年产17000吨商品房用聚丙烯上水管挤出工艺设计.docx

1、年产17000吨商品房用聚丙烯上水管挤出工艺设计年产17000吨商品房用聚丙烯上水管挤出工艺设计摘 要PP-R管材具有一般质量轻、强度好、耐热腐蚀性好、耐低温抗冲击性好、无毒卫生、使用寿命长等特点。广泛应用在建筑工业中冷热水输送、日常用水、油或腐蚀性液体的输送、城乡人、畜饮水工程及农用灌溉。文章介绍了聚丙烯的结构和性能以及聚丙烯管材的发展、特点、性能及分类，其中重点介绍了PP-R管材的特点、性能和用途等，并做出了对PP-R管材挤出成型工艺的设计，同时也对PP-R管的生产规模和经济效益等做出了一定的核算。其中工艺设计包含了对PP-R管材的原料配方的确定，成型设备的选则，工艺参数的制定，成型工艺步

2、骤与流程，产品品质的检验。结果表明，合适的工艺条件和成型设备加上有效的管理执行，就能够确保PP-R管的品质质量以及年产量，并且可以取得一定的的经济效益。关键词： PP-R，管材成型，工艺设计，设备，经济概算 An annual output of 17,000 tons of polypropylene housing extrusion process design on the waterABSTRACTThis paper introduces the development of the structure and properties of polypropylene and pol

3、ypropylene pipes, features, performance and classification, which focuses on the characteristics of PP-R pipe, performance and intended use, and made of PP-R pipe extrusion process design, but also for PP-R pipe production scale and economic benefits made some accounting. Process design which includ

4、es a determination of PP-R pipe material formulation, formulation election then, the process parameters of the molding equipment, molding process steps and processes, product quality inspection. The results show that the appropriate process conditions and molding equipment coupled with the implement

5、ation of effective management, we can ensure the quality of the quality of PP-R pipes and the annual output, and can get some money.KEY WORDS: PP-R, pipe forming, process design, equipment, economic estimates目录前言80年代以前，我国的住宅及公共建筑的上水管基本上是镀锌钢管，由于受材质自身的局限，镀锌钢管存在使用寿命短、易造成水质二次污染等缺点。为了保障人们日常饮用水的质量、我国部分地区，

6、如上海、浙江、河北、江苏等省市已先后提出淘汰镀锌钢管，用高质量的塑料管代替。目前，在我国已相续开发了PVC管、PE管、铝塑复合管、玻璃钢管、钢塑复合管和聚丙烯管等一批塑炼管材，并取得了一定的市场占有率。 特别是其中聚丙烯塑料管以聚丙烯树脂为主要原料，采用单螺杆挤出机挤塑成型。这种管材在各种塑料管中具有质量最轻，无毒，耐酸、耐化学物质腐蚀，韧性和耐热性好的特点。其耐环境应力开裂性能比聚乙烯管好，可在不大于110低负荷条件下长时间应用。因此，聚丙烯塑料管在日常水管使用方面占有一定量的比例。另外聚丙烯管材管材具有耐高温、管道连接方便、可回收使用等特点，主要应用于农田输水系统、建筑物给水系统、采暖系统

7、以及化工管道系统等。按照不同的PP聚合工艺条件可将其分为均聚聚丙烯(PP-H)、嵌段共聚聚丙烯(PP-B)以及无规共聚聚丙烯(PP-R)。由于PP-H管材在低温下的脆性限制了它的使用，在一些应用领域逐渐被PP-B管材、PP-R管材所取代。其中PP-B管主要用于冷水系统、地面采暖系统，PP-R管的应用则尤为广泛。然而1999年以前国内PP-R管材生产企业所用原料基本全是进口料，主要来自欧洲和韩国。欧美发达国家早在80年代就开发了无规共聚管材专用料，而国内石化企业1999年以后才陆续开发出了PPB和PPR管材专用料。并且在2000年，国内PPR管材专用料产量约3000吨，进口量约在1万吨；2003

8、年国内产量达到3.5万吨，进口量9.5万吨左右。目前北欧PPR管材料价格在13500元/吨，而国产料的出厂价格大都在9000元/吨以下，韩国晓星产品的价格在9500元/吨。这说明国产料质量和制品性能与北欧化工产品存在较大差距，需要加以改进和提高。随着我国聚丙烯生产技术的不断成熟，在武汉、济南、福建、长岭及九江等地陆续建成并投人运营的年生产能力为7万吨的聚丙烯生产装置就是采用国产化的环管式液相本体-气相本体组合法工艺。由于新建生产装置的设备的国产化率达到即80% 以上，全套生产装置的总投资比进口同类型的生产装置节约40% 50 %。后来，年产10万吨国产化的聚丙烯生产装置投入运行， 这表明我国聚

9、丙烯树脂的生产、设计技术的发展已迈进新的发展时期。 但是与国际聚丙烯生产技术发展水平相比，目前国内聚丙烯生产中存在突出的问题依旧是单套生产能力太小，如：即使是在目前国内大型聚丙烯生产装置中， 年生产能力超过10万吨的生产装置也少： 燕山石化公司化工二厂、茂名石化公司乙烯工业公司、以及尚未竣工的大庆石化总厂；台塑聚丙烯有限公司等。而采用间歇式本体法生产工艺的聚丙烯生产装置，单套生产能力则更小。 由于聚丙烯树脂的优异的性能价格比，使得国内聚丙烯树脂的市场需求量一直呈直线上升。这也刺激了国内聚丙烯的生产能力的扩建。 第1章 聚丙烯及其管材1.1 聚丙烯1.1.1 聚丙烯的性能特点聚丙烯是一种结构规整

10、的高结晶性(结晶度高达95%)热塑性树脂。在常用的塑料中他是最轻的品种1。有以下性能：1. 聚丙烯是一种乳白色蜡状物，无毒、无臭，密度为0.900.91g/cm。2. 聚丙烯的力学强度、刚性和耐应力开裂性优于高密度聚乙烯；耐磨性好、硬度高、高温冲击性好、耐反复折叠性好。3. 耐热性好，热变形温度为114，熔点164170，可在130中消毒使用，连续使用温度最高为110120。4. 化学稳定好，除强氧化性酸对其有腐蚀性外，与大多数化学药品不发生作用；不容于水，几乎不吸水，在水中24h吸水性仅为0.01%。5. 制品在使用中易受光、热和氧的作用而老化。所以制品用料中需添加紫外线吸收剂和抗氧剂来提高

11、制品的耐候性。6. 成型加工性能好，由于聚丙烯的软化点高、热焓低，因而它的成型加工温度也较高，但它的熔体粘度较低，提高剪切速度和温度均能增加熔体的流动性有一提高剪切速率为显著。由于pp有较好的流动性能，因而具有优良的成型加工性，使它的成型周期比大多数其他热塑性塑料短。1.1.2 聚丙烯的用途聚丙烯制品是一种质轻、无毒、价格便宜、性能优良、成型较容易和用途广泛的塑料。不同聚丙烯制品应用如下：1. 聚丙烯挤出吹塑薄膜是一种很生产设备简单、生产效率较高、价格便宜的制品。在食品包装和纺织品及民用生活咋拼包装方面广泛应用。2. 聚丙烯流延薄膜能与其他种类的塑料薄膜，如纸和铝箔等位基材，复合成两层或两层以

12、上的复合膜。当外层时，聚丙烯膜是一种强度好、尺寸稳定的、阻隔性、耐热鱼耐寒性和可印刷性好的薄膜；用于内层时，是一种热封合性、耐油性和卫生性好的薄膜；用于中间层时，是一种气体阻隔性好、能代替玻璃纸的薄膜。这种复合薄膜用于食品包装时可在130温度中蒸煮杀菌。3. 注射成型的周转箱，质轻、耐水、外形尺寸稳定，有一定的刚性和强度，在商品周转和销售包装方面广泛应用。4. 挤出成型的管材可用于各种液体的输送管道中，主要应用于农田输水系统、建筑物给排水系统、采暖系统级化工管道系统等。1.2 聚丙烯管材1.2.1 聚丙烯管材的分类聚丙烯系列管材的分类不多，主要有均聚聚丙烯管材(PP-H)、嵌段共聚聚丙烯管材(

13、PP-B)、和无规共聚聚丙烯管材(PP-R)。1.2.2 聚丙烯管材的特征聚丙烯系列管材具有以下特征：1. 具有优秀的化学性能，耐酸，耐碱、耐腐蚀；2. 耐热保温，最高使用温度为95，长期使用温度为70；3. 具有较高的力学强度和较好的刚性；4. 管材内壁表面光滑，流通阻力小，流通量大、耐磨损，不结垢；5. 原材料可以回收再利用，加工成本低；6. 无毒卫生，安全可靠；7. 安装简单易行，操作简便，节省费用。均聚聚丙烯管材的最大缺点是在低温下的脆性和耐老化性能较差，所以他的应用受到限制2。但均聚聚丙烯密度小、强度高、耐磨、耐腐蚀、刚性和热变形温度高的突出特点又是人们所期望的，从而人们对其进行了分

14、子结构上的改性，在材料合成时，添加少量的依稀单体进行气相共聚，生产出前段共聚聚丙烯(PP-B)和无规共聚聚丙烯(PP-R)用于生产管材，是管材在保持原来具有的特性下，低温下的脆性和易老化性都得到了很好的改善。2无规共聚聚丙烯管的维卡软化点为133，最高工作温度可达95，在1MPa、70的条件下，可使用50年，一直活跃在建筑冷热给水管道领域。1.2.3 聚丙烯管材的应用均聚聚丙烯管主用用于腐蚀性化工液体和气体输送管、农田排灌管、城市排水管、热交换器管、太阳能加热器管、井水管、自来水管等，其用量远小于聚氯乙烯管和聚乙烯管。嵌段共聚聚丙烯管(PP-B)和无规共聚聚丙烯管材(PP-R)是20世纪80年

15、代末90年代初，最先由洲洲几个国家开发应用的新型塑料管道产品，由于他较好地保留了聚丙烯原有的优良特性，又较好的改善可聚丙烯原有的低温脆性、易老化、抗冲性差等等不足而使聚丙烯管材的应用跃上了一个新台阶，成为建筑领域冷热给水领域的优先选择品种3。1993年至1996年欧洲PP-R管的使用量由3万吨发展到4.4万吨，平均每年递增幅度大于15%。我国于1997年从国外引进技术和设备，现在已有扬子石化、燕山石化、大庆石化、齐鲁石化、中国石化等几家大型石油化工企业可以生产聚丙烯材料，管材的生产设备已全部国产化，且达到国际先进水平。尤其是所生产的无规共聚聚丙烯管材(PP-R管)主要用于建筑热水给水管，嵌段共

16、聚聚丙烯管材(PP-B管)主要用于建筑冷水给水系统，市场销量日益增多，已成为国家建设部优先推荐使用的主要建筑给水用管道和采暖系统。第2章 聚丙烯管的原料配方2.1 聚丙烯原料及性能经聚合工艺生产的聚丙烯由于所用催化剂的活性不同而有不同的后处理方法。经后处理干燥得到的产品为聚丙烯粉料。一般的聚丙烯粉料受光线和空气的作用易老化，即使加入抗氧剂，由于混合不均匀，仅能附着于粉料的表面上，运输过程中易脱落分离因而不能发挥作用。所以大规模工业生产聚丙烯装置都配有挤出机造粒装置。将粉料聚丙烯与抗氧剂以及必要的添加剂进行混合后经单螺杆挤塑机、熔融混合、挤出造粒而得到与抗氧剂充分混合的聚丙烯粒料，作为商品供应市

17、场。2.1.1 无规共聚聚丙烯丙烯聚合时在釜中加入少量的乙烯单体，在聚合釜中进行共聚，则制的聚合物主链中无规则的分布着丙烯和乙烯链段的共聚物，即为无规共聚聚丙烯。由于无规共聚聚丙烯中有1%4%(质量)的乙烯含量，则分子链中无规则的分布丙烯和乙烯链段，使产品的立体规整度(等规度)遭到破坏、而得到不同结晶度的共聚物，使其制品性能有所改变。与均聚聚丙烯相比，其制品具有韧性、耐寒性、冲击强度高等特点，其性能见表2-1。所制得的管材除了具有高强度、抗弯曲、耐疲劳、耐腐蚀、无毒的优良性能外还具有耐高温、抗蠕变能力强的特点，多以多用作建筑热水的给水管4。2.1.2 嵌段共聚聚丙烯嵌段共聚聚丙烯是由一些乙烯、

18、丙烯单体共聚生产的具有高抗冲性能的弹性短链段，同主体材料均聚聚丙烯较长链段均匀地进行嵌段共聚而生成大分子链的嵌段共聚物。因此所制得的嵌段共聚聚丙烯具有较好的抗冲击强度。较无规共聚聚丙烯而言，其低温抗冲击性能远大于PP-R，因此所制得的管材多用于建筑冷水的输送系统。表2-1 无规共聚聚丙烯的性能项目性能指标项目性能指标熔体流动速率/（g/10min）4.5热变形温度/74.7密度/（g/cm3）0.901脆化温度/-15拉伸弹性模量/MPa1012.3维卡软化点/131断裂伸长率/%320吸水性/%0.002弯曲弹性模量/MPa850.6洛氏硬度（R）782.1.3 PP-B与PP-R管在选择应

19、用上的区别根据ISO/DIS 15874:1999国际标准给出的对管材设计压力、管材壁厚的计算方法计算，其结果表明：在一般情况下，当使用温度在60以下，设计工作压力在0.6MPa以下，PP-B管材更具应用优势；而当使用温度在60以上，设计工作压力在0.6MPa以上，PP-R管材更具使用优势。仅我国的冷热水管道应用领域来看，热水输送、高温采暖领域宜选用PP-R管材；冷水输送、低温采暖领域宜选用PP-B管材。PP-B管材的其他特性及生产工艺、产品质量标准等与PP-R管材无异。2.2 原料的配方2.2.1 配方的概念和原则配方是指为达到某种目的，在树脂中混入其他物质而形成的复合体系。混入的其他物质一

20、般成为助剂或添加剂。配方设计是指选择在树脂中加入的助剂种类，并确定其加入量多少的一个过程他是选择合理配方的必要手段。事实上，塑料制品都要遇到配方设计的问题，即使树脂的性能足以完全满足塑料制品的性能要求，也还要考虑其加工性、颜色及成本问题5。对于一个具体的塑料制品，如何选择合适的助剂以取得合适的配方，这就要求在进行配方设计前，对制品所用的树脂及助剂的型号性质有充分的认识和了解这样才能设计出物美价廉的制品。因此配方的设计有以下原则：1. 树脂原料及助剂的选择对于树脂原料首先考虑其种类和型号，共聚物货均聚物；其次是它的性能和主要用途，加工的适应性；最后是熔体流动速度、分子量大小与分布、黏度等技术指标

21、。2. 成型设备加工条件的选择塑料制品的成型方法有很多种，即使是一种产品也有很多成型方法。由于成型工艺不同，其工艺条件也不相同，所以配方设计的内容也不相同。3. 制品性能要求的选择首先要了解该制品的各项性能指标，有否国际标准、国家标准、行业标准和企业标准等，一次标准或略高于此标准为设计一局老选择树脂、助剂和成型工艺。2.2.2 PP-R的原料配方以PP-R管材的原料配方为例：表2-2 PP-R管材的原料配方原料种类质量（份）无规共聚聚丙烯(PP-R)100四季戊四醇酯(抗氧化剂1010)0.5DLTP(硫代二丙酸二月桂酯)0.5成核剂(TMB-4)0.2PP-R管采用无规共聚聚丙烯树脂专用料，

22、所用助剂应能与专用树脂相容性良好，并且能够弥补专用树脂的某些不足，其助剂有抗氧化剂1010辅助抗氧化剂DLTP，成核剂TMB-4，其性能及作用如下6：抗氧化剂1010：白色粉末，熔点为119-122，微毒，不挥发，不污染，耐热性好，此抗氧化剂抗氧化效果好，是常用的抗氧化剂，加入量一般为0.1%-1%，通常和辅助抗氧化剂DLPT协同使用，可以节省主抗氧化剂的用量。抗氧化剂能起到防止原料在成型过程中与空气中氧气接触而自动氧化降解的目的。DLTP：白色结晶粉末，熔点为38，气味较小，挥发不大，微毒，常与1010并用，配合使用的比例为：主:辅=3:7，加入量为0.2%-1.5%。成核剂TMB-4：能够

23、提高制品的结晶度，改善制品的抗冲击性能，抗蠕变等的力学性能，提高其使用寿命。聚丙烯管道系统的管材专用料应含有必需的添加剂，且添加剂均匀分散。该材料配方在合成阶段就已经设计好，管材生产时只需加入色母料就可以直接生产。第3章 管材挤出成型工艺 挤出成型在塑料加工中又称为挤塑，在非橡胶挤出机加工中液压机压力于模具本身的挤出称压出。是指塑料通过挤出机料筒和螺杆间的作用，边受热塑化，边被螺杆向前推送，连续通过机头而制成各种截面制品或半制品的一种加工方法。3.1 挤出成型的原理料自料斗进入料筒，在螺杆旋转作用下，通过料筒内壁和螺杆表面摩擦剪切作用向前输送到加料段，在此松散固体向前输送同时被压实；在压缩段，

24、螺槽深度变浅，进一步压实，同时在料筒外加热和螺杆与料筒内壁摩擦剪切作用，料温升高开始熔融，压缩段结束；均化段使物料均匀，定温、定量、定压挤出熔体，到机头后成型，经定型得到制品7。3.2 管材的挤出设备管材挤出设备包括挤管主机和辅机。3.2.1 挤管主机管材生产的主机为塑料挤出机，本工艺采用单螺杆挤出机，其基本组成包括挤出系统、传动系统、加热冷却系统、加料系统和控制系统。其基本结构如图3-1所示.1. 挤出系统挤出系统主要由螺杆和机筒组成。螺杆是挤出机的关键性部件，它的主要任务是完成塑料树脂的塑化和输送，内称为挤出机的心脏，是使塑料树脂混炼、加压而进行挤出的重要部件。常用图3-1 单螺杆挤出机示

25、意图1-法兰 2-分流板 3-螺杆 4-冷却系统 5-加热器 6-机筒 7-齿轮泵 8、10-电动机 9-轴承 11-料斗 12-齿轮减速箱 13-旋转接头 14-V带轮 15-电动机 16-减速箱体 17-机座 18-机罩的螺杆有等距不等深、等深不等距、不等距不等深螺杆。本工艺设计采用等距突变螺杆，其结构如图3-2所示，其螺槽深度从供料段的深螺槽想均化段的浅螺槽过渡，是一个在较短的螺杆轴向距离内完成的，压缩段很短，供料段很长。这种螺杆对物体能产生较大的剪切作用，主要是英语黏度低，熔点较明显的结晶性塑料，如PE、PP等。螺杆的主要技术参数有：(1) 螺杆直径(D) 螺杆直径D是螺杆的主要参数之

26、一，通常是指螺纹的公称直径，表示挤出机的大小规格。D的大小一般是根据制品的断面尺寸，加工塑料的种类和生产效率来确定，螺杆直径和制品的尺寸范围的关系见表3-1.表3-1 螺杆直径与基础制品尺寸关系螺杆直径（mm）30456590120150200管材直径（mm）33010452065301205018080300120400 增大螺杆的直径挤出机的生产能力显著增加，但螺杆直径增大时，对挤出机的设计和加工要求提高。一般应根据制品的要求、物料特性及所需的生产效率和机械加工能力来综合考虑，选择合理的螺杆直径。用大直径的螺杆挤出小规格的制品是不经济的，且饮机头压力过高，易损坏机器，工艺条件也不好控制。图

27、3-2 单螺杆结构示意图H1-送料段槽深 h2-计量段槽深 D=螺杆直径 t-螺距 e-螺棱宽度-螺旋角L-螺杆长度 L1-送料段长度 L2-压缩段长度 L3-计量段长度 (2) 长径比(L/D) 表征螺杆特性的另一重要参数是螺杆的有效长度(L)与其直径之比，即长径比(L/D)。增大长径比可以提高物料的混合和塑化能力，使出料均匀稳定，同时还能产生较大的压力，增加制品的密实程度，提高制品质量，增加产量，挤出量可提高20%40%，有利于粉料成型。国家标准规定L/D有15、20、25，非标L/D有28、30或更大。(3) 压缩比() 螺杆加料段第一个螺槽的容积与计量段的最后一个螺槽的容积比成为压缩比

28、。压缩比的大小对制品的密实性和排出物料中所含空气的能力等影响很大8。(4) 螺杆各段的作用 按塑料在螺杆上运转情况可分为送料段、熔化段和计量段。各段的作用各不相同。送料段是自塑料入口向前延伸的一段距离(大约210D)。在这段中，塑料依然是固体状态。这段的作用是是塑料受热前移，亲耳螺槽容积不变，一般为等距等深的。螺槽深度不小于0.1D，螺距(S)为11.5D。为使塑料有较好的输送条件，要求减少物料与螺杆的摩擦而增大物料与料筒的切向摩擦，可在料筒与塑料接触的表面开设纵向沟槽，提高螺杆表面光洁度，并在螺杆中心通水冷却。融化段是螺杆中部的一段。塑料在这段中，除受热和前移外，即由颗粒状固体逐渐压实并软化

29、为连续状的熔体，同时还将夹带的空气想送料段排出。为了适应这一变化，通常使这一段螺槽逐渐缩小，这样既有利于制品的质量，也有利与塑料的升温和熔化。压缩段的长度与物料的性能有关，其长度大约为515D。均化段是螺杆的最后一段，也叫计量段。这段的作用是使熔体进一步塑化均匀，并使料流定量、定压的从机头流道均匀挤出。这段螺槽的截面可以是恒等的，但比前两段都小，其螺槽深度为0.020.06D9。其长度为47D。(4) 螺槽深度 螺槽的深度与物料的热稳定性、螺杆的塑化效率及压缩比有关。其中均化段螺槽的深度很重要，他对螺杆的混合效率和生产的最大压力有很大的影响。(5) 螺距(S)和螺旋角()螺杆直径确定后，螺距(

30、S)不但决定螺旋角，而且也影响到螺槽的容积。螺距减小，正推力增加，螺槽容积减小，这就影响了挤出机的产量。从螺杆的制造方面考虑，通常以螺距等于螺杆直径最易加工，此时为1742,而且对产量的影响不大，螺杆的螺旋方向一般为右旋，螺翅的宽度一般为0.080.12D。机筒是挤出机的主要部件之一。和螺杆共同组成了挤出机的挤出系统。挤压时机筒内的压力可达55MPa，工作温度一般为150250，因此机筒可看作是受压和受热的容器。常用的机筒为整体式机筒，其容易保证加工精度和便于安装加热冷却系统加热均匀地特点，而在生产中广泛使用。2. 传动系统传动系统是挤出机的主要组成部分。其作用是在要求的工艺条件下，使螺杆获得

31、所需扭矩，并保持螺杆旋转均匀，完成对塑料的熔融、塑化和输送。通常是由电动机、减速机构和轴承灯组成。3. 加热冷却系统挤出温度是挤出成型的重要控制条件，使物料温度上升的热源有外部加热和物料的内摩擦热。黏度大的物料在压缩段、均化段都要产生大量的摩擦热，又时甚至可能超过规定的温度，这就需要冷却降温。所以挤出机既要有加热系统，也要有冷却系统。(1) 挤出机的加热物料在挤出成型过程中所需的热量是由装在机筒外部的加热器和螺杆的机械能转变的热能供给。机筒外部加热通常使用电阻加热和感应加热。(2) 挤出机的冷却熔体黏度较大的塑料在压缩段和计量段受到很大的压力，产生较大的摩擦热，当物料在螺杆内受到剪切和摩擦产生的热量超过物料熔融所需的热量是，就需要通过冷却系统将多余的热量移走。挤出机的冷却补位有机筒、螺杆和加料斗座10。螺杆的冷却时在单螺杆挤出机的的螺杆内部通入水、空气、恒温油等介质来冷却，以降低螺杆温度。机筒的冷却通常有水冷和风冷冷却装置，以保证物料不至于因温度过高而分解。加料斗做的冷却一般采用夹套式冷却法，以水为介质来冷却。4. 加料系统加料系统的作用是给挤出机供料，一般由加热器和供料器组成。(1) 加