微粉網訊：填料雖然只占PVC管材配方的很小一部分，但對提高PVC管材的性能和質量發揮著重要的作用，而且會對PVC管材生產的各個環節產生很大的影響。因此，填料增加后應及時調整潤滑體系予以平衡，否則會對PVC管材的生產造成極大的破壞作用。
填料又稱填充劑，是一類添加到塑料中能增加體積、降低制品成本的物質。填料不但降低了塑料制品的生產成本，提高了樹脂的利用率，同時也擴大了樹脂的應用范圍，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6項測試實驗來討論在管材生產過程中填料是如何影響PVC管材生產的，并就其中出現的各種問題提出了相應的解決方案。
填料對PVC管材生產的影響
一、混料工藝
在PVC管材配方中增加填料后，首先會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，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始溶解，發揮潤滑作用，從而使電流保持在一定范圍內。隨著混料溫度不斷升高，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，隨著填料含量的增加，混料時間呈上升趨勢。增加1倍的填料，混料時間可延長22%左右。這也與混料電流下降相對應，當電流值為67～76 A時，混料電流處于一個較低的曲線，而增加改質劑后，降低了物料混合過程中的摩擦熱，同時由于高混鍋排料溫度的升高，延長了混料時間，從而為配方中各組分提供了充分的混合時間，顯著提高了PVC樹脂的包覆效果和干混料的混合均勻性。
圖2填料對混料時間的影響
圖3所示為填料的增加對干混料表觀密度的影響示意圖。從圖中可以看出，填料的增加對表觀密度的影響很小，只有1%左右。這是由于填料的流動性比較好，尤其是在高溫時流動性能更好，所以在混料過程中由于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填料對干混料表觀密度的影響
總之，填料的增加會大大降低混料工序的效率，但不會對干混料的質量造成較大影響。
二、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。當填料含量較低時，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，延長了塑化時間，但可有效提高PVC管材的剛性。填料加量過多則會提高物料的粘性，平衡轉矩也會隨之升高。
研究發現，在實際的應用過程中，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題，并同時伴隨著壁厚尺寸出現誤差等問題。這是因為填料顆粒的加入限制了PVC分子鏈的旋轉和移動功能，因而對那些與PVC分子鏈有關的材料性能均有影響。提高材料的模量會降低離模膨脹率和熱收縮率，這樣處于高溫下的管坯在進入真空定徑裝置冷卻定型的過程中，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
三、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。隨著填料含量的增加，在擠出過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出現過塑化問題，且管材的擠出量隨之下降，造成產量的降低。如圖4所示，在相同的擠出工藝條件下，隨著填料含量的增加，扭矩值和熔體壓力呈逐步上升趨勢。隨著填料含量的增加，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），而此時設備自身的冷卻系統已達到滿負荷狀態，無法使該區溫度繼續下降，通常會高出設定溫度15℃～25℃。這時若要緩解物料的過塑化問題，必須將實際溫度降低至130℃以下，而在如此低的溫度下生產管材，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，而且此時物料塑化所需的熱能需要大量的機械能來轉換，這樣長時間的擠出運轉勢必會加劇螺桿及設備傳動系統的損壞。
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，其尖角也會對設備有影響。從機筒抽真空處觀察到的塑化情況與螺桿扭矩曲線上表現出的塑化情況對比發現，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，甚至是模具都會有較大的磨損。
綜上所述，在實際生產過程中，填料增加后的情況：試樣0#～4#的液壓實驗時間從23min～60min不等。試樣0#～3#主要是剪切熱大，物料有過塑化現象，均出現了韌性變形：試樣0#的液壓時間為23min，此時物料并未出現塑化過度的現象，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℃，雖進一步改善了塑化效果，大大延長了液壓實驗時間，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逐漸由條狀轉變為絮狀，扭矩值和熔體壓力也逐漸恢復到原有水平，液壓實驗逐漸好轉，但仍然達不到質量標準要求。這樣我們對試樣4#的滑劑種類進行了調整，適當的增加了內潤滑劑的比例，對比發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，液壓實驗性能最好。
圖6液壓實驗對比圖
解決方案
一般，可以通過提高管材的擠出速度和增加模具壓縮段的壓力來提高離模膨脹率，從而使管材的壁厚達到標準范圍。通過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，如果仍無法達到預期的目的，那么就必須通過更換定型模具來解決該問題。
在實際生產過程中，可以通過降低管材的擠出速度或喂料量來緩解高扭矩和高摩擦熱的問題，但隨之而來的是設備產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。在增加填料的同時，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，緩解過塑化問題。另一方面，要改進管材生產的整個生產流程源頭，即調整配方組份。調整配方組份其實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。
在生產PVC硬管時，所需的熱量來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。由于混料在加工時受到一定的剪切力會產生大量的剪切熱，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塑化并降低塑化扭矩，而外潤滑劑可延遲塑化并防止樹脂熔體粘附在加工設備的金屬表面。可通過調整內外潤滑劑的比例來調控樹脂混合物的塑化時間，以滿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
在管材生產的過程控制中，需要結合干混料的性能檢測結果對配方中的潤滑體系進行調配。調配主要以硬脂酸、石蠟和改質劑為主，保證混料電流值趨于偏中下水平，混料時間必須達到8min以上，表觀密度達到0.64。在工藝調試過程中，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度，改善液壓實驗性能。隨著擠出工藝溫度控制逐步下降，接下來應盡可能下調工藝溫度，包括機頭溫度的控制。若調試過程中管材擠出速度變大，出現韌性變形的次數越頻繁，說明調整不適宜，干混料的加工性能欠缺。
如果加工設備的剪切力過大，生成的摩擦熱過多，在加工較易分解的樹脂時就必須降低加工溫度，以避免樹脂內部局部過熱而造成熱分解。由于樹脂都是熱的不良導體，單靠降低加熱溫度來調節很有限，最可靠的方法是降低樹脂粘度，從根本上減少摩擦熱。這時，可適當地按比例增加內、外潤滑劑用量來降低樹脂的熔體粘度，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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