科技論文

摘  要

  從初期著色性能、制品物理性能、重金屬含量與衛(wèi)生性能等方面探討使用無毒穩(wěn)定劑生產(chǎn)給水管材的配方工藝要求，探討使用無毒穩(wěn)定劑生產(chǎn)給水管件的配方工藝要求。通過一系列配方和工藝試驗(yàn)對(duì)無毒穩(wěn)定劑進(jìn)行了甄選。

  關(guān)鍵詞：無毒穩(wěn)定劑、擠出、給水管

一、 前   言

  歐盟對(duì)電子電機(jī)設(shè)備中危害物質(zhì)禁用指令(Restriction of Hazardous Substances, 簡(jiǎn)稱ROHS) 將于 2006 年 7 月1日生效，其目的在于消除電機(jī)電子等產(chǎn)品中的六項(xiàng)物質(zhì)：鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯及多溴聯(lián)苯醚。同時(shí)，歐盟廢電子電機(jī)設(shè)備環(huán)境指令 (Waste Electrical and Electronic Equipment, 簡(jiǎn)稱WEEE) (2002/96/EC) 也已于 2003 年 2 月頒布，并于2005年8月13日正式強(qiáng)制實(shí)施，該指令針對(duì)各種電器產(chǎn)品規(guī)定了產(chǎn)品收集、循環(huán)使用及回收的要求及規(guī)范。

ROHS指令:  2002/95/EC  核心內(nèi)容

有害物質(zhì)	限量標(biāo)準(zhǔn)（mg/kg）
鉛（Pb）	1000
鎘（Cd）	100
汞（Hg）	1000
六價(jià)鉻（Cr6+）	1000
多溴聯(lián)苯（PBB）	1000
多溴二苯醚（PBDE）	1000

  衛(wèi)生部《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護(hù)材料衛(wèi)生安全評(píng)價(jià)規(guī)范》（2001），對(duì)與生活飲用水接觸的輸配水管的浸泡水重金屬含量作了嚴(yán)格限定，要求As≤0.005mg/L，Cd≤0.0005mg/L，Cr≤0.005mg/L，Al≤0.02mg/L，Pb≤0.001mg/L，Hg≤0.0002mg/L，F(xiàn)e≤0.06mg/L，Mn≤0.02mg/L，Cu≤0.2mg/L，Zn≤0.2mg/L，Ba≤0.05mg/L，Ni≤0.002mg/L，Sb≤0.0005mg/L，Ag≤0.005mg/L，Sn≤0.002mg/L。該標(biāo)準(zhǔn)比GB/T10002.1-1996里的重金屬含量控制（Pb≤0.3mg/L，Sn≤0.02mg/L，Cd≤0.01mg/L，Hg≤0.001mg/L）更嚴(yán)格。衛(wèi)生部標(biāo)準(zhǔn)比技監(jiān)局標(biāo)準(zhǔn)要求含量鉛減少300倍，錫減少10倍，鎘減少20倍，汞減少5倍。因此，在PVC加工過程中通常使用的Pb、Cd、Ba、Sn、Sb等重金屬穩(wěn)定劑，包括有機(jī)錫和硫醇銻穩(wěn)定劑，均受到嚴(yán)格限制其實(shí)，有機(jī)錫只是一定限度的無毒，除了作為重金屬的錫其含量受到一定控制外，有機(jī)錫中的硫醇一定程度有毒，氣味難聞，而且會(huì)腐蝕銅等金屬元素?，F(xiàn)在市面上流行的甲基錫穩(wěn)定劑，一般為一甲基錫、二甲基錫和三甲基錫的混合物，其中一甲基錫低毒，二甲基錫和三甲基錫有毒。另外由于硫醇錫和硫醇銻在陽光下暴曬會(huì)分解產(chǎn)生硫化物而使制品變色，所以戶外產(chǎn)品的使用受到限制。

  因此，在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在均重點(diǎn)開發(fā)和應(yīng)用無毒穩(wěn)定劑。鈣鋅是其中的一個(gè)重要品種。鈣鋅無毒，但鈣鋅的熱穩(wěn)定性能難以達(dá)到PVC的加工要求，尤其是對(duì)于硬質(zhì)PVC制品，加工過程容易出現(xiàn)初期著色而變紅。在透明制品上，鈣鋅的透明性能差，容易出現(xiàn)壓析、噴霜或者遇水白化現(xiàn)象。

  針對(duì)國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)現(xiàn)狀，肇慶市森德利化工有限公司成立了深圳市森德利塑料助劑有限公司專門研制開發(fā)了新型鈣鋅無毒穩(wěn)定劑――CZX系列，并實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。CZX系列是一種特殊的鈣、鋅、稀土的有機(jī)鹽基性化合物，絕對(duì)不含Pb、Cd、Ba、Cr、Sb、As、Hg、Se等毒害性重金屬。CZX系列外觀為白色固體粉末，可以避免使用普通鈣鋅穩(wěn)定劑而出現(xiàn)的初期著色“變紅”現(xiàn)象，尤其適合于給水管材，以及百葉窗簾、無毒電纜、玩具、家具材料、汽車飾件等需要無毒的場(chǎng)合。
  本文比較了國(guó)內(nèi)外幾種典型的穩(wěn)定劑在UPVC給水管材上的應(yīng)用。在擠出工藝過程的流動(dòng)性能、穩(wěn)定性能和制品的物理性能、耐侯性能等方面進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。

二、  實(shí)驗(yàn)部分

  2.1  主要原料
  PVC樹脂粉S-1000，S-700（齊魯石化、四川德陽等地產(chǎn)）；抗沖擊改性劑CPE135A、加工改性劑ACR-201、鈦白粉、填料、PE蠟等均為市場(chǎng)購買。鈣鋅或者稀土復(fù)合穩(wěn)定劑，進(jìn)口和湖南、廣東等地；無毒穩(wěn)定劑CZX－118，深圳市森德利塑料助劑有限公司。
  2.2  設(shè)備
  高速捏合機(jī)（200升）、冷卻混合機(jī)（500升），江蘇張家港億利機(jī)械有限公司產(chǎn)；Φ60錐型雙螺桿擠出機(jī)及擠出模頭，廣東聯(lián)塑科技有限公司產(chǎn)。
  2.3  實(shí)驗(yàn)方法

  將PVC樹脂粉、復(fù)合穩(wěn)定劑、內(nèi)外潤(rùn)滑劑、抗沖擊改性劑、加工改性劑、增塑劑、填料等原材料按一定的配比置捏合機(jī)中捏合，適當(dāng)調(diào)整溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、加料速度、牽引速度、冷卻水槽真空度等加工工藝，在Φ60錐型雙螺桿擠出機(jī)上擠出管材。

三、 擠出基本配方及其工藝

  3.1   基本配方
  我們采用固定其它材料的種類和用量，固定穩(wěn)定劑的用量，僅改變穩(wěn)定劑品種的基本配方來進(jìn)行試驗(yàn)，以求達(dá)到數(shù)據(jù)的可比性?；九浞饺绫?所示。

  表1  擠出基本配方

原材料	配方1	配方2	配方3	配方4
	湖南鈣鋅	某地稀土	進(jìn)口鈣鋅	CZX－118
PVCS-1000	100	100	100	100
CPE-135A	7	7	7	7
ACR 201	0.5	0.5	0.5	0.5
穩(wěn)定劑	4.0	4.0	4.0	4.0
PE-WAX	1.0	1.0	1.0	1.0
CaCO3	15	15	15	15
TiO2	2.5	2.5	2.5	2.5

  3.2基本工藝

  捏合溫度  熱混110℃  冷混55℃

  擠出溫度  螺桿一段  螺桿二段  螺桿三段  螺桿四段  螺桿五段
  165℃  165℃ 160℃ 155℃ 160℃
  法蘭溫度  165℃
  模具溫度  模具一段170℃  模具二段185℃
  3.3基本結(jié)果
  電流：配方1為60安，數(shù)據(jù)偏大；配方2-4均為40安左右，數(shù)據(jù)正常。
  壓力：配方1為27.8MPa，數(shù)據(jù)偏大；配方2為17.8MPa，數(shù)據(jù)稍低，配方3-4均為21.8MPa左右，數(shù)據(jù)正常。
  熔體溫度：配方1為175℃，數(shù)據(jù)偏大；配方2 -4均為165℃左右，數(shù)據(jù)正常。
  產(chǎn)品外觀：配方1產(chǎn)品呈明顯紅色；配方3略呈黃色，配方2、4產(chǎn)品為正常白色。
  3.4添加有機(jī)錫的試驗(yàn)
  在上述基本配方中加入0.1PHR有機(jī)錫TM-181，配方1產(chǎn)品略呈黃色，配方3、4產(chǎn)品正常，配方2產(chǎn)品變明顯黑色。

四、擠出工藝主要難點(diǎn)分析與解決對(duì)策

  4.1初期著色性能
  可以看出，普通鈣鋅穩(wěn)定劑（如配方1）的穩(wěn)定性能較差，熔體擠出塑化時(shí)“過早塑化”不耐溫，使擠出壓力和熔體溫度升高；耐初期著色性能差，從而使產(chǎn)品出現(xiàn)紅色。而配方3、4所使用的穩(wěn)定劑不含重金屬，穩(wěn)定性能良好，能較好的解決初期著色問題。
  4.2制品物理性能
  對(duì)于耐壓性能與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系，有人（1）曾提出過Naday公式
  PB  瞬時(shí)間之爆破水壓(MPa)
  f  拉伸強(qiáng)度(MPa)
  t  管厚(cm)
  Dm  PVC管中線口徑(cm)
  D  PVC管外徑(cm)
  f  PVC管外徑(cm)
  可見，在管壁厚一樣的情況下，耐壓性能與拉伸強(qiáng)度有關(guān)。鈣鋅穩(wěn)定劑的基本組成是金屬皂硬脂酸鈣和硬脂酸鋅，金屬皂加入過多容易使產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致耐爆破水壓（耐壓性能）降低。
  拉伸強(qiáng)度除了與配方中的材料種類和數(shù)量有關(guān)外，還與管材的塑化度有關(guān)（見表2）。
  表2  不同塑化度管材的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率

塑化度%	20	40	60	655	70	80
拉伸強(qiáng)度MPa	39	43	46	44	43	34

  管材塑化程度除了與配方材料有關(guān)外，還可通過擠出機(jī)和模頭溫度輔助調(diào)節(jié)。螺桿轉(zhuǎn)速應(yīng)與配方的流變性能相對(duì)應(yīng)，否則影響塑化。由于普通鈣鋅穩(wěn)定劑的熱穩(wěn)定性能差，溫度升高螺桿轉(zhuǎn)速加快，制品容易變色，因此其加工工藝范圍受到限制。
  4.3金屬含量與制品衛(wèi)生性能
  配方2所使用的穩(wěn)定劑含有與有機(jī)錫中的硫醇起化學(xué)反應(yīng)的重金屬元素，因此盡管塑化性能和耐初期著色性能均十分良好，但由于重金屬受到嚴(yán)格管制，并不適合用于生產(chǎn)給水管材。配方3、4所使用的穩(wěn)定劑不含重金屬，穩(wěn)定性能良好，能較好的解決初期著色問題。

五、結(jié) 論

使用深圳市森德利塑料助劑有限公司生產(chǎn)的無毒鈣鋅穩(wěn)定劑，同時(shí)配合合適的生產(chǎn)工藝，能改善制品的初期著色性能、耐壓抗沖擊等物理性能、同時(shí)滿足衛(wèi)生部門對(duì)重金屬含量控制等等衛(wèi)生性能要求，生產(chǎn)出合格的給水管。