PVC－U 给水管材耐压性能影响因素研究

杨成德

（新疆天业节水灌溉股份有限公司，新疆832000）

PVC－U 给水管材耐压性能影响因素研究

杨成德

（新疆天业节水灌溉股份有限公司，新疆832000）

从原辅料、混配料、设备与模具、配方、加工工艺等方面探讨了影响PVC-U给水管材耐压性能的影响因素，并在生产实践过程中通过一系列配方和工艺试验予以验证。

PVC-U（未增塑聚氯乙烯）；给水管材；耐压性能

以未增塑聚氯乙烯（PVC-U）树脂为主要原料生产的硬聚氯乙烯（PVC-U）管材，与传统的金属管材，水泥管材及其他聚烯烃类管材相比，具有耐腐蚀、质量轻、水流阻力小、力学强度好、环保卫生、施工方便、性价比高、使用寿命长（非不可抗力破坏，正常使用50年以上）等优点，已在城市给排水、人饮工程、建筑给排水、农业节水灌溉、水产养殖、绿化，高尔夫球场工程等许多领域中得到广泛应用。按现行PVC-U给水管国标GB/T10002.1-2006，管材的耐压性能成为一项十分重要的性能指标，影响管材的耐压性能，既有机械设备方面的因素，也有原材料和配方因素，同时也要考虑加工工艺的相应调整。因此，将各方面因素加以综合考虑分析、客观评价，然后进行优化，才能得到成本最低、性能最优的产品。我们选择了在上海金纬ф80/156锥形双螺杆挤出机上进行实验，生产ф160×4.0mm，PN0.63Mpa规格的给水管材，得到了较好的结果。

1 实验部分

1.1 主要原辅料

PVC（SG-5型）树脂粉，新疆天业生产；

复合稳定剂，外润滑剂、抗冲加工改性剂、轻质碳酸钙填料、着色剂炭黑N330等均为市购。

1.2 实验设备

ф80/156锥形双螺杆挤出机及挤出模头，上海金纬管道设备制造有限公司

高速捏合机、冷却混合机，张家港产；

1.3 实验方法

将PVC（SG-5型）树脂粉、复合稳定剂、外润滑剂、抗冲加工改性剂、轻质碳酸钙填料、炭黑N330等按一定的比例在捏合机中捏合，在ф80/156锥形双螺杆挤出机上挤出管材。适当调整工艺温度、主机转速、喂料转速、主机真空度、牵引速度、真空水箱真空度等。

2 影响因素分析

2.1 设备与模具

挤出机螺杆的设计参数，直接影响物料塑化时的背压和塑化程度。但对于已经大众化使用的通用挤出机，最关心的应是螺杆与机筒的间隙。间隙过大，容易引起漏料回流，势必也就影响了塑化。

模具（机头）设计，供料量数据和压缩比数据十分关键。将给水模头和排水模头做成同一体系，仅通过更换芯棒来获得不同壁厚的给水管或农用管，是不科学的做法[1]。因为对于给水管材，壁厚比农用管材增加，需要有更大的供料量和更大的压缩比，这样才有利于供料的稳定和管材密实度，保证塑化均匀，芯棒支架设计应尽可能小而光滑，模具表面要镀硬铬表面处理，使合缝线对管材性能的影响尽可能小。

2.2 混料与捏合

这是一个容易忽略的因素。一般谈到捏合工艺，认为只要控制捏合温度即可。而实际上，混料与捏合，最重要的应是物料分散均匀，以及易挥发物挥发较彻底。物料分散不均匀，在挤出生产时就会出现产品性能不稳定；易挥发物挥发不彻底，挤出管材容易产生气泡和翻料，因而也就影响了产品性能。一般建议混料温度控制在115～135℃，混料时间在8～10min[2]。干混料的表观密度控制在0.60～0.65g/ml,高搅锅的加料量应控制在高混室空容积的50～70%（例如高混室容积为800L的高搅锅，则加料量应控制在200KG～280KG之间建议在240KG上下）为宜。

另外，易挥发物挥发时易在高搅锅顶盖内侧凝结，凝结量多时，形成液滴与PVC树脂粉、轻质碳酸钙、炭黑及其它物料凝聚成颗粒。这些颗粒在挤出生产时极易产生塑化不良的“晶点”，影响了管材的性能，液压试验时容易产生变形沙眼刺水，因此在原辅料投入使用前应严格控制其挥发份含量并保证高搅锅顶盖排气装置的畅通，预防“晶点”的产生，并对高混后的物料进行冷混至45℃以下放料，干混后的物料过旋振筛（40～60目），是确保管材质量的一个十分必要的工序。

表1 不同塑化度管材的拉伸强度和断裂伸长率

表2 PVC—U管材温度对压力的折减系数

2.3 原辅材料及配方

由于原辅材料检测只是抽样检测，而且根据检测指标对原辅材料性能进行评价有一定的局限性，因此有经验的配方人员，除了参考原辅材料检测结果外，还进行一些额外的经验检验，或上机试验，根据试验管材的检验结果，进一步确定原辅材料性能。

对于给水管材的配方设计，除了像常规产品考虑加工性能外，还须特别重视管材耐压性能。根据塑料管材在静液压P作用下的受力分析，可得到壁厚受到的环向应力（拉伸强度）与外径、壁厚的关系式（参见GB/T6111-2003）为：

式中：P—为试验压力，Mpa;

dem—测量得到的试样平均外径，单位为毫米（mm）;

emin—测量得到的试样自由长度部分壁厚的最小值，单位为毫米（mm）。

PVC管材在环向应力作用下的瞬时破坏压力的 计算公式为：

式中：Pi为瞬时破坏压力，Mpa;

从式（2）中可以看出，在管材外径与壁厚一定的情况下，瞬时破坏压力与瞬时拉伸强度呈正比，即拉伸强度越高，耐水压能力越强。拉伸强度除了与配方中的抗冲改性剂、加工改性剂等配方材料的种类和数量有关外，还与管材的主机负载（机台加工时主机电流值/主电机电流）密切相关（见表1）。因而设计一个合理的配方，并进行相应合理的配方工艺调整，使PVC管材塑化度控制在60%～65%，才能获得好的产品性能。

同时管材的拉伸强度与环境和流体的温度呈反比，所以在管材外径和壁厚一定的情况下，瞬时破坏压力也随环境和流体温度升高而降低。

当环境温度和输水温度不同时，应按表2（参见GB/T10002.1-2006）给出的不同温度对压力的折减系数（ft）修正工作压力。用折减系数乘以公称压力得到最大允许工作压力。因此为防止瞬时压力破坏管材，即要防止0℃以下时的脆性破坏，也要考虑不能超过PVC－U管材的最高使用温度为45℃。

2.3.1 PVC树脂粉

按GB/T5761-2006国家标准对PVC树脂粉进行检测，根据多年从事给水管生产的经验和管材的试验结果来看如果PVC(SG-5型)树脂的113ml/g≤粘数≤118ml/g，0.52g/ml≤表观密度，其余指标达到国家标准合格品要求即可，这种树脂用来生产给水管则液压从源头上有了保证。有关标准中涉及不到的PVC树脂粉的相对分子质量分布、热稳定时间、塑化性能，以及塑化成型后的产品抗冲/拉伸性能，只能通过其他更高层次的检测或试验才能确立，而这些指标也是给水管材所需关注的指标[3]。

一般认为，在未建立完善的原辅料入厂检测手段以前，使用信誉好、规模大、质量稳定的树脂粉是必要的。

2.3.2 稳定润滑体系

这是一个要求最高、最难量化的因素。当然，生产的管材热稳定性好，不粘料、不变色，内外壁平整光滑，无合流线是基本要求；塑化性能好（二氯甲烷浸渍合格），加工稳定，是较高要求；流变性能好，工艺可调范围广，适合快速挤出，是更高要求。可供使用的该类原材料是很多的，关键是如何配合。

一般情况下轻钙份数在10份以内时，不使用内润滑剂,而加工所必须的外润滑剂用量最好比较小,建议在0.2份以内。

一般认为，在未建立完善的原辅料入厂检测手段以前，使用信誉好、规模大、质量稳定的复合稳定剂和外润滑剂是必要的。

2.3.3 轻质碳酸钙

份数最好小于8份，粒径越小，分散性越好（最好有包覆层），根据管材的生产经验来看要求轻质碳酸钙的沉降体积≥2.4ml/g，挥发物含量低的轻质碳酸钙较为经济、实用。

2.3.4 抗冲改性与加工改性体系

PVC-U管材的拉伸强度与抗冲改性剂、加工改性剂的种类和添加数量密切相关。抗冲改性剂加入量少时可以提高拉伸强度，而加入量多时则降低拉伸强度；ACR类抗冲改性剂比CPE类抗冲改性剂对拉伸强度的影响较少[4]。

对于给水PVC-U管材生产，建议添加1.5～3份ACR类抗冲改性剂，配合1～2份ACR类加工改性剂。

2.4 挤出工艺

调整工艺其主要效果表现为调整主机负载。在配方合理的情况下，调整工艺温度、螺杆转速、喂料转速等工艺参数具体来讲螺杆转速控制在最高转速的60～65%如最高转速为35rpm的则实际生产转速在21～23rpm左右，同时喂料转速与之匹配保证主机负载在65～75%左右，最终实现控制PVC-U管材的塑化度在60～65%范围[5]。管材塑化程度，可通过挤出机和模头工艺温度辅助调节，螺杆转速和喂料转速的匹配与配方的流变性能相对应，否则影响塑化。特别注意挤出机真空排气装置要正常工作，保证真空度≥0.5MPa，以防止混料中易挥发物引起的PVC-U管材制品截面出现气泡，进而影响产品的物理力学性能。

另外，正常配方、正常工艺参数条件下，刚开机时的产品性能与正常生产时的产品性能也存在较大差异，因而要注意调整开机时的工艺参数，待生产正常后再调回正常工艺参数。

3 结论

影响PVC-U给水管耐压的因素，包括设备与模具、原材料与配方、混料与捏合、挤出工艺等方面的多个细节。在配方合理的情况下，调整机台工艺参数，使管材主机负载控制在60～65%范围内，可获得较好的产品耐压性能。

[1]乔辉等译[美著]．聚氯乙烯手册．北京：化学工业出版社，2008

[2]王贵斌主编．硬质聚氯乙烯制品及工艺．北京：化学工业出版社，2008

[3]刘芳，李杰．聚氯乙烯塑料助剂与配方设计技术．北京：中国石化出版社，2006

[4]段予忠，谢林生．材料配合与混炼加工（塑料部分）．北京：化学工业出版社，2001

[5]蓝凤祥等编著．聚氯乙烯生产与加工应用手册.北京：化学工业出版社，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

杨成德（1978年7月18 日～）男研究生学历，从事PVC管材、滴灌带、PE管材方面的配方及生产工艺方面的设计和研究。