗；制品表面的光洁度；型材的焊角强度及低温冲击性能。在具体配方设计中，润滑剂加入的原则为：尽可能少加入，控制在最低加入量上，使之达到临界润滑状态即可8。加入太多，会影响制品的塑化度。结合本设计，润滑剂选择聚乙烯蜡，用量1.0份。2.2.4 填料的选择及用量填充剂也称填料，在聚合物中主要起增容、降低成本作用，但多数填料对聚合物的物理机械性能具有一定的损害作用，这种损害作用一般是随着填充量的增加而加剧。在硬质PVC管材中添加适量的填料，目的并不全是为了增容、降低成本，也是为了提高软化温度

24、和硬度，提高管材挤出成型时的稳定性和尺寸稳定性，减少收缩率。在硬质PVC管材中使用最多的填充剂是碳酸钙。碳酸钙分为重质碳酸钙和轻质碳酸钙。通常轻质碳酸钙的粒子比重质碳酸钙细、平均粒径一般为1-3m、纯度高、杂质少，在同样用量下，填充轻质碳酸钙的制品表面的耐刻划性和应力发白等比重质碳酸钙好。此外，与重质碳酸钙相比，轻质碳酸钙具有一定的补强作用，在硬质PVC中使用超细碳酸钙可以改善冲击强度。为了进一步提高碳酸钙在PVC以及其它塑料中的分散性、补强性，降低对机械的磨损及其它性能，采用脂肪酸和各种偶联剂等表面活性剂处理碳酸钙粒子表面，可以大大提高与聚合物之间的亲和性，提高聚合物对其“润湿”能力，提高熔

25、体的流动性。本设计选择活性轻质CaCO3，用量5.0份。2.2.5 着色剂的选择及用量PVC塑料型材在使用过程中，随着时间的推移，在气候老化的作用下，塑料表面的分子发生降解。但是如果使用了有遮光作用的颜料则可以在某种程度上延迟老化过程。老化过程主要因为阳光中的紫外线，抵御紫外光对制品的损害，一是要加入能屏蔽掉紫外光的遮光剂；二是要加入能吸收紫外光的吸收剂。遮光剂中最典型的品种是钛白粉。它有两种晶型：金红石型和锐钛型。一般其表面经过特殊处理，具有优异的耐候性能、抗粉化性能和保光性能。紫外线吸收剂是指能强烈吸收紫外光并将其能量转变成无害的热能而放出的一类物质9。结合设计，着色剂选择TiO2（金红石

26、型），用量1.5份2.2.6 加工助剂的选择及用量抗冲击改性剂是一类能赋予塑料更好韧性的助剂。高分子材料改性的一个重要内容是改善其耐冲击性能，PVC树脂是硬脆性材料，抗冲击强度差，尤其是低温抗冲性能。因此PVC型材配方设计时必须考虑加入抗冲改性剂，以改善PVC树脂在这方面的性能。目前硬质PVC的冲击改性剂的主要品种有ABS、MBS、CPE、EVA、ACR、NBR等，其中CPE、EVA、ACR改性剂的分子结构中不含双键，耐侯性能好，适合做户外建筑材料。它们与PVC共混，再加上合适的稳定剂及其他助剂以及适宜的加工条件，就能有效的提高硬质PVC的抗冲击性能、加工性能及耐侯性能。CPE是高密度聚乙烯(

27、HDPE)经氯化制得的无规氯化物。通常选用氯含量35%36%的CPE作为PVC型材冲击改性剂。CPE具有优良的耐候性、耐寒性、耐燃性、耐油性、抗冲击性（CPE为弹性体）和化学稳定性，而且它与PVC有较好的相容性。但是,CPE改性效率低,加工范围窄,生产中常不稳定,制品表面光泽差;离模膨胀及热缩率较高,CPE改性效果不及ACR。 ACR（Acrylic copolymer）是具有核壳结构的丙烯酸酯类共聚物，是一种综合性能优良的PVC抗冲改性剂。通常人们把以提高塑料韧性为目的而使用的助剂称为抗冲改性剂，以改进加工性能为目的而使用的助剂称为加工改性剂。ACR是兼具抗冲击改性和加工改性双重功能的塑料助

28、剂，由于其具有核/壳结构，使其PVC制品具有优良的抗冲击性、低温韧性、与PVC相容性、耐候性、稳定性、加工性，且性能与价格比适中，可明显改善PVC熔体流动性、热变形性, 促进塑化、制品表面光洁美观。其主要用于硬、半硬聚氯乙烯制品中，特别是化学建材，如异型材、管材管件、板材、发泡材料等，而且特别适合于户外用制品中。是当今用量大也是今后重点发展的一类抗冲改性剂。 配方设计时选择抗冲改性剂的要求：与PVC有良好的相容性；玻璃化温度低；加工性应与PVC相近；对PVC的表观及物理机械性能无明显影响。因为PVC属于一种脆性材料,加工流动性越差,成型加工越困难。改进热塑性熔体的流变性，改善热弹性状态下熔体力

29、学性，提高制品的外观质量等综合功能，在加工时往往需要加人少量的加工助剂10。ACR兼有抗冲击改性剂和加工改性助剂的特点，所以本设计选择ACR作为抗冲击改性剂,用量1.5份。2.3 配方确定产品配方见表2-1。表2-1产品配方原料 份数聚氯乙烯（PVC） 100硫醇锡稳定剂 0.7硬脂酸锌 0.7聚乙烯蜡 1.0ACR 1.5碳酸钙（CaCO3） 5二氧化钛(TiO2) 1.52.4 原材料和成品的质量指标2.4.1 原材料的质量指标：原材料的质量指标见表2-2表2-2 SG-4树脂的物化性能项 目优等品一等品合格品1粘数（ml/g）(或K值)1181072杂质粒子个数/个1630903挥发物含

30、量/%0.400.450.50 4表观密度/（g/ml）0.450.420.405筛余量 0.25mm /% 0.063mm2.09.02.0908.0806鱼眼数/（个/400m2）20407100树脂的增塑剂吸收量/g20198白度（160，10min后）/%749水萃取液电导率/（S/m）10 残留氯乙烯含量/（mg/kg） 8 10 2.4.2成品的质量指标：成品的质量指标见表2-3表2-3 硬聚氯乙烯管材的物理力学性能序号项目指标1硬度，HRR 852拉伸屈服强度/MPa373断裂伸长率/% 1004弯曲弹性模量/MPa1960续表 2-3序号项目指标5维卡软化点/ 836加热后状态

31、无气泡、无裂痕7加热后尺寸变化率/%0.258氧指数/% 389高低温反复尺寸变化率/%0.2第3章 生产工艺路线与主要工艺设备的选择与论述3.1 生产工艺路线的选择与论述3.1.1 生产工艺流程设计PVC管材的生产过程一般为：PVC树脂与助剂经由高速混合机进行混合，物料经双螺杆挤出机挤出，进入冷却定型设备进行冷却处理，后使用牵引机牵引，切割机切成一定长度后扩口，最后进行捆扎包装成为成品。3.1.2 生产方法的论述生产PVC管材可采用单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。相比较而言，双螺杆挤出机具有以下优点：（1）双螺杆加料容易，混合和塑化的效果比单螺杆挤出机好。（2）双螺杆挤出机摩擦产生的热量较少、物

32、料所受的剪切较均匀、螺杆的输送能力较大，挤出量较稳定11。（3）双螺杆挤出机既可以加工粒料也可以加工粉料，物料在双螺杆挤出机内的停留时间较短，且比单螺杆挤出机有更好的自洁功能，在加工热稳定性差的塑料和共混料时更显示出其优越性。（4）双螺杆挤出机的容积效率高，排气性能优异，具有较低的功率消耗。因此本设计选用双螺杆挤出机进行挤出。3.2 主要工艺设备选择与论述3.2.1 混合设备按塑料制品成型用原料配方要求，计量后掺混在一起的PVC树脂和助剂，要借助于机械搅拌作用使其能均匀分散。常用的混和设备有：螺带式混合机、捏合机、高速混合机、开炼机、密炼机、冷混机等。目前绝大部分企业都是采用高速混合机（热混机

33、）将原料进行混合，再用低速混合机(冷混机)将混合好的物料进行冷却。高速混合机是使用极为广泛的塑料混合设备，可用于混色、制取母料、配料机共混材料的预混。普通的高速混合机由混合室、叶片、折流板、回转盖、排料装置及传动装置等组成。高速混合机工作原理：先向混合机的混合室外壁空腔内通入水蒸气（也有用电阻加热），加热升温后把原料加入混合室内；当混合室内搅拌浆高速旋转时，搅拌桨附近的原料由于受桨叶片面摩擦力和叶片端面推力作用而随搅拌桨旋转；旋转时这些料在离心力作用下被抛向混合室的圆形壁上，成为连续碰壁的原料，在后来料的推力作用下，沿向圆壁上升，到一定高度时，原料本身的重力又使它落下，落到原混合室的中心部位，

34、然后再被旋转的桨叶抛向混合室壁，重复原料的运动。由于混合室内还设有一个折流板，它能破坏原料旋流比较规则的运动方式，搅乱了物料的运动方向。这几个料流的混合运动使原料间产生一定的摩擦热、碰撞和推挤，这些交叉运动的动作变化使原料间产生一定的摩擦热；另外，还有混合室外部的供热，使混合料温度升高，这几个条件的综合作用，使混合室内的各种掺混料得到均匀混合。由高混机得到的混合物在加工和储存之前必须进行冷却，否则，在一段时间内会热降解或因温度高而结块。将高混机混好的物料直接排放到冷混机中，冷却到4050，其自由流动的性能也得到了保证。冷混机由混合室、搅拌浆、卸料装置、传动系统等组成，冷混机的混合室为圆筒形，其

35、直径与高度之比要大于高混机。内表面高度抛光，底部为蝶形。混合室内部设有冷却环，室壁为夹套式。冷却环和夹套均可通入循环冷却介质与物料进行热交换。混合室内还可增设扇形片或导流环，以增加冷却面积，缩短冷却时间12。因次本设计采用高速混合机和冷混机配合使用。3.2.2 挤出机生产PVC管材一般都采用螺杆挤出机进行连续操作。螺杆挤出机因其结构简单，价廉物美，生产效率高的特点，成为塑料管材成型加工最重要的设备。在螺杆挤出机转动时，装入料斗中的干混料或粒料借助转动的螺杆进入加料筒中，由于料筒的外加热和PVC干混料本身和干混料与设备之间的剪切摩擦热，遂使混料熔化而呈熔体在设备中不断往前流动，各组分受螺杆的搅拌

36、而均匀分散。熔体在机头口模处成型后成连续体被螺杆挤到机外，经冷却固化，即成管材。螺杆挤出机通常是按螺杆数目分为：单螺杆挤出机，双螺杆挤出机和多螺杆挤出机。单螺杆挤出机又分为普通螺杆挤出机、双级排气式螺杆挤出机和排气式锥形单螺杆挤出机。普通单螺杆挤出机一般使用与粒料的挤出，后两者既可采用粒料也可用粉料直接挤出，但用粉料时熔体塑化能力和压实程度较低，挤出流量不太稳定，由于是在高剪切和较高温度下加工，故热稳定剂、加工助剂和外润滑剂的用量要适当增加。双螺杆挤出机基本结构和单螺杆挤出机相似，但双螺杆和与之配合的料筒构成具有特殊功能的混炼、挤出系统，由于两根螺杆之螺棱和螺槽彼此啮合，除具有混炼效应外还有类

37、似于齿轮泵的正位移输特性。双螺杆挤出机按两根螺杆旋转方向是否相同，可以分为同向旋转和异向旋转双螺杆挤出机两种。若两根螺杆旋转方向相同，则称为同向旋转双螺杆挤出机，从外形上看，两根螺杆完全相同。若两根螺杆旋转方向相反，则为异向旋转双螺杆挤出机。同向双螺杆挤出机不利于将螺槽尽快充满和使物料向前输送，加料性能不好还易形成桥架，同时还加快了螺杆和机筒内壁的磨损。异向旋转则无上述缺点，物料在两根螺杆的带动下，很快向两边分开，充满螺槽向前输送，在输送过程中与热机桶壁接触，吸收热量，有利于物料的加热熔融。本设计选用异向双螺杆挤出机。3.2.3 冷却定型装置挤出的管状物首先应通过定型装置，使之冷却变硬而定型。

38、为了得到符合尺寸要求和良好表面光洁度的管材，有效的冷却是非常重要的。定径方法分外定径和内定径两种。外径定径法是在管状物外壁和定径套内壁紧密接触的情况下进行冷却而实现的。保证这种紧密接触的措施是从设在多脚架的一个支架和芯棒内的连通孔向管状物内通入压缩空气，并在挤出的管端或管内封闭，使管内维持比大气压力较大而又恒定的压力13。此外，也有在管套上沿圆面上钻一排小孔用真空抽吸使管状物紧贴套管的。内径定型法是将定径套的冷却水管从芯棒处伸进，所以必须使用偏移式机头。用内径定型法所制得的管材内壁较为光滑，不管定径套是外径套还是内径套，其尺寸目前大多还凭经验确定。对外径定型来说，定径套的长度一般取其内径的3倍

39、。定径套的内径应略大于管材外径的名义尺寸，一般不大于2mm。相比较而言，外径定型结构简单，操作方便。所以本设计采用外径定型法。3.2.4 冷却装置由于塑料的导热系数较低，经过冷却定型装置出来后的塑料管材，并未完全冷却到室温，如果不继续冷却，在其壁厚径向方向存在的温度梯度会使原来冷却的表层温度上升，引起变形。因此必须继续冷却，排除余热。用来冷却管材的方法常用冷却水槽和喷淋水箱却两种。冷却槽通常为24段借以调节冷却强度。冷却水一般是从最后一段通入冷却槽的，再使其逐次的一段一段前进，也就是使水流方向与挤出管材的运动方向相反，使管材冷却比较缓和内应力比较小。冷却槽的长度一般为1.56米。由于冷水槽中上

40、下层水温不同，管材在冷却过程中有可能发生弯曲，此外管材在冷水槽中受到的浮力也有使之弯曲的可能，尤以大型管材为甚。喷淋水箱冷却是在水箱上装有沿管材圆周均匀分布的喷水头，控制一定的水量对挤出管材进行喷淋冷却。喷淋水管可有36根，呈环形分段喷淋或沿轴向均布在管材周围喷淋。靠定径套一端的喷水孔较密14。该方法冷却均匀，变形可能性小。本设计采用喷淋水箱进行冷却。3.2.5 牵引装置牵引装置的作用是均匀的牵引制品，并对制品的截面尺寸进行控制，使挤出过程稳定进行。并通过调节牵引速度调节管材的壁厚，进行适当地拉伸。牵引速度要求十分均匀，并能无级调速。牵引速度取决于挤出速度，一般牵引速度比挤出速度快13。牵引设

41、备要满足能适应夹紧多种管材，牵引力必须能保持恒定，并且可以在一定范围内平滑地调节速度。牵引装置一般有胶带式、滚轮式和履带式三种。胶带式牵引装置是由一条橡胶传送带和压紧辊组成，用压紧辊将管材夹压在橡胶传送带上，靠两者之间的压紧力所产生的摩擦力来牵引管材。压紧力可以调节。这种形式的牵引装置对直径较大的管材的牵引力显得不足，故一般仅使用小直径和容易压塌的薄壁管材。滚轮式牵引装置有25对上下牵引滚轮组成。下滚轮为主动轮，上滚轮为从动轮，可以上下调节。主动轮多为钢轮，从动轮外面包一层橡胶。管子由上下滚轮夹持而被牵引。由于滚轮和管子之间是点或线接触，牵引力也同样显不足，一般只用来牵引管径在110mm以下的

42、管材。履带式牵引装置有两条或多条相对于中心位置单独可调的履带组成，均匀地安装在管材的周围，履带上有夹紧块，他们都做成凹形或带有一定角度，以增加施加径向力的面积，减少管子局部被压坏的危险。夹紧块的夹紧力由压缩空气或液压系统产生，或用丝杠螺母产生。这种牵引装置的牵引力大，速度调节范围广，与管材接触面积大，管子不易变形，不易打滑，主要用于大直径和薄膜管材。本设计采用履带式牵引装置。3.2.6 切割装置切割装置的作用是对制品进行定长切割。要求切割尺寸准确、切口均匀整齐。切割装置的好坏影响切割尺寸和切割的质量。常用的切割装置有手提式圆锯切割机，自动式圆锯切割机、行星式自动切割机。手提式圆锯切割机：切割用

43、的圆盘锯和动力装置安装在机架上，当管材达到预定尺寸，用手将其提起，动力电机工作，即可将管材锯断。这种装置结构比较简单。自动式圆锯切割机：电动圆锯和夹持器均由行程开关控制，当管材达到规定尺寸时触动行程开关，管材自动被夹持器夹紧，整个切割装置在管子挤出时引力的作用下随管材同速前进，圆锯同时启动，并由气缸慢慢将其抬上，将管材锯断。管材切断后，巨片落下，切割装置返回原处。由于受圆盘锯片直径的影响，这种切割方法对于大直径管材受到限制，一般最大管径可达160mm200mm。行星式自动切割机：这种切割装置有一片（或多片）小规格的圆盘锯片，锯片不仅自转，还围绕管材公转，其他的工作原理与自动式圆锯机一样。这种切

44、割机特别适应于大直径管材的切割15。一般最大管径可达10001600mm。本设计采用自动式圆锯切割机。3.2.7 其他装置为了满足用户对管材进行承插连接的要求，需将已经生产好的PVC硬管进行扩口胀大。扩口装置主要由烘箱和扩口机头组成。将需扩口的管端在烘箱中加热软化，插入扩口机头，一次实现扩口，经水冷却即可完成。第4章 工艺流程叙述及工艺参数选择4.1 工艺流程4.1.1 工艺流程示意图原料辅料配方高速混合双螺杆挤出冷却定型冷却牵引切割成品图4-1 工艺流程示意图4.1.2 工艺流程叙述高混工序：PVC树脂通过加料袋（101）加入到PVC树脂加料罐（102）中，加料罐设有料位计，用于监测罐中料位

45、，使其处于正常范围内。加料罐底部有软管，它可以把加入过多的料量送回加料罐。加料罐下设有旋转阀，可定量将物料输送到PVC料仓（103），采用正压输送，料仓设有上下两个料位计，控制料仓料位。料仓上端有脉冲过滤器和负压安全阀。PVC粉料经料仓中一系列长管由上至下输送。通过闸板阀，再经料仓负压输送与各种助剂混合。闸板阀中有一盲板，起到阻隔物料作用。料仓上的单向阀，使PVC粉料只能单方向地从料仓向旋转阀方向移动。本设计有六种助剂，由六个加料袋加入到六个加料罐，分别为硫醇锡加料罐（104）、硬脂酸锌加料罐（106）、钛白加料罐（107）、聚乙烯蜡加料罐（108）、ACR加料罐（109）、碳酸钙加料罐（11

46、0）。各种助剂由加料袋加入到加料罐中，加料罐中设有料位计，实现自动控制。下部设有下料器，有助于各种助剂下料。各种助剂在螺旋输送器（105）作用下，用电子秤自动称量（111）。助剂按配方要求进行称量后，通过旋转阀与PVC粉料混合，并按一定量到达电子称量秤（113）进行准确称量。电子称量秤上设有脉冲过滤器。称量好的物料负压输送至热冷混合机组。物料先进入高速热混合机（114），混合温度120，混合时间为510分钟。然后进入冷混机（115）进行冷混，冷混温度为4060，混合时间为510分钟。混合均匀的干混料，经过干混料料斗（116），送至干混料料仓（117），然后送入挤出工序。前段各工序粉尘及废料均回收至废料储罐（112）中。挤出工序：由干混料料仓（117）送来的PVC混料进入挤出机料斗（202），通过螺旋输送器，送入挤出机（203）。在挤出机中，物料在高温环境中熔融塑化，经过螺杆的剪切作用，以粘流态从机头口模（204）连续挤出，进入定型冷却工序。