氯化聚氯乙烯 (CPVC)管材和管件生產(chǎn)工藝

前言

氯化聚氯乙烯（ CPVC）塑料具有耐熱、耐候、耐化學介質(zhì)腐蝕、阻燃、阻煙及無色無味無嗅等優(yōu)越的理化性能， 是近幾年來應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展速度較快的新穎塑料材料。由于美國、歐洲及日本等先進國家和地區(qū)對CPVC 材料的研制和開發(fā)已經(jīng)日趨成熟，所以 CPVC 塑料制品已具有一定的市場潛力，尤其是在中國 這一龐大的塑料市場中， CPVC 塑料尚屬新產(chǎn)品、新材料，其利潤空間和市場發(fā) 展空間均有很大的吸引力。本文通過對 CPVC 樹脂及CPVC 塑料制品的簡要分 析，幫助人們提高對這種新材料的認識。

一、CPVC樹脂

CPVC 樹脂是 PVC 樹脂氯化改性的產(chǎn)物， 其性能取決于 PVC 樹脂本身及對PVC 樹脂進行氯化的氯化工藝。

（一）PVC 樹脂

PVC 是氯乙烯聚合的產(chǎn)物，而目前氯乙烯的生成方法主要有電石法和石油（天然氣）乙炔法等。我國工業(yè)化生產(chǎn) PVC 樹脂的方法主要有石油（天然氣）乙炔法、電石法及采購 VCM 單體進行聚合三種。由于 VCM 的生產(chǎn)方法不同，相同聚合度的 PVC 樹脂其分子構(gòu)型及性能也略有不同， 不容忽視的關(guān)鍵事實是：PVC 樹脂的結(jié)構(gòu)與性能直接影響了對其氯化的工藝及氯化后的 CPVC 樹脂的分子構(gòu)型及性能。相同氯含量的 CPVC 樹脂由于 PVC 樹脂的結(jié)構(gòu)不同或氯化工藝不同，其性能上的差別是非常明顯的。 具體表現(xiàn)在理化性能上的差別及加工性能上的差別。

（二）CPVC 樹脂

由于 PVC 樹脂是工業(yè)化生產(chǎn) CPVC 樹脂的主要原料，所以對 PVC 樹脂的選用顯得尤為重要。其結(jié)構(gòu)必須是疏松狀，且孔隙應(yīng)適度。目前 CPVC 樹脂的生產(chǎn)主要采用水相懸浮法， 在這一過程中，因為氯氣在 PVC 樹脂中擴散速率對 PVC的氯化速率有很大影響，這又要求 PVC 樹脂的皮膜盡可能簿，且表面積要大，結(jié)構(gòu)規(guī)整度要好。 因此，CPVC 樹脂的生產(chǎn)最好由具有一定規(guī)模且科研能力較強的 PVC 樹脂生產(chǎn)廠來承擔。國外生產(chǎn) CPVC 的著名廠商例如美國的 B.F.Goodrich公司、德國的 BASF 公司、法國的 ATOFINA 公司、日本的 Kaneka公司等均是生產(chǎn) PVC 樹脂的國際性大公司。 這些公司首先研制生產(chǎn) CPVC 樹脂的專用 PVC樹脂，它在采用懸浮法聚合的過程中添加了特殊助劑，然后將這一專用 PVC 樹脂再經(jīng)過水相懸浮法生產(chǎn) CPVC 樹脂。

由于不同的氯化條件，相同氯含量的 CPVC 樹脂的分子構(gòu)型并不一樣，其性能也不一樣。所以氯化工藝是生產(chǎn) CPVC 樹脂的關(guān)鍵技術(shù)。

二、 CPVC制品的成型加工

使 CPVC 樹脂成為 CPVC 塑料制品，通稱 CPVC 成型加工。與其它塑料的成型加工類似，主要的成型加工方法有擠出、注塑、吸（吹）塑及壓延等，其中擠出和注塑在塑料加工中具有代表性。目前，CPVC 塑料制品一般為硬質(zhì)制品，且以擠出與注塑成型加工較為普遍。

（一） CPVC 管材的擠出成型加工

1. 對加工設(shè)備的要求

1）混料機

與 PVC 材料一樣， CPVC 材料同樣具有多組分的特點，其產(chǎn)品的質(zhì)量及性能除決定于配方的優(yōu)劣外，還取決于眾多組分的混合質(zhì)量。配方后的CPVC 物料進行混合的目的不僅僅是達到各組分的分散均一，同時也須使物料的各組分通過剪切力的作用，在一定的溫度下相互滲透， 并在形態(tài)變化狀態(tài)下達到相互結(jié)合，使 CPVC 材料的原始流動性發(fā)生明顯的變化。因此，混料設(shè)備是CPVC 材料成型加工的第一道關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 通常情況下，混料設(shè)備由高速混合機和低速冷拌機組成，通過高速攪拌和低速冷拌，使CPVC 配方料達到理想的混合效果。高速混合機的作用是將 CPVC 樹脂及添加劑配料在槳葉的高速轉(zhuǎn)動（1000r/min 左右）下，物料產(chǎn)生摩擦熱，使添加劑均勻分散并滲入到CPVC 樹脂中去，并達到半塑化狀態(tài)。從攪拌時的物料運動現(xiàn)象分析， 如果物料能在槳葉的作用下沿筒壁上升，并從中心落下成渦旋狀，則說明槳葉的結(jié)構(gòu)是合理的，能達到混合效果。冷拌機的作用是將具有一定溫度的物料快速冷卻，消除物料因長期高溫造成結(jié)塊、變質(zhì)等后果。因此，除了具有低速旋轉(zhuǎn)的槳葉外，還配置了冷卻裝置，好的冷卻裝置除冷拌缸筒壁具有夾套層外， 缸內(nèi)還設(shè)有冷卻管路式內(nèi)膽， 以確保冷卻效果及減少冷卻時間。

2）擠出機

擠出加工硬質(zhì) CPVC 制品，如管材、板材、片材等，通常選用錐形或平行雙螺桿擠出機。但是擠出機的螺桿必須配有油冷裝置， 以保證螺桿溫度的穩(wěn)定性 。擠出機的螺桿結(jié)構(gòu)應(yīng)比生產(chǎn)PVC 硬質(zhì)制品的螺桿 更重視排氣作用 ，能盡量將物料中的揮發(fā)物由排氣口通過抽真空排出。螺桿均化段的未端應(yīng)能平穩(wěn)計量擠出。CPVC 材料在加工過程中，如處理不當，會產(chǎn)生嚴重的氯化氫（HCl）腐蝕，這種情況的嚴重性比 PVC 材料加工時產(chǎn)生的氯化氫（ HCl）腐蝕要大的多，因此，對螺桿在高溫下耐腐蝕的要求更為嚴格。

對于擠出機的料筒。則要求具有良好的冷卻裝置， 以保證料筒溫度的穩(wěn)定性 。冷卻裝置通常有風冷卻和水（油）冷卻兩種。風冷卻裝置的溫度起伏較大，大約有 10～15℃左右，它的冷卻是驟冷式的，不利于類似CPVC 這種熱敏性較強的材料的加工成型。而水（油）冷卻裝置是將水（油）管路裝在加熱圈處料筒表面的溝槽內(nèi)。受到溫度控制的循環(huán)水（油）流能使其維持比較穩(wěn)定的溫度，其溫度起伏通常在 3～5℃左右。顯而易見，具有水（油） 冷卻裝置的料筒更利于 CPVC物料的擠出加工。

鑒于 CPVC 材料的難加工性，在沒有生產(chǎn)經(jīng)驗的情況下，一旦由于配方的不合理或模具結(jié)構(gòu)不合理， 就會產(chǎn)生較大的熔體壓力， 從而可能造成加工設(shè)備的嚴重損壞，因此對于生產(chǎn) CPVC 材料的擠出機來說， 應(yīng)具備更為安全的過程保護裝置 ，而且還要 設(shè)置具有承受更大背壓的止推軸承和相關(guān)的傳動機構(gòu) 。錐形雙螺桿擠出機與模具之間不能使用多孔板，這樣可以減小熔體背壓。 過渡套的壓縮比即較大的擠出機料筒出口孔徑過渡到較小的機頭孔徑的比例應(yīng)比生產(chǎn)硬質(zhì)PVC 制品時的壓縮比小 20%左右。

3）模具

通常情況下，設(shè)計加工硬質(zhì) CPVC 材料的機頭結(jié)構(gòu)時， 可參照生產(chǎn)硬質(zhì) PVC類似制品的相關(guān)機頭結(jié)構(gòu)。以擠出管材為例，機頭壓縮比不宜小于20，壓縮角不宜過大，以 60°為佳?？谀Ｆ街倍伍L度可取管材外徑的2 倍左右。芯棒內(nèi)必須裝有可以控制溫度的加熱裝置及冷卻裝置，以利于維持芯棒溫度的穩(wěn)定性， 保證管材內(nèi)壁光滑。

CPVC 物料在加工過程中比 PVC 更易分解，對設(shè)備及模具的腐蝕性更大，所以對于設(shè)備及模具的材料要求較高， 必要時還需鍍鉻防腐。 且其材料的收縮率也比 PVC 材料大，因此在設(shè)計模具時，都應(yīng)予以考慮。

2. 擠出工藝及配方

1）混料工藝

混料工藝有二個要求：一是投料次序，二是混料溫度。

通常情況下， 按次序投料可以獲得更好的混料效果。 它可以使用量較少的組分充分得到利用。其順序以次為： CPVC 樹脂、穩(wěn)定劑、加工助劑、填充料、潤滑劑等等。如配方中含有液狀組分，應(yīng)先將液狀組分與CPVC 樹脂先行混合， 其次再依次投入其它組分。

混料溫度的設(shè)定對 CPVC 物料的混合質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。高速攪拌時的混料溫度的提高應(yīng)該完全依靠物料在缸內(nèi)高速運動而產(chǎn)生，而不能采用外部加熱裝置。低速冷拌的溫度設(shè)定要保證以最短的冷卻時間獲得理想的混合物料,以提高工效，減少生產(chǎn)成本。

2）擠出工藝

上文中已指出， CPVC 樹脂是由 PVC 氯化改性而成的，隨著其氯含量的增加，其分子結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，三個主要鏈節(jié)中的第二類鏈節(jié)[CHCl －CHCl] 增加，并生成第三類鏈接 [CH2－CCl2]，隨之， CPVC 的極性提高，耐熱性、剛性等機械性能也進一步提高， 但抗沖性能下降， 脆性增大，流動性下降， 粘性增加。 顯而易見， CPVC 材料的擠出工藝，實質(zhì)就是配方工藝，它要求配方能夠?qū)崿F(xiàn)保存 CPVC 材料的優(yōu)良性能而減少不良性，其關(guān)鍵在于克服它的難加工性。如提高熱穩(wěn)定性，降低粘度，增加流動性，提高抗沖性能。所選用的輔助材料及用量應(yīng)考慮能不降低它的優(yōu)良性能。

3）配方

優(yōu)秀的硬質(zhì) CPVC 擠出加工配方，其工藝參數(shù)與擠出硬質(zhì)PVC 材料基本相同，但同時又要保證制品能附合相關(guān)的標準指標。以下為工業(yè)用CPVC 管材的加工配方 CPVC 樹脂與 PVC 混合使用。但其耐熱性能會隨著CPVC 含量的減少而降低。

CPVC 材料由于國內(nèi) PVC 粒子表皮較厚，除膜技術(shù)不足，所以氯化時不易均勻氯化，表氯含量高。加之聚合時的斷鏈較多等因素，所以CPVC 制品加工過程容易分解；由于氯化后的分子鏈支僵硬，材料極性增強。所以熔體黏度大，流動性差，材料脆性強。同時耐熱維卡、材料強度等性能提升。

由于以上不利的加工因素因素，很長時間里，多數(shù)UPVC 制品工廠不敢涉足其間。少數(shù)幾家技術(shù)好的工廠，也都是采用進口的CPVC 復配材料生產(chǎn)制品。 對于國產(chǎn) CPVC 原料、配方產(chǎn)生排斥思想。其實，只要針對CPVC 材料的特點、精心設(shè)計配方。則在破除 CPVC 加工性的困擾同時，一樣透過增韌技術(shù)改善材料的脆性。使之完全滿足工業(yè)、冷熱水管的標準需求。

從配方思路而言， CPVC 配方用料和 UPVC 并無二樣，用量多些罷了。 只是由于 CPVC 材料本身的連續(xù)穩(wěn)定性的不足，所以部分關(guān)鍵材料采用進口較為妥當，其余多數(shù)材料，皆可采用國產(chǎn)料。

參考的 CPVC 配方：

配方總體上越簡潔越好。 所以使用的加工助劑、 分散劑就復配起來統(tǒng)一稱量使用。這個配方的成本不高， 大約是市售 CPVC 料的 60%~70% 價格。性能全部達到 CPVC 冷熱水的國標。

3、CPVC材料及管材的質(zhì)量指標

國產(chǎn) CPVC 擠出料指標及檢測結(jié)果：

國產(chǎn) CPVC(dn 25mm)冷熱水管材性能及檢測結(jié)果：

4、新型 CPVC管材加工助劑介紹

CPVC 管材的生產(chǎn)會遇到各種各樣的難題，例如：

1) 脫模性不好，很容易糊料

2) 熔體粘度、壓力太高，很難加工

3) 熔溫太高，容易分解，流動性差

4) 配方系統(tǒng)和工藝條件十分復雜

5) 加工窗口很窄、生產(chǎn)穩(wěn)定性差

面對諸如上述的種種難題， 不同級別的潤滑劑以其不同的配比可達到不同的預期效果，幫助解決 CPVC 的生產(chǎn)難題。 

典型的 CPVC 配方體系：

（二） CPVC 材料的注塑成型加工

1、對設(shè)備的要求

CPVC 樹脂的粘性比 PVC 要高出很多，流動性很差，注塑加工難度比PVC樹脂要大得多。 因此，對設(shè)備及模具的要求也更高。 目前有一種新穎的雙螺桿注塑機特別適合 CPVC 材料的注塑加工。

CPVC 樹脂極易吸濕受潮， 因此，加工 CPVC 制品的注塑機最好選用排氣式注塑機。排氣式注塑機的主要特征是采用排氣式螺桿，而料筒上相對于螺桿減壓段處設(shè)有排氣孔， 物料在進入料筒后， 通過真空泵抽真空， 在負壓的作用下將物料中的水分及揮發(fā)物排出。

如采用普通型注塑機注塑加工CPVC 制品，則要求注塑機螺桿采用PVC 螺桿，螺桿的壓縮比在 1.5～2 之間，壓縮比偏大的注塑機螺桿會給CPVC 注塑加工帶來困難。

2、CPVC注塑制品的加工工藝 

1）工藝流程

CPVC 材料的注塑加工工藝流程與PVC 材料的加工工藝流程基本相同，稍有差別的是混合后的 CPVC 物料必須經(jīng)造粒后才能進行注塑加工。主要過程如下：

按配方配料 →高混→低拌→擠出造粒 →送入注塑機 →塑化→注塑成型 →冷卻→頂出制品 →修邊整理 →檢驗→包裝入庫

2）工藝參數(shù)

CPVC 樹脂在混料過程中易產(chǎn)生早期塑化， 混料溫度不宜過高， 如配方中含有液體組分，則應(yīng)將 CPVC 樹脂與液體組分在高速混合機缸內(nèi)單獨先混合，然后再依次投入其它配料進行混合。 由于目前大多利用 PVC 螺桿普通型注塑機生產(chǎn) CPVC 制品，因此，本節(jié)僅介紹 PVC 螺桿普通型注塑機的注塑工藝參數(shù)。

塑化溫度：

加料段：185～195℃；壓縮段：188～198℃；均化段：190～200℃；噴嘴：190～195℃。

注射壓力系統(tǒng)：

一級注射壓力： 40～50Mpa，保壓： 50～60Mpa；

二級注射壓力： 50～65Mpa，保壓： 55～65Mpa；

三級注射壓力： 50～65Mpa，保壓： 55～65Mpa；

預塑壓力： 60～75Mpa。

3）配方

CPVC 注塑制品的配方設(shè)計是要克服CPVC 樹脂的難加工性， 同時又要保持其材料的優(yōu)良性能。如生產(chǎn)工業(yè)用CPVC 管件或冷熱水用 CPVC 管件，其質(zhì)量性能必須達到國際標準的要求，主要指標維卡軟化點需達103℃。

三． CPVC塑料的加工應(yīng)用

CPVC 塑料由于其綜合性能優(yōu)越， 應(yīng)用范圍十分廣泛， 因而發(fā)展前景十分看好。我國目前僅將 CPVC 材料應(yīng)用在管材領(lǐng)域，且尚在開發(fā)階段，生產(chǎn)廠商大多靠進口的配方料進行生產(chǎn)。 因而制品價格相對較高。 相信在不久的將來， CPVC塑料將在我國普遍得到應(yīng)用， 特別是隨著 CPVC加工工藝技術(shù)的開發(fā)，國產(chǎn) CPVC樹脂必將成為市場主角， 產(chǎn)品價位也將趨于合理化， 產(chǎn)品的品種也將多樣化， 如型材、板材、棒材等都將得到全面開發(fā)和應(yīng)用。

（一） CPVC 塑料在管材領(lǐng)域中的應(yīng)用

CPVC 管材的應(yīng)用范圍相當廣泛，它的耐熱、耐候、耐腐蝕、阻燃、消煙等諸多優(yōu)良性能被用于輸送高溫腐蝕性介質(zhì)，因而工業(yè)用CPVC 管材這一產(chǎn)品首先被用于化工行業(yè)，如氯堿工業(yè)、冶煉工業(yè)、石油工業(yè)、造紙工業(yè)等。其次冷熱水用 CPVC 管材被應(yīng)用于開發(fā)地熱資源，輸送溫泉熱水及其它生活熱水。它還被應(yīng)用于供熱系統(tǒng)、 消防系統(tǒng)等。我國目前被大力推廣應(yīng)用的埋地式高壓電力電纜用 CPVC 套管，也正是利用了 CPVC 材料耐高溫這一特性，以承受高壓電力電纜纜芯所產(chǎn)生的高溫。

CPVC 管道安裝簡易可靠，安裝方法與PVC 管道相似，因此，具有 PVC 管道安裝經(jīng)驗者均能操作 CPVC 管道的安裝，且 PVC 管道的安裝已有成熟的施工規(guī)范，只要嚴格按照執(zhí)行，安裝質(zhì)量均可得到保證。這大大有利于CPVC 管道的推廣應(yīng)用。

（二）其它 CPVC 制品的應(yīng)用

通過成型加工， CPVC 材料可制成各種各樣的產(chǎn)品， 同時也能被用于各種領(lǐng)域。如板材可制作化工行業(yè)中的貯槽； 它也可被制作成型材， 作為線槽用于電氣行業(yè)保護高壓電線或大電流電線； 利于其阻燃消煙性能， 它還可制作成裝飾板材，用于室內(nèi)裝修；甚至于它還可以被用于汽車工業(yè)及航空工業(yè)。

利于 CPVC 樹脂的優(yōu)良性能，對其它塑料材料尤其是PVC 材料進行共混改性，可提高其它塑料材料的性能及使用價值，擴大了其它塑料材料的應(yīng)用范圍。

 （本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資料整理）