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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(zhù)重要的作用，而且會(huì )對PVC管材生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節產(chǎn)生很大的影響。因此，填料增加后應及時(shí)調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(chēng)填充劑，是一類(lèi)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(shù)脂的利用率，同時(shí)也擴大了樹(shù)脂的應用范圍，而且一些填料的應用還可賦予或提高管制品某些特定的性能，如尺寸穩定性、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度和沖擊強度。 

本文以采用了碳酸鈣填料的、用于110規格管材的0#～4#配方（各配方的配比情況如表中所示）為例，通過(guò)6項測試實(shí)驗來(lái)討論在管材生產(chǎn)過(guò)程中填料是如何影響PVC管材生產(chǎn)的，并就其中出現的各種問(wèn)題提出了相應的解決方案。 PVC管材生產(chǎn)設備信息http://www.minshigroup.cn/Product/6810424459.html

填料對PVC管材生產(chǎn)的影響 

1、 混料工藝 
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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，配方中的外潤滑劑開(kāi)始溶解，發(fā)揮潤滑作用，從而使電流保持在一定范圍內。隨著(zhù)混料溫度不斷升高，混料電流呈現較大的差異，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熱系數，從而極大地降低了物料與混料機槳葉之間的摩擦熱，并同時(shí)降低了馬達的負載，導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(zhù)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(cháng)22%左右。這也與混料電流下降相對應，當電流值為67 ～76 A時(shí)，混料電流處于一個(gè)較低的曲線(xiàn)，而增加改質(zhì)劑后，降低了物料混合過(guò)程中的摩擦熱，同時(shí)由于高混鍋排料溫度的升高，延長(cháng)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(zhù)提高了PVC樹(shù)脂的包覆效果和干混料的混合均勻性。

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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(guān)密度的影響示意圖。從圖中可以看出，填料的增加對表觀(guān)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(guò)程中由于CaCO3的加入降低了PVC顆粒之間、PVC顆粒與機械表面之間的摩擦，從而使得物料的總摩擦力減少，而且CaCO3的加入量越多，現象越明顯。

圖3 填料對干混料表觀(guān)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。 
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2、 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(zhù)。當填料含量較低時(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(cháng)了塑化時(shí)間，但可有效提高PVC管材的剛性。填料加量過(guò)多則會(huì )提高物料的粘性，平衡轉矩也會(huì )隨之升高。 

研究發(fā)現，在實(shí)際的應用過(guò)程中，在不改變擠出成型模具的情況下增加填料，管材的外徑出現了偏大的問(wèn)題，并同時(shí)伴隨著(zhù)壁厚尺寸出現誤差等問(wèn)題。這是因為填料顆粒的加入限制了PVC分子鏈的旋轉和移動(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(guò)程中，收縮比例減小，從而導致管坯的壁厚有所減小，出現壁厚達不到原有標準，甚至低于標準下限的現象。

 

圖4 填料對扭矩和熔體壓力的影響

3、 管材擠出設備 

填料含量的增加對擠出工藝的要求大為不同。隨著(zhù)填料含量的增加，在擠出過(guò)程中物料的扭矩值增大，導致在原有的擠出工藝條件下管材生產(chǎn)出現過(guò)塑化問(wèn)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(zhù)填料含量的增加，扭矩值和熔體壓力呈逐步上升趨勢。隨著(zhù)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(guò)程中的摩擦力增加，摩擦熱因此急劇增加，從而導致螺桿、機筒4區（均化擠出段）的溫度遠遠超出設定溫度（如圖5所示），而此時(shí)設備自身的冷卻系統已達到滿(mǎn)負荷狀態(tài)，無(wú)法使該區溫度繼續下降，通常會(huì )高出設定溫度15℃～25℃。這時(shí)若要緩解物料的過(guò)塑化問(wèn)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備的安全運行極為不利，而且此時(shí)物料塑化所需的熱能需要大量的機械能來(lái)轉換，這樣長(cháng)時(shí)間的擠出運轉勢必會(huì )加劇螺桿及設備傳動(dòng)系統的損壞。

 

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 )對設備有影響。從機筒抽真空處觀(guān)察到的塑化情況與螺桿扭矩曲線(xiàn)上表現出的塑化情況對比發(fā)現，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(guò)程中，填料增加后的情況：試樣0#～4#的液壓實(shí)驗時(shí)間從23min～60min不等。試樣0#～3#主要是剪切熱大，物料有過(guò)塑化現象，均出現了韌性變形：試樣0#的液壓時(shí)間為23min，此時(shí)物料并未出現塑化過(guò)度的現象，但存在螺槽中物料填充不足的現象；試樣1#降低了主機速度，由于塑化效果不充分，出現了脆爆現象；試樣2#的機身2區和機頭2區溫度比1#高5℃，雖進(jìn)一步改善了塑化效果，大大延長(cháng)了液壓實(shí)驗時(shí)間，但仍然達不到國標要求。這4次工藝調整使得物料的塑化狀態(tài)逐漸由條狀轉變?yōu)樾鯛?，扭矩值和熔體壓力也逐漸恢復到原有水平，液壓實(shí)驗逐漸好轉，但仍然達不到質(zhì)量標準要求。這樣我們對試樣4#的滑劑種類(lèi)進(jìn)行了調整，適當的增加了內潤滑劑的比例，對比發(fā)現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)驗性能最好。

 

圖6 液壓實(shí)驗對比圖

解決方案 

一般，可以通過(guò)提高管材的擠出速度和增加模具壓縮段的壓力來(lái)提高離模膨脹率，從而使管材的壁厚達到標準范圍。通過(guò)降低真空箱的真空度可以將管材的外徑維持在標準的范圍內，如果仍無(wú)法達到預期的目的，那么就必須通過(guò)更換定型模具來(lái)解決該問(wèn)題。 

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)降低管材的擠出速度或喂料量來(lái)緩解高扭矩和高摩擦熱的問(wèn)題，但隨之而來(lái)的是設備產(chǎn)能的下降和單位管材能耗的增加，不利于管材穩定高效的生產(chǎn)。在增加填料的同時(shí)，應盡可能地將扭矩值和熔體壓力保持在原有水平：一方面，可適當調整工藝溫度。但這通常要降低機身溫度，適當提高模具以及合流芯的溫度，以減少物料在機身部分的受熱程度，緩解過(guò)塑化問(wèn)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，即調整配方組份。調整配方組份其實(shí)主要是指調整配方中的潤滑體系，使其最終達到潤滑平衡的狀態(tài)。 

在生產(chǎn)PVC硬管時(shí)，所需的熱量來(lái)自管材擠出機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，但潤滑劑可調節物料分子之間的作用力和物料與機械表面的摩擦力，其中內潤滑劑能促進(jìn)塑化并降低塑化扭矩，而外潤滑劑可延遲塑化并防止樹(shù)脂熔體粘附在加工設備的金屬表面?？赏ㄟ^(guò)調整內外潤滑劑的比例來(lái)調控樹(shù)脂混合物的塑化時(shí)間，以滿(mǎn)足特定加工設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(guò)程控制中，需要結合干混料的性能檢測結果對配方中的潤滑體系進(jìn)行調配。調配主要以硬脂酸、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)間必須達到8min以上，表觀(guān)密度達到0.64。在工藝調試過(guò)程中，并不調整工藝溫度，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)驗性能。隨著(zhù)擠出工藝溫度控制逐步下降，接下來(lái)應盡可能下調工藝溫度，包括機頭溫度的控制。若調試過(guò)程中管材擠出速度變大，出現韌性變形的次數越頻繁，說(shuō)明調整不適宜，干混料的加工性能欠缺。 

如果加工設備的剪切力過(guò)大，生成的摩擦熱過(guò)多，在加工較易分解的樹(shù)脂時(shí)就必須降低加工溫度，以避免樹(shù)脂內部局部過(guò)熱而造成熱分解。由于樹(shù)脂都是熱的不良導體，單靠降低加熱溫度來(lái)調節很有限，最可靠的方法是降低樹(shù)脂粘度，從根本上減少摩擦熱。這時(shí)，可適當地按比例增加內、外潤滑劑用量來(lái)降低樹(shù)脂的熔體粘度，使潤滑體系能適應特定的加工設備及工藝的要求。反之，加工設備的剪切力較小，則應適當減少內、外潤滑劑的用量。

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