PVC管材成型工艺设计.doc

本科学生毕业论文

PVC管材成型工艺设计

黑 龙 江 工 程 学 院
二○一二年六月

The Graduation Thesis for Bachelor's Degree

The Forming Process Design of
PVC Pipe

Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin
黑龙江工程学院本科生毕业设计

摘 要

本课题利用物理、化学改性方法的有机结合，配合刚性无机粒子增强增韧理论及微纳米粉体处理技术，对聚氯乙烯(PVC)进行改性。通过氯化聚乙烯、丙烯酸酯类等高分子有机物与PVC分子接枝的化学改性，改变了PVC分子结构(类似于层状、网状结构)，并将其长链高分子进行高速缠绕，形成高抗冲型的层、网状结构，且结构中的分子间的作用力大大增强从而有效吸收外部冲击能量，提高其抗冲击能力。利用微纳米无机粉体增强增韧技术，将轻质碳酸钙通过稀土进行活化，使得无机刚性粒子充分均匀分散至网层状结构中，从而在保证聚氯乙烯刚性的同时提高其韧性。
结果表明：当ACR的用量为4份时，管材的冲击强度为21.92KJ/m2；当ACR用量多于或少于4份时，管材的冲击强度均低于21.92KJ/m2。可见，增韧剂用量对高抗冲聚氯乙烯抗冲性能有直接的影响，随ACR用量的增加而出现峰值，以ACR用量为4%为最佳。

关键词：聚氯乙烯；双螺杆挤出机；增韧剂；用量；冲击性能

ABSTRACT

This topic is used of physical and chemical modification methods organically，cooperate with inorganic rigid particles strengthening toughening theory and micro nano powder processing techniques，the polyvinyl chloride (PVC) modificationThrough the chlorinated polyethylene，acrylate polymer molecules such as organic matter and PVC grafting chemical modification，change the PVC molecular structure (similar to the layer，mesh structure)，and the long chain polymer for high speed winding，forming type layer，resistant to blunt mesh structure，and the structure of the force between the molecules to greatly enhance the effective absorption external impact energy，improve the shock resistance abilityUsing the micro nano inorganic powder enhance toughening technology，will light calcium carbonate through the rare earth is activated，making inorganic rigid particles fully equably dispersed to nets layer structure，thus in the guarantee of the rigid polyvinyl chloride (PVC) and at the same time，improve its toughness.
The result shows that when the dosage of ACR for 4 a，the impact strength of pipes for 21.92 KJ/m2； When ACR more or less amount of 4，the impact strength of pipes were lower than 21.92 KJ/m2it is thus clear that，toughening agent，high resistance to blunt blunt of polyvinyl chloride (PVC) have a direct effect on performance，with the increase of the content of the ACR and appear peak，to 4% for best ACR dosage.

Key words: Polyvinyl chloride (PVC)； Double-screw Extruder； Toughening Agents； Dosage； Impact Property

II

黑龙江工程学院本科生毕业设计

目 录

摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 1
1.1 课题背景与研究意义 1
1.2 PVC管材的性能和分类 2
1.2.1 PVC管材的性能 2
1.2.2 PVC管材的分类 4
1.3 国内外PVC管材的现状及发展前景 5
1.3.1 PVC管材发展历程 5
1.3.2 PVC管材发展前景 6
1.4本论文的研究内容 8
第2章 挤出机的选择 9
2.1 挤出机的发展 9
2.2 单、双螺杆挤出机的比较 10
2.3 双螺杆挤出机简介 11
2.3.1 双螺杆挤出机分类 11
2.3.2 同向和异向双螺杆挤出机的比较 11
2.3.3 啮合和非啮合双螺杆挤出机的差别 12
2.4 双螺杆挤出机的工作原理 14
2.4.2 结构特点 16
2.5 本章小结 18
第3章 实验原理及方案 19
3.1 增韧机理 20
3l.1 弹性体增韧改性 20
3.1.2 非弹性体增韧改性 22
3.1.3 纳米增韧改性 23
3.2试验部分 24
3.2.1试验材料 24
3.2.2主要装置 25
3.2.3制备流程 26
3.2.4工艺参数 27
3.2.5高抗冲聚氯乙烯树脂的测试方法和指标 27
3.3结果与讨论 28
3.4本章小结 31
结 论 33
参考文献 35
致 谢 37

黑龙江工程学院本科生毕业设计
第1章 绪 论
1.1 课题背景与研究意义
塑料管材主要用于城市建设中的排水系统和采暖系统。塑料管与金属、水泥等传统材料管道相比，具有质量轻、耐腐蚀、导热系数低、绝缘性能好、内壁不结垢、流动阻力小、不生锈、不生苔、易着色、易加工、不需涂装、施工安装和维修方便等优点，与金属管相比，在生产和使用过程中的能耗都低。在经济迅速发展的今天，塑料管正不断替代金属或其他传统材料的管材，有着越来越广阔的发展空间。
工业发达国家早在20世纪30年代就开始生产应用塑料管材。1933年聚氯乙烯管首先在法国和美国开始工业化生产。1936年德国首次开发应用塑料管材，目前德国饮用水管中聚氯乙烯管道已达50%以上。1939年英国铺设第一条PVC塑料管输水线至今已60多年，经检查尚未发现蠕变缺陷或其他腐蚀现象。日本开发应用塑料管始于20世纪50年代，但发展很快。我国20世纪50年代后期开始生产PVC软管，20世纪60年代初开始生产PVC硬管、PE管和PP管。随着塑料工业的发展，国外相继开发了聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、玻璃钢等塑料管。20世纪70年代后由于聚乙烯塑料管性能的提高、连接技术的改进和提高以及燃气管道发展的需要，在塑料市场中仅次于聚氯乙烯塑料管，并有逐渐赶超的趋势。20世纪80年代后除继续开发产品外，还重视提高塑料管的性能和节能节料，开发出异性塑料管、双壁波纹管、发泡管、高抗冲击管及塑料与金属的复合管等[1]。
聚氯乙烯(PVC)是一种非结晶性多组分塑料、主要应用的是软质(SPVC)和硬质(UPVC)两种，材料具有不易燃性、高强度、耐热、耐腐蚀等性能。PVC硬管是将PVC树脂与稳定剂、润滑剂、辅助加工剂、色料、抗冲击剂及其它添剂等助剂混合，经过造粒挤出成型或一次挤出成型，能取代橡胶管，用于输送液体、腐蚀性介质以及用作电缆套管。
UPVC管的耐腐蚀性强，具有自息性和阻燃性，耐老化性好，可在15℃～60℃使用30年～50年，电性能好。其缺点是韧性低，线膨胀系数大，使用温度范围窄，不适合用于热水输送和高层建筑的供水。UPVC管虽然在耐高温、抗冻性、防震性和使用寿命等方面较差，应用范围受到限制，但其价格低占绝对优势，为当前国内外主要发展的塑料管之一，市场较大，可广泛用于性能要求不高的建筑冷水管和排污管。SPVC管与UPVC管相比，SPVC管密度增大，软化点、耐热性和阻燃性提高，拉伸强度和熔体黏度增大，而韧性降低。SPVC管耐热、耐老化、耐化学腐蚀性优良，在沸水中也不变形。目前多用于废液、污水管及电力电缆护套管等。
1.2 PVC管材的性能和分类
1.2.1 PVC管材的性能
PVC 具有以下特点：(1)耐化学性好，不生锈；(2)具有良好自熄性和阻燃性；(3)耐老化性好，寿命长；(4)电性能好，体积电阻和击穿电压高；(5)内外壁光滑，流体输送能力高；(6)比钢铁管道轻，可粘接，安装方便，工作量仅为钢管的1/2；(7)玻璃化温度为82℃，因而使用温度一般不超过50℃。PVC除具有以上一般特性外，作为给水管道使用还具有以下突出特点。
1)高强度
同其他通用塑料相比较，PVC-U有较高的模量、强度、硬度，在建筑塑料管材中被视为“刚性”管。如表1.1所示。
表1.1 常温下各种材料性能
项目
PVC-U
PE
PP
PB
弹性模量/MPa
3000
600
900
350
拉伸强度/MPa
45
25
28
17
硬度(R)
120
70
100
60
表中数据反映的就是众所周知的PVC材料所具有的较高的性价比，也是PVC得到广泛应用的重要原因，尤其值得称赞的是硬质PVC具有的优良阻燃性及高强度，使其在建筑材料方面的用量迅速增加，且会持续下去。随着国家相关产业政策的出台，化学建材得到进一步推广。不仅PVC排污管在代替传统铸铁排污管方面收到良好效果，在建筑给水、市政排水方面也收到较好的应用效果。因为其高强度使其能够在不同应用条件下使用，特别是作为压力管，即使不增强也能满足有压液体的输送要求。
2)低造价
高强度带来低造价。在设计管材尺寸时，长期强度(最小要求强度MRS)起着决定性作用。根据ISO12162[压力用管材和管件的热塑性塑料材料]——分级和命名——总体使用(设计)系数，设计应力是用最小要求强度除以总体(使用)设计系数得到。(如式1.1)
(1.1)
式中：σs 应力
C 也称安全系数；
MRS 最小要求强度
它考虑了管材系统在使用中的各种不可预测因素( PVC-U的C值为2.5；PE为1.25；PP为1.25-2.5)。经公式推导可以确定满足最高工作压力PN要求的管材公称壁厚(如式1.2)。
(1.2)
式中：ln 公称壁厚
L 管材长度
PN 公称压力
dn 管材公称外径
σs 应力
从公式看出，在选定的公称压力PN和管材公称外径dn情况下，设计应力越大，公称壁厚越小。管径相同时，PVC 管材输水通径最大；反之若要达到同样的输水量，PVC 管需要直径更小，其工程费用明显减少，说明PVC材料的高强度作为给水管道使用是经济实惠、符合国情的。
3) PVC利于环保
PVC是通用热塑性塑料，可回收反复利用。近年来，PVC工业遭到环保方面的多次挑战，比如最近争论不休的二问题。但是，已被许多研究结果表明主要污染并非来自PVC工业。如欧洲乙烯制品委员会的实验研究证明，废弃聚氯乙烯制品不容易分解，对土壤、环境不会造成危害。苏格兰爱丁堡地球生态协会指出，大气层中93%的氯化氢是由煤炭燃烧产生而非PVC，其实，形成酸雨的主要祸根是二氧化硫和二氧化氮。这两种有害物质几乎都是由传统的燃料燃烧( 如汽车尾气、燃煤尾气等)产生的。一些环境学家正以新的眼光去看待PVC，即产生和加工PVC的能耗比其替代物要低40%左右，有利于降低“温室效应”。
4)性能受环境影响小
当PVC管道用于输水时，其防渗透性以及对自来水中游离氯的适应性都是非常重要的，PVC在这两方面都表现出它的优越性。其防渗透性使自来水的水质不容易受环境的影响；其抗氧化能力较烯烃塑料强，在生产过程中不需加大量抗氧剂等，因而使用时不用担心抗氧剂被自来水浸泡、冲刷所萃取，以及随后分子链遭受自来水中氧和游离氯的破坏而变脆的危险。当用作埋地排污管道时，防渗透性好可避免污、废水对环境的影响。
5)安全卫生
PVC作为给水管道使用，其卫生性能成为争议的焦点，即通常所说的“有毒无毒”问题。科学地讲，塑料材料不存在有毒和无毒分类的问题，而是普通塑料和食品卫生级塑料的问题，聚氯乙烯制品也是如此。一般不同食品药物接触的PVC制品是普通级聚氯乙烯制品，如PVC门窗、扣板、排水管等；而要与食品医药接触的PVC制品是食品卫生级，如PVC输液输血袋、食品包装、给水管等。食品卫生级的PVC制品，对铅、镉等重金属含量和PVC树脂残留氯乙烯单体(VCM)含量作了严格规定。并且各国卫生组织对卫生性能要求不同，至今在美洲、欧洲、非洲等国家仍允许使用低铅系列稳定剂。
他们认为加工设备先进，需添加的稳定剂量则小，最终能从管道表面迁移出的铅等重金属非常少，经过最初的冲洗后基本不存在，因而是安全的。在欧洲，PVC工业(包括树脂行业、制品行业、助剂行业)自愿作出以下承诺：不使用含镉稳定剂；已列出淘汰铅稳定剂的时间表；已确定市场管材、管件废料回收在2003年达到25%，2005年达到50%，并致力于不影响环境。我国涉水产品卫生标准是GB/T17219-1998[生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准]，该标准对铅、镉、汞等重金属含量规定相当严格，以避免对水质产生二次污染。如铅含量应低于0.005 mg/L，即不能用含铅的稳定剂生产给水产品；树脂VCM含量不能超过5 mg/kg，制品VCM含量不能超过1mg/kg等。事实上，只要使用食品卫生级的PVC树脂和不含铅、镉等有害重金属的稳定剂体系，如：有机锡、稀土、钙-锌复合稳定剂，卫生性能完全能达到GB/T17219-1998的要求，作为给水管道及其他食品卫生级产品使用是十分安全卫生的。
1.2.2 PVC管材的分类
PVC管材按使用性能可分为：
(1)PVC上水管：PVC给水管流体阻力小、不堵塞，PVC给水管的输送效率高.并且PVC给水管具有抗压力强的特点；PVC给水管重量轻，安装维修方便，降低工程造价.PVC给水管经久耐用，
(2)PVC排水管：排水管是由高密度聚乙烯(HDPE)添加其它助剂而形成的外型呈波纹状的新型排水塑料管材,透水波纹管是通过在凹槽处打孔，管外四周外包针刺土工布加工而成，排水管主要承担雨水、污水、农田排灌等排水的任务。
(3)PVC波纹管：主要用于市政工程雨水、污水排放、工业废水排放、小区排水工程、盐业输卤、渔业输水、农林排灌、水利工程、通风系统、电缆、电线护套。
(4)PVC发泡管：PVC发泡管是一种以双机共挤芯层发泡而内外层不发泡的轻型材料，密度为1.0-1.29m3，具有隔热隔音性好的特点[2]。北京康迪塑胶建材有限责任公司在PVC发泡管材成型工艺技术方面的研究是国内较早的PVC发泡管材企业之一。
(5)PVC落水管：落水系统韧性好，低温抗冲击性佳；能抵抗冲击，梯子搭靠和积雪的压力，并且不易出现凹陷，抗曲或变形。
(6)PVC阻燃穿线管：适用于工业、农业、食品、医药、土木工程、渔业、养殖业、园林灌溉等领域一般工作压力的液体输送。如：气动管、液压管、花园水管、输油、输水管道、石油勘探管、喷砂管、蠕动泵软管，工业机器人、气动工具、装配厂气压工具、带压输送管道。
1.3 国内外PVC管材的现状及发展前景
1.3.1 PVC管材发展历程
1)国外PVC管材发展历程
1912年，德国化学家克拉特(F.Klatte)发明最简单的工业生产方法，即采用乙炔法(电石乙烯法)生产聚氯乙烯，首开现代工业化生产的先河。1931年，德国法本公司采用乳液法实现PVC的小规模工业化生产，由此PVC被广泛生产应用，至今70余年。1933年聚氯乙烯在德国和美国开始工业化生产；1936年德国开发使用塑料管材；1939年英国铺设第一条PVC塑料管输水管线至今已五十多年，经检查尚未发现蠕变缺陷或其它腐蚀现象，这说明，塑料用于水管的使用寿命可达五十年以上。国外发达国家塑料管材产量大，使用较普遍。美国1993年产量为220万t，有200多家企业生产塑料管材，约有30多家公司生产管件。
由于PVC具有优良的性能和价格优势，已成为五大通用树脂中生产和消费量最大的树脂之一。2004年塑料管道占全球管道市场的54%，美国、日本、欧洲等发达国家及地区所占比例更高，PVC管材是当今全球用量最大的塑料管道品种，约占使用总量的62%，13本所占比例高达90%。PVC管材的消费比例：供水管33%；下水管22.3%；排水管15.7%；灌溉管5.2%；煤气管0.8%；其他管材占22.7%；其中管材与管件比8：1。美国PVC管材消费量最高，其次是欧洲、中国、日本等国，PVC管材仍然是主导地位[3]。
2) 国内PVC 管材生产现状
PVC塑料管材从六十年代开始研制和应用，当时主要用于输送带腐蚀性的酸碱等化工流体，产量及应用都很少。改革开放以后，塑料管材开始用于建筑排污和供水系统。1980年我国塑料管材产量为5.1万t；1990年为9.9万t；1993年为13.3万t；1994年塑料管材生产能力为24万t；1996年塑料管材生产达到43万t。1996年全国已有一批具有较大规模的管材企业150多家，不少企业引进国外先进管材生产线。
1983年在沈阳塑料厂(现沈阳久利的前身)诞生，是我国PVC—U塑料管生产的发端。此后突飞猛进，应用领域不断扩大，管材已应用于工农生产的各个领域，可谓无孔不入，尤其在建筑行业更是大显神威。二十世纪九十年代是高速发展期，1990～1999年我国的塑料管道保持着良好增长势头，2003年PVC管道生产量达120多万t，PVC管材占管材市场份额的70%，PE占25%，PP-R占4%，其余占10%。PVC树脂的生产量亦居世界前列，合成树脂年平均增长率高达15%，2000～2005年均增长11.8%，2005年PVC树脂产量649.2万t，表观消费量791.8万t，2006年PVC树脂产量793.95万t，表观消费量862.59万t，国产PVC产量占树脂总量的30.4%和31.4%。目前，我国塑料管道生产能力已达300万t/a，逐步成了以PVC—U管、PE和PP管为主的管道生产的格局，PVC管道所占市场份额高达70%，为三者之最。生产线1600多条，生产能力超过250万t/a。生产的技术装备有较大改善，工艺水平和模具加工制造能力也有很大的提高，由依赖进口到自主研发，并对引进技术进行消化、吸收和创新，取得了一批拥有自主知识产权的先进技术设备，产品已达到或接近世界先进水平，随着技术工艺和加工设备的水平提高，PVC管道的质量有了保证和提升。产品种类增加，应用范隔扩大，20世纪80年代首先开发生产PVC-U管，现在已有14种之多，广泛应用于城市和农村的来水管、建筑用给、排水管、绝缘电工套管、化工、电信等领域。PVC加工助剂增多、质量提高，先后开发有环保型、无毒、无污染、绿色的各种助剂和增塑剂，促进了PVC管道生产加工和质量的提高。总之，PVC管材的生产和加工应用在我国有十分广泛的前景[4]。
1.3.2 PVC管材发展前景
PVC作为五大通用树脂之一，约占合成树脂总消费量的29%。PVC是一种可通过挤塑、注塑、模压、层合、压延、吹塑中空等方式加工的产品，它具有较好的力学性能、抗化学药品性能、耐腐蚀、不易燃等特点，广泛应用于生产门窗、管道、阀门、板材等塑料硬制品，也用于生产人造革、薄膜、电线、电缆等塑料软制品。在发达国家，60%~70% 的PVC原料用于生产建材等硬制品，但在我国软制品仍占有很大的比例。目前，世界经济持续发展，亚太地区强劲崛起成为世界经济的一个显著特征。全球看好亚洲，亚洲看好中国，因此，对PVC国内外市场的整体把握、寻求PVC生产和经营的内在规律，对中国PVC健康发展有特别重要意义[5]。
1)国外PVC管材发展前景
PVC是一种全球化产品，全球大约有50个国家、150个公司生产。至2005 年，世界PVC产能约为3717万t/a，消费量约为3313万t；2010年世界PVC生产能力将增至4196万t/a，消费量为3734万t，供求基本平衡，产能增加主要来自亚洲和北美。随着东亚等国家和地区的经济实力不断增强，亚洲地区的PVC市场最大，也是PVC生产和需求增长最快的地区。印度和越南PVC产能增加也将加快，北美的PVC产能也将有所增长，中东地区特别是伊朗PVC产能增加，而西欧和日本今后几年PVC产能将受到市场制约。全球PVC最大生产商是Shin-Etsu(信越)公司，它约占全球PVC总产能的9%，而在2003年，全球11大PVC生产商的PVC产能约占全球总产能的48%。从世界范围看，PVC企业的发展趋势是做大、做强。目前，亚洲地区已成为PVC市场最大的地区，也是PVC生产和需求增长最快的地区。该地区PVC 生产能力占世界PVC 总能力的35%左右，但PVC消费量占世界PVC 总量的37%。2001- 2005年，该地区PVC产量增长率为4.5%/a，2005- 2010年，PVC产量增长率预计为48%/a，预计同期需求增长率分别为5.9%/a 和4.9%/a，高于产能增长率。
2)国内PVC管材的发展态势
中国将对全球PVC市场产生重要影响。2005年全球PVC需求增长率预计为4%，中国将保持10%-12%的增长水平。2004年，中国政府为控制经济增长速率，采取了一系列措施促使经济和房地产业降温，但目前控制的效果还不太显著，中国对PVC的需求继续维持较高水平。2004年我国累计生产PVC树脂503.2万t，与2003年相比，增长18.6%。2005-2006年是国内PVC集中扩能投产的两年，尤其电石法PVC产能扩建速度惊人，远远超出乙烯法PVC的发展。据不完全统计，2005年新增PVC产能将达348万t/a，其中乙烯法110万t/a(台塑工业(宁波)有限公司30万t/a、天津大沽化工股份有限公司20万t/a、沧州化工实业集团有限公司40万t/a、泰兴新浦20万t/a ，占新增产能的30.58%。预计到2005年底，我国PVC产能将达到980万t /a左右，预计到2006年底，国内PVC产能将达到1200万t/a，国内PVC生产企业将面临激烈竞争的局面。
近年来，由于中国大陆PVC消费市场巨大，使国内外厂商纷纷加大投资扩建PVC装置，特别是电石法PVC装置。由于电石法PVC生产成本比乙烯法PVC生产成本低，发展更为迅猛。尽管国外已基本淘汰了电石法PVC工艺，但在近年来，由于技术进步，电石法PVC生产环保问题已明显好转，加上石油价格居高不下，国内PVC价格持续处于高位水平，电石法PVC生产使用国内贮藏丰富的原煤资源，拥有价格上的优势，这是电石法PVC生产存在并发展的内在原因。与乙烯法PVC生产相比，电石法PVC生产在国内存在明显的成本优势，在我国将长期存在下去。这几年，PVC价格持续高位运行，推动了我国PVC产能的快速扩张，对提高国内PVC需求自给率显然是十分有利的，但国内目前这种一拥而上的无序PVC扩产现象将会严重影响该行业健康成长。到2005年，我国PVC 产能已超过美国，成为世界第一PVC生产大国，但由于国内PVC生产量急剧增加，市场竞争加剧，PVC产品价格从2005年初8500元/t下降到5月初6500元/t，绝大部分乙烯法PVC企业出现亏损，其中上海氯碱化工股份有限公司1- 5月亏损近亿元台塑工业(宁波)有限公司、天津乐金大沽化学有限公司、上海氯碱化工股份有限公司、沧州化工实业集团有限公司等乙烯法PVC企业已停产或部分停产，而电石法PVC企业仍有一定赢利空间。今后几年，PVC企业竞争将更加激烈，部分PVC企业可能会面临倒闭，特别是华东沿海地区PVC生产企业由于不具有资源上的优势，处境会更加困难。前几年，我国PVC需求发展迅速，尽管国内产量不断增加，但仍满足不了需求，大量进口PVC，进口量达到PVC总需求量的40%左右，2001-2004年PVC进口量。2005年，由于国内PVC产量大幅度增加，而且PVC价格有竞争优势，预计进口量会有所降低。
3)PVC产品应用消费
PVC制品分为硬制品和软制品。长期以来我国PVC主要用于生产薄膜、塑料袋、电缆料、塑料鞋及人造革等软制品，而用于生产异型材、管材、板材、片材等硬制品比例偏低。“八五期间”，软、硬制品的比例维持在65：35左右。随着建筑业的发展，PVC在软、硬制品中的消费比例也发生着变化，硬制品消费潜力越来越明显，尤其在PVC管材、异型材方面最为突出。PVC 在软、硬制品领域中的应用比例从2002年的55：45上升到2005年的40：60，基本接近发达国家的水平。硬制品消费增加是未来PVC生产的主要发展动力，“十五”期间乃至今后10年，建筑业的发展将为PVC建材行业进一步发展开辟广阔的市场。“十五”期间，建筑业增加值预计每年在5000亿元以上，占国内生产总值的6%以上。城镇新建住宅每年仍将以5亿m2左右规模发展。2005年，城市化水平达到35%以上，城镇基础设施将有较大的发展，PVC消费将进一步有所增长。
1.4本论文的研究内容
聚氯乙烯(PVC)是一种非结晶性多组分塑料，具有不易燃、高强度、耐热耐腐蚀等性能。PVC管材在世界各国的广泛应用，展示了PVC管材的优越性及其经济效益，特别是在建筑、农业、能源、制造业已占据了一定地位。PVC管已进入开发新型加工技术，新型管材、新型应用的发展阶段，通过添加稳定剂、润滑剂、辅助加工剂、色料、抗冲击剂等助剂以提高PVC管材的耐热、耐腐蚀、抗冲击等物理化学性能，经过造粒挤出成型能取代橡胶管，用于输送液体、腐蚀性介质以及用作电缆套管。
对螺杆挤出机进行工作原理及工作过程分析，通过实验从基础的配方设计、混料、挤出机、模具、产品性能检测等方面进行讨论，讨论配方及工艺条件对产品性能的影响。

第2章 挤出机的选择
2.1 挤出机的发展
挤出机是管材生产所需的关键设备，它的作用是将PVC与其它辅料混合的于混料经过螺杆的塑化作用，使之成为熔融的塑料，并通过模具定型成所使用的型材。其中挤出机的螺杆是决定物料塑化质量的核心部件，决定型材产品的质量和稳定性。通过混料机将这几种原料进行混合成干混料，通过挤出机进行塑化，然后通过安装在挤出机头的模具将挤出机塑化挤出的物料定型，通过定型模冷却定型，定长切割后即可。
商用双螺杆挤出机问世于二十世纪三十年代。因为起步较晚，而且双螺杆挤出机不论其结构和理论都比较复杂，起初人们对双螺杆挤出机的工作机理、螺杆的设计理论认识不足，使得双螺杆挤出机的设计和制造存在不少问题。早期的双螺杆挤出机没有良好的机械可靠性，功能不够完善，主要是受推力轴承及传动系统设计局限性的限制，因此并未得到广泛的应用。经过半个多世纪的不断改进和完善，双螺杆挤出机的结构性能得到了长足的发展，特别是六十年代后期，由于开发出了应用于双螺杆挤出机的专用推力轴承，使得双螺杆挤出机在聚合物加工领域得到迅速发展。1960年，奥地利Anger兄弟公司用Kestemann公司的异向双螺杆挤出机进行硬聚氯乙烯挤出实验获得巨大成功。从此异向旋转啮合型双螺杆挤出机因其在加工对温度和剪切敏感物料方面的独特优势，而在硬聚氯乙烯加工领域占据了重要地位，成为挤出成型领域内的重要机型。在聚合物加工领域中，它主要用来加工硬聚氯乙烯制品，如：管材、板材、异型材，所以从这种意义上讲，双螺杆挤出机的发展是与聚氯乙烯的成型加工紧紧联系在一起的[6]。
双螺杆挤出机形式上大体可分为螺杆同向旋转和异向旋转两类。现在使用的同向旋转啮合型波形螺杆的原形最初是由德国人Wunsche 在1902年(专利申请日期是1901年)，其后Aston也有类似的发明，并取得了专利。1936年由Easc取得专利的双螺杆挤出机最先用于塑料的加工，而将同向旋转双螺杆用于工业化生产的是意大利的Colombo在1939年发明的锥形双螺杆挤出机。Colombo任职的Lavorazione Mate-rie Plastiche(LMP) 公司也制造过该型式的挤出机。而英国R.H.Windsor公司引进该技术生产出的双螺杆挤出机在当时性能最优越，广泛地用于硬聚氯乙烯的挤出成型。现已普及的高波形螺杆挤出机是以拜耳公司Erdmenger1953年前后申请专利的结构为原型，该机型具有优秀的混合和反应处理性能。后来，由Werner和Pfleiderer公司推出后在世界各国得到广泛应用。与Erdmenger的捏合盘式相反，1953年Eck公司则专事带有连续啮合曲线混合元件的息混炼机业务，但不久又将该专利出让给德国Kra-uss-Maffei以“DSM”的名称生产销售[7]。
异向旋转啮合型双螺杆挤出机最早问世的是意大利的Pasquetti在1952年取得的专利，并由德国Schloemann公司生产。其后，1960年Kunststoffwerk 兄弟使用Kestermann 公司的异向旋转啮合型双螺杆挤出机进行硬聚氯乙烯挤出实验，取得了戏剧性的成功。从此以后异向旋转啮合型双螺杆挤出机就取代了一直在挤出成型领域内使用的同向旋转啮合一型双螺杆挤出机，直至今日。关于异向旋转非啮合型挤出机，1948年，美国Welding Engineers公司开发出使用两根不同长度螺杆的结构，被用于混炼机。迄今这种型式在美国依然被广泛采用。1962年美国的Farrsl公司开发了在封闭式混炼器上附加螺杆的Farrsl Continuous Mixer (FCM)。长年来该公司不断加以改进，引进该技术的神户制铆所也在继续生产改进过的机型。
2.2 单、双螺杆挤出机的比较
双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的主要差别有两点：首先是它们的输送机理不同。单螺杆挤出机中的物料传送是拖拽，固体物料与金属表面之间磨擦系数的大小以及熔体物料的粘度在很大程度上决定了单螺杆挤出机输送能力的强弱；啮合型异向双螺杆挤出机中物料的传送是正位移输送，随着螺杆的回转，物料被相互啮合的螺纹强制性地向前推进，其正位移输送的程度取决于一根螺杆的螺棱与另一根螺杆的螺槽的接近程度。用紧密啮合的异向旋转双螺杆挤出机可获得最大的正位移输送。
其次，二者的速度场不同。单螺杆挤出机中速度分布相对来说比较明确并且易于描述，双螺杆挤出机中的情况则相当复杂且描述困难，这主要是由于双螺杆挤出机中啮合区的存在造成的。许多研究者通过忽略双螺杆挤出机中啮合区的漏流对其流场做了分析，然而发生在啮合区的漏流的与双螺杆挤出机的混合特性和总体行为有很大关系，因此在不计啮合区漏流的情况下所做的流场分析虽然具有一定的参考价值，但其实用价值不大。由于发生在啮合区的复杂流动使得双螺杆挤出具有混合充分、热传递均匀、熔融能力强、排气性能良好等诸多优点，所以许多科研工作者为了更准确地分析啮合区的流动正在做着不懈的努力。
与单螺杆挤出机相比异向双螺杆挤出机具有很多优点：(1)加料容易。由于双螺杆挤出机是靠正位移原理输送物料，不产生压力回流，因此可以加粘度很高或很低的物料，以及与金属表面有很宽范围磨擦系数的物料，如带状料，糊状料，粉料及玻璃纤维等。(2)物料在双螺杆挤出机中停留时间短，滞留时间分布窄，因此双螺杆挤出机适于Ⅱ7-热敏性物料。(3)优异的排气性能。这是啮合型双螺杆的自洁功能使得物料在排气段获得完全的表面更新所致。(4)优异的混合、塑化效果。(5)低的比功耗。双螺杆挤出机的比功耗比单螺杆挤出机低百分之三十左右，这使得双螺杆挤出机在节能、降耗方面具有明显的优势，由此本课题要选择异向双螺杆挤出机。
2.3 双螺杆挤出机简介
2.3.1 双螺杆挤出机分类
由于设计原理、工作原理以及应用领域方面存在很大差异，双螺杆挤出机种类繁多，性能各异。对双螺杆挤出机大致分以下几种：
(1) 根据啮合形式分为啮合与非啮合型双螺杆挤出机。非啮合型双螺杆挤出机多为用于实验室的小型机台，目前仅美国Welding engineering公司生产，国内还未大批量投入生产实际当中；
(2) 根据两根螺杆旋向的异同分为同向旋转和异向旋转双螺丝杆挤出机；
(3) 根据两根螺杆的轴线相交或是平行分为平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机；
(4) 根据啮合区是开放还是封闭分为纵向开放或封闭、横向开放或封闭等几种情况。
2.3.2 同向和异向双螺杆挤出机的比较
双螺杆挤出机中两根螺杆的旋转方向和啮合程度的不同，导致了同向旋转双螺杆挤出机和异向双螺杆挤出机不同的泵送、混合和流动机理，同时也决定了这两类挤出机不同的用途。在啮合型同向旋转双螺杆挤出机中，物料在螺槽中的的流动为“8”
字形螺旋流动。并且同向双螺杆挤出机转速较高，使得物料所受剪切作用较大。这些
特点使得同向双螺杆挤出机具有优异的分散混合及分布混合能力、较窄的停留时间分
布、优良的自清理效果等优点，因而被广泛应用于聚合物配混(共混、填充、增强)、
排气(脱挥)及反应挤出(聚合物聚合及反应型改性)等领域。但与异向双螺杆挤出机相比，同向双螺杆挤出机的输送效率低，建压能力比较差，因此一般不能用来直接挤出制品(造粒除外)。若想获得高的挤出压力，则需在下游接聚合物熔体齿轮泵，或接第二阶单螺杆挤出机。这必将使机器设备成本提高[8]。
在啮合型平行异向旋转双螺杆挤出机中，物料被封闭在绕每根螺杆的C型小室
中，作类似于齿轮泵中的正位移输送。异向双螺杆挤出机转速较低，物料剪切发热量
小，因此它对物料的热稳定性要求不高，可以在物料成型温度范围的下限进行操作，从而使物料的耐降解安全系数提高，特别适用于热敏性物料(PVC)的成型加工。与同向双螺杆挤出机相比，异向双螺杆挤出机输送效率高、排气效果及熔融效果好，对物料的分散混合效果较差，但建压能力强，因而可用来直接挤出制品。另外，异向双螺杆挤出机特别适于加工PVC粉料，可直接加入粉料而省去造粒工序，使制品成本下降百分之二十左右。异向旋转双螺杆挤出主要用于挤出PVC管材，型材，板材和造粒。
2.3.3 啮合和非啮合双螺杆挤出机的差别
非啮合双螺杆挤出机的一根螺杆的螺棱未插入另一根螺杆的螺槽中。这类双螺杆挤出机未能形成封闭或半封闭的腔室，故没有正位移输送性能。在啮合双螺杆挤出机中，其啮合程度从几乎全啮合到几乎不啮合不等，与其正位移输送性能的程度由完全正位移到完全不正位移相对应。但是应当说明的是：对于正位移输送来说，全啮合是必要条件，但不是充分条件。在某些几何形状中，螺槽有很小的密封，甚至当螺杆是全啮合时也如此。正位移输送需要螺槽完全封