聚丙烯双壁波纹管关键性能设计及加工工艺探讨

,聚丙烯双壁波纹管关键性能设计及加工工艺探讨,第15届全国塑料管道生产和应用技术推广交流会,顾地科技股份有限公司2013.8.15,主讲内容,一、聚丙烯双壁波纹管关键性能,近年来，塑料埋地用排水/排污管道的市场逐步扩大。一方面我国越来越重视对于环境的保护，不少地区在大力治理江河湖海的污染。另一方面对于塑料埋地用排水排污管的研究试验和标准及规范制定工作也逐步有了很大的进展。通过实际应用塑料排水/排污管道的优点正在逐步被认识，很多地区已大量应用。,引言排水/排污管道现状,引言排水/排污管道现状,在各种塑料排水/排污结构壁管道中，国内外的双壁波纹管的产量都占据塑料排水/排污管道较多的份额。现状：前几年主要应用聚氯乙烯(PVC-U)和高密度聚乙烯(HDPE)双壁波纹管，最近才开始探索发展聚丙烯双壁波纹管。由于PP材料加工流动性能好，且PP的弹性模量比HDPE高，在欧洲已经广泛应用PP双壁波纹管，近年国外塑料室外排水管越来越多采用高刚度PP的结构壁管。,引言PP双壁波纹管研发现状,国内的管道生产商一般配备的是HDPE波纹管成型机，而聚丙烯PP-B材料的模量一般在1100-1300MPa，国外开发的新型高模量聚丙烯（PP-HM）材料更高，可达到1900MPa，针对于不同的材料，通过调整加工参数，一定口径的聚丙烯双壁波纹管可在HDPE双壁波纹管成型机上制造。为了制造更大口径的管道，获得更多的材料节省，并且充分体现PP-HM材料的特性，聚丙烯双壁波纹管仍然需要在专用PP波纹管成型机上生产。,国内优先引进聚丙烯双壁波纹管专用生产线的企业国内优先能生产环刚度达到SN16、直径达到1200mm的企业,顾地研发团队开发该产品，通过原料配方设计提高弹性模量，通过合理的波形设计提高了结构断面的惯性矩，从而达到了提高波纹管环刚度、节约成本的目的。为体现PP-HM材料的优越性，制造更大口径的波纹管材，顾地科技是国内首家利用PP-HM波纹管专用生产线生产环刚度能达到SN16的聚丙烯双壁波纹管。,引言顾地PP双壁波纹管研发现状,我公司(顾地科技股份有限公司，深交所A股上市企业，股票代码：002694)，目前公司拥有湖北、重庆、佛山、北京、河南、马鞍山、邯郸、甘肃八大生产基地。,顾地产品及市场：,公司主要从事塑胶管道系统的设计生产以及研究开发，目前各种产品系列广泛应用于建筑内给排水、市政给水、燃气、建筑采暖、市政排水排污以及化工排水排污等领域。近几年来公司产品的产量和销售额均呈快速增长趋势，公司营销网络遍布华北、华东、西南、西北、华南、华中各区域，产品畅销全国31个省（市）、自治区，同时远销中亚、东南亚、非洲等国家和地区，公司是目前国内最具规模和影响力的塑胶建材制造商之一。,一、聚丙烯双壁波纹管关键性能,聚丙烯双壁波纹管主要应用于埋地排水排污管道，由于排水管大都埋在地下，所以必须承受一定的外部压力，因此埋地排水管必须具有一定的刚性和强度以承受外部的压力，环刚度是塑料埋地排水排污管道抵抗外负载能力的重要参数。环刚度S的定义为：S=EI/D3式中：E为材料的弹性模量，单位MPa；I为管壁的惯性矩，单位m3；D为管材平均直径，单位为m。,管材环刚度主要由管材材料、结构和管材的平均直径三个因素决定。弹性模量取决于材料的选择，惯性矩取决于结构断面的设计，在结构断面相同的情况下，结构尺寸（如壁厚）的变动也会造成惯性矩明显变化。目前，提高聚丙烯双壁波纹管环刚度的研究主要有：1.通过原料配方设计来提高弹性模量；2.通过合理的波形设计来提高结构断面的惯性矩。,一、聚丙烯双壁波纹管关键性能,1.1聚丙烯双壁波纹管原料的选择,原料配方设计的原则就是为提高材料弹性模量从而提高波纹管的环刚度。根据分子结构不同PP可分为PP-H、PP-B、PP-R三大类，而PP-B通常用于非承压的埋地排水排污领域，一般PP-B模量在1100-1300MPa，高模量的聚丙烯PP-HM主要基于PP-B，优化其高分子结晶过程和成核过程，实现高刚度和高结晶度；并采用多反应堆技术并入分散性能良好的橡胶，实现其抗冲强度的提高。,目前，国外可选择的PP双壁波纹管的专用料有：北欧化工的设计的具有岛型结构的BA212E弹性模量为1700MPa，BA222E弹性模量为1900MPa；韩国晓星公司HB240P弹性模量为1450MPa，HB242P弹性模量为1770MPa；巴塞尔H2464弹性模量为1450MPa，H2483弹性模量为1850MPa;同时国内我国石化企业对于高刚度聚丙烯材料处于研究开发阶段，例如燕山石化、扬子石化等。,1.1聚丙烯双壁波纹管原料的选择,在相同的环刚度下，如果材料的模量高，那么惯性矩就可以更小，这就意味着PP管道的波形设计可以更小更薄，图1、图2分别是聚丙烯和聚乙烯波纹设计的示意图。达到相同的环刚度，聚丙烯双壁波纹管的材料更省，成本更低。,1.2聚丙烯双壁波纹管波形设计,图1典型的聚丙烯双壁波纹管波纹设计图2典型的聚乙烯双壁波纹管波纹设计,PP双壁波纹管的生产线与PE双壁波纹管生产工艺流程类似，都是将混合好的物料（树脂与一定量的色母料）经过加料斗干燥预热然后加入单螺杆挤出机挤出。波纹管由两台挤出机共挤出，一台挤出管材外壁，一台挤出管材内壁，物料通过挤出机螺杆加热熔融塑化输送至机头口模。而管材内壁是通过内径定径套抽真空再冷却定型，管材外壁在内部空气压力和外部真空吸力的共同作用下和模块紧密接触成型。管材内、外壁均匀的熔合在一起，通过程序控制成双层在线扩口的成型过程。,二、聚丙烯双壁波纹管加工工艺探讨,图3聚丙烯双壁波纹管生产工艺流程,配置采用大螺杆、大挤出量、大扭矩、大长径比，提供适合于PP材料性能的剪切作用，使物料熔融塑化均匀，这样就可以降低挤出机的转速，而避免过高的提高螺杆转速，对物料的剪切速率明显加大而提高物料熔体的温度，同时可以避免物料在加工成型过程种产生严重的物料下垂现象，造成双壁波纹管材的管壁厚度不均匀，刚性降低，并且难以制成在线扩口成型的双层壁承插口的双壁波纹管的问题。,2.1波纹管成型设备,PP双壁波纹管的生产采用2台不同螺杆直径的单螺杆挤出机通过机头复合而成，一般HDPE双壁波纹管生产都配置螺杆直径较小。以生产直径为800的HDPE波纹管为例，管外层螺杆直径为90，内层螺杆直径为75，螺杆长径比为30，而生产PP波纹管的挤出机配制相应的加大，采用直径120（外层）/90（内层）单螺杆共挤出机，挤出机螺杆L/D为33。大口径（最大口径1500mm）的聚丙烯双壁波纹管则采用直径150（外层）/120（内层）单螺杆共挤出机，挤出机螺杆L/D为33。,2.1波纹管成型设备,双壁波纹管成型其关键就在于波纹管成型机，其中包括波纹成型模块，扩口成型模块、挤出模头水套和真空冷却系统四大部分。成型机选用卧式成型设备，外形结构较小，模块左右返复运动。由于双壁波纹管的重要指标是环刚度，因此要制造高环刚度的产品，必须要有合理的先进的波峰形状。从上面聚丙烯双壁波纹管波形设计的分析来看，PP管道的波形设计更小更薄，这样的波纹结构，达到相同的环刚度，聚丙烯双壁波纹管的材料更省，生产线速度更快。,2.1波纹管成型设备,目前，HDPE双壁波纹管的加工技术相对来说比较成熟，与HDPE波纹管相比较，PP聚丙烯波纹管的加工工艺参数主要在于调节加工温度，生产的加工温度相对HDPE波纹管要高一些，使用PP-HM的MFI比较小，为了提高原料的流动速率，保证熔体均质性，需提高加工温度。在生产过程中，波纹管主机的关键控制工艺有机筒各区的温度，螺杆转速，典型的聚丙烯双壁波纹管加工工艺参数如表1。,2.2波纹管加工工艺,2.2波纹管加工工艺,表1聚丙烯双壁波纹管（DN/ID1000）加工工艺,双层壁承插口的扩口成型是生产双壁波纹管的重要工艺技术控制关键，PP双壁波纹管的扩口是在生产线上一次完成，因此称为在线扩口，所以其扩口难度大，工艺技术含量较高。当双壁波纹管在扩口时，首先要关闭水套真空，然后释放夹层气，要求将夹层内的气体全部排尽，再打开压缩空气阀，使模块扩口部分的管材内壁迅速充气，同时管材外壁扩口部分模块抽真空，然后要求控制好扩口速度和扩口空气压力，这样才能保证双层壁承插口扩口成型完好。,2.2波纹管加工工艺,通过采用配置采用大螺杆、大挤出量、大扭矩、大长径比的，优化成型机波纹设计的聚丙烯双壁波纹管专用成型设备，选用聚丙烯双壁波纹管专用料，通过合理调整工艺参数，生产的聚丙烯双壁波纹管直径可达到1500mm，DN/ID1000的聚丙烯双壁波纹管典型性能如表2。从表2中可以看出，其环刚度已达到SN12.5，还保持了良好的抗冲击性能，而如今市场上HDPE双壁波纹管的环刚度等级最大达到SN8。,三、聚丙烯双壁波纹管性能,表2聚丙烯双壁波纹管（DN/ID1000）性能,三、聚丙烯双壁波纹管性能,表2结果讨论:聚丙烯双壁波纹管的环刚度大小与管道存放时间有关状态调节时间24h后，测试管材环刚度为11.4；七天后环刚度提高为12.5；存放十一天后，环刚度继续增加14.0。分析认为该管材环刚度随着存放时间延长而提高与所用的专用料PP-HM（北欧化工BA212E）结晶过程有关，其结晶性能以及影响结晶的因素（加工过程的温度、剪切速率）还需进一步研究。,三、聚丙烯双壁波纹管性能,据PhillipTownsentAssociate咨询公司的Durand的报告，由于PP排水排污管材更好的性能和更便宜的价格，未来在欧洲年增长率可达15%。目前，PP双壁波纹管在我国已经起步，有很好的前景，随着我国城镇化步伐加快，以及国家大型重点工程的实施，市政管道用量将会巨增。,四、结论,随着PP双壁波纹管专用成型设备的诞生，该管道已能够产业化，凭借管