塑料管材用原料及模具设计1课件

1、塑料管材用原料及模具设计和成型技术进展 苑会林北京化工大学材料科学与工程学院2022/9/131北京化工大学目 录（一）管材应用市场分析（二）管材材料的分级（三）管材系列划分及应用（四）管材材料（五）管材加工技术进展2022/9/132北京化工大学塑料管道的发展趋势应用越来越广城市供水、排水、建筑给排水、热水供应、供热采暖、城市燃气、化工流体输送、电线电缆护套管使用量越来越多其中聚烯烃塑料管在最近10年来增长最快，年增长率在10以上2022/9/133北京化工大学（一）管材应用市场分析类型铝塑管PP-R管PE-X管PB管优点易弯曲熔接焊明装挺度好耐温耐压高耐温寿命长柔软易弯曲熔接焊连接缺点不回

2、弹铜接头僵硬不易弯曲铜接头连接不能回收价格分类中低低高2022/9/134北京化工大学（二）管材材料的分级确定管材料等级的ISO体系 ISO/TC138长期耐内压蠕变实验ISO 9080用于承压输送水管热塑性塑料材料的分类整体体系以及安全系数ISO12162用于地板加热采暖的热塑料塑料的质量要求DIN46262022/9/135北京化工大学塑料管道的管道级原材料的等级分类 热塑性管材材料的评价ISO体系适用范围： 除北美部分国家外的美洲 欧洲全部著名的树脂生产商 我国塑料管材标准化的基础和方向 2022/9/137北京化工大学热塑性管材料的ISO等级划分ISO等级划分是对挤出成型的管材做长期耐

3、内压蠕变试验，按照ISO 9080的方法来获取在20、50年时间、97.5%置信下限（LCL）的预测下限（LPL）。根据LPL或LCL确定材料的最低要求的静液压强度（MRS）。MRS以MPa为单位，将其乘以10则可得到材料的等级数。2022/9/138北京化工大学表2.管材料的等级命名 材料等级允许环应力PBPB12512.5PPPPR808.0PPB808.0聚乙烯PE808.0PE10010.02022/9/1310北京化工大学迅速发展的塑料管PP-R管PE管PEX管铝塑复合管钢塑复合管粉末喷涂钢管邮电通信多孔管大口径缠绕管2022/9/1311北京化工大学表2管材料的等级命名 管材料等级

4、命名标准命名MRS/MPaPEPE 323.2ISO 4427PE 404PE 636.3PE 808PE 10010PVC-UUPVC 25025ISO 4422CPVCCPVC 12512.5DIN 8079PPPP-H 10010DIN 8077PP-B 808PP-R 8082022/9/1312北京化工大学名词术语dn 公称外径，mmdem 平均外径，mmen 公称壁厚，mmSDR，标准尺寸比，SDR=Dn/enS 管系列，S=(SDR-1)/2Scalc 计算管系列，S=D/PD2022/9/1314北京化工大学环应力的概念管材受力分析环应力t轴向力a径向力r2022/9/1315

5、北京化工大学轴应力计算轴应力分析a2022/9/1317北京化工大学径向力计算径向力分析r管内壁r=管内压力P管外壁r=管外压力P=02022/9/1318北京化工大学ISO方程 环向应力，MPaP 管内介质压力,MPaD 管外经，mme 管壁厚，mmdm 平均管径，mm dm=D-eSDR=D/e 2P = SDR-1 根据 环向应力与 管内介质压力P之间的关系可导出下式：2022/9/1319北京化工大学管系列S的概念S=(SDR-1)/2=dm/(2e) 2P = SDR-1 S = P P = S 2022/9/1320北京化工大学管系列S的选择由工作压力P确定管材环应力根据工作压力、

6、温度和设计使用寿命，从寿命图上查出相应的应力设计应力S=MRS/C C 安全系数Scalc的确定 Scalc= S/P2022/9/1321北京化工大学输送热介质的塑料类管材使用条件级别应用等级TD在TD下时间年Tmax在Tmax下时间年Tmal在Tmal下时间h典型的应用范围1604980195100供应热水 602704980195100供应热水 7042040602.52025702.5100100地板采暖和低温散热器采暖5206080142510901100100高温散热器采暖5A2070809029.665.57.2951.710010095/70散热器供暖注：TD设计温度、Tmax

7、最高设计温度、Tmal故障温度，当TD、Tmax和Tmal超出本表所给出的值时，不能用本表2022/9/1322北京化工大学 聚乙烯管材的类型LDPEHDPELLDPE&mLLDPEMDPEUHMWPEPE-(HD)X, PE-(MD)X2022/9/1324北京化工大学聚乙烯管材料等级分类LDPE 分为PE32和PE40 只用于低压供水和灌溉管线等MDPE、HDPE 聚乙烯压力管的主导材料2022/9/1325北京化工大学聚乙烯管材料一代产品（均聚产品）是50年代70年代用齐格勒纳塔催化剂生产的均聚产品。这类树脂在20的脆性破坏发生点约在10万小时，而在80的脆性破坏发生点通常在几百小时到几

8、千小时之间按照ISO的等级分类定为PE 63级材料。 2022/9/1327北京化工大学聚乙烯管材料二代产品 共聚产品（ MDPE和HDPE）目前大量使用的由丁烯1或己烯1与乙烯共聚得到的乙烯共聚物，按照ISO的等级分类定为PE 80级材料。通过共聚合，极大地提高了聚乙烯管材级树脂的耐环境应力开裂（ESCR）性能。在一定程度上损失了材料的耐压强度，即韧性提高、强度下降。2022/9/1328北京化工大学聚乙烯管材料三代产品 均聚产品（PE 100）PE 100树脂未采用共聚聚合的方法来提高ESCR性能，而是通过提高聚乙烯的聚合度和共聚合来获得优秀的ESCR性能和更高的耐压强度，即韧性提高、强度

9、也提高。聚合度的提高带来的问题是加工性能差，但是通过双峰聚合聚入了一定比例的低分子改善了加工性能。PE 100聚乙烯管材料的出现，可以满足更高压力管材的要求并能制造口径较大的管材。2022/9/1329北京化工大学PE80和PE100的比较2022/9/1330北京化工大学未来的聚乙烯管材等级 未来的聚乙烯将会向着PE 112和PE 140的目标接近。通过交联可以获得PE 125的管材级材料经过双轴取向可以获得PE 250的管材 2022/9/1331北京化工大学聚乙烯管材的原材料的性能要求 由于使用的压力等级和寿命不同，所以对于聚乙烯原料的要求有：耐环境应力开裂性能（测试方法为ASTM D

10、1693或GBT 1842）耐长期静液压强度（测试方法为GB/T611185）焊接性卫生性2022/9/1332北京化工大学表3. 标准对聚乙烯材料等级的要求 标准燃气管给水管灌溉管波纹管ISO 44371997GB15558.1-1995ISO 4427- 1996GB/T 13663 -2000ISO/DIS8770-1999PrEN 13476.1-1999材料等级PE 80PE 80PE 32PE 63PE 32PE 63PE 100PE 40PE 80PE 40PE 63PE 100PE 63PE 80PE 80PE 1002022/9/1333北京化工大学表4.国产PE管材料牌号等

11、级主要用途共聚单体生产厂家DGDB 2480PE 80水管、燃气管丁烯1齐鲁石化公司6100MPE 80土建、管道丁烯1大庆石化公司丁烯1扬子石化公司PEYZ2300EPE 80管材丁烯1扬子石化公司6000MPE 80管材丁烯1燕山石化公司TR400PE 80管材、燃气管、内衬己烯1上海金山石化公司TR480FSPE 80燃气管、供水管己烯1上海金山石化公司DGDA2401PE 80管材丁烯1茂名石化公司2022/9/1334北京化工大学表4.国产的PE管材料 （续）牌号等级主要用途共聚单体生产厂家DGDA2483BKPE 80小口径管材己烯1天津联合化工公司5135BPE 80燃气管、波纹

12、管丁烯1抚顺石化公司P703PE 80大口径管材丁烯1抚顺石化公司P803PE 80大口径管材丁烯1抚顺石化公司YGH051TPE 80压力管，气管，大口径管双峰上海石化YGH041TPE 100压力管，气管，大口径管双峰上海石化YGM091TPE 80压力管，气管，大口径管双峰上海石化2022/9/1335北京化工大学表5. 国外的几种特殊的PE管材料 牌号密度主要用途共聚单体生产厂家DGDA24800.95水管、燃气管己烯1DOWLEW2344E9.30铝塑管、采暖管道辛烯1DOWLLDPE GD15889.25管材、波纹管己烯1三井化学2022/9/1336北京化工大学聚丙烯管材料的类型

13、与发展 丙烯聚合物分为三种类型：PP-H(均聚聚丙烯) PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP-B(嵌段共聚聚丙烯） PPPPPPPPPEEEEEEPPPPPPPPPPPP-R（无规共聚聚丙烯） PPPPEPPPEPPPPPPPPPEPPPPEPPP2022/9/1337北京化工大学三种聚丙烯的性能PP-H刚性较好，耐热性好，但耐冲击性能、抗长期蠕变性能较差；PP-B耐冲击性能较好，但耐长期抗蠕变性能比PP-H略好。PP-R 刚性较低，热变形温度低，但耐冲击性能较好，抗长期蠕变性能优秀。 2022/9/1338北京化工大学PP-R的特点有较大的分子量，Mw约为60-100万，

14、 MFR2值为0.1-0.4g/10min.其分子量分布窄 （MWD）大约为5，相应的流动比FRR(=MFR10 /MFR2 )大约为13-17共混和挤出成型加工困难 2022/9/1339北京化工大学PPH、PPB、PPR刚性比较2022/9/1340北京化工大学关于聚丙烯管道的德国标准有 DIN 8077聚丙烯管尺寸标准DIN 8078聚丙烯管质量要求和测试ISO/DIS 15874-2.2 聚丙烯管质量要求和测试欧洲标准prEN12204 冷热水设施用塑料管道系统聚丙烯（PP）第二部分：管材2022/9/1341北京化工大学氯化聚氯乙烯（PVC-C）管材料 含氯量为6168%耐热性，热变

15、形温度提高2040耐化学性拉伸强度和弯曲强度提高2022/9/1342北京化工大学氯化聚氯乙烯（PVC-C）管材料聚合度为565740含氯量64.667.8%表观密度 0.550.61g/cm3密度为1.541.59g/cm3洛氏硬度R117125热变形温度94113拉伸强度58.873.5MPa弯曲强度78.4117.4MPa。2022/9/1343北京化工大学氯化聚氯乙烯的用途制造耐热、耐化学药品的容器和设备，电解槽，电镀槽，污水处理净化槽，高温气体洗涤塔，热水、温泉引水管制造食品包装膜、管件、电器开关和保险盖等。2022/9/1344北京化工大学关于氯化聚氯乙烯管道的德国标准有 DIN

16、8079氯化聚氯乙烯管尺寸标准DIN 8080氯化聚氯乙烯管质量要求和测试ISO/DIS 15876-2.2氯化聚氯乙烯管质量要求和测试2022/9/1345北京化工大学聚丁烯管材料 具有良好的机械性能突出的耐环境应力开裂性能耐低温流动性和耐蠕变性能耐热性耐化学药品性能良好具有抗磨性可挠曲性高填料填充性。2022/9/1346北京化工大学聚丁烯-1（PB-1） 聚丁烯的分子结构 CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH | | | | | CH2 CH3 CH2 CH2 CH2 | | | | | CH3 CH3 CH3 CH3 CH32022/9/1347北京化工

17、大学聚丁烯的物理性能结晶度较低质地柔软带有橡胶的特性2022/9/1348北京化工大学管材级聚丁烯的性能熔点 124130结晶度 4855%密度 0.930.94g/cm3 2022/9/1349北京化工大学聚丁烯的应用聚丁烯-1可在-30100范围内长期使用。可用于：管道、薄膜、板材、各种容器、热水地板采暖管道、热泵管、消防水龙头和各种特殊软管。2022/9/1350北京化工大学PB4137的长期静液压强度2022/9/1351北京化工大学表6. PB 4137(灰色)管材料的性能指标 特性单位数值标准密度g/cm30.93DIN 53479熔点122128DTA维卡软化温度113DIN 5

18、3735玻璃化温度-18ASTM D-746熔化热kJ/kg100DSC热导率W/mk0.22DIN 52612热膨胀系数mm/mk0.13DIN 53752弹性模量MPa350DIN53457邵氏硬度D-Scale53ISO 8608冲击强度kJ/m240DIN 53453断裂伸长率%125DIN53457拉伸强度MPa33DIN 53455屈服应力MPa17DIN 534552022/9/1352北京化工大学表7. PB 4135(象牙白色)管材料的性能指标 特性单位数值标准密度g/cm30.937ASTM D1505熔点124126DSC热导率（20）W/mk19ASTM C177热膨胀

19、系数mm/mk0.13ASTM D696断裂伸长率%340ISO1184-1983E拉伸强度MPa36.5ISO1184-1983E屈服应力MPa17.7ISO1184-1983E2022/9/1353北京化工大学关于PB管的德国标准和欧洲标准 DIN 16968 聚丁烯管质量标准和测试DIN 16969 聚丁烯管尺寸标准prEN 12319 用于冷热水设施的塑料管道系统_聚丁烯(PB)ISO 12230-聚丁烯管: 时间和温度对预期强度的影响 2022/9/1354北京化工大学交联聚乙烯管（PE-X）材料 过氧化物交联法电子辐射法硅烷交联法2022/9/1355北京化工大学硅烷交联聚乙烯料的

20、制造方法共聚法，在乙烯聚合时将乙烯与可交联硅烷单体共聚，合成出接枝料。两步法，将聚乙烯与引发剂硅烷等助剂在挤出机中通过熔融混合，反应接枝生成可交联聚乙烯。一步法，将聚乙烯与引发剂、抗氧剂和硅烷按比例计量加入挤出机中，接枝和管材成型同时进行。2022/9/1356北京化工大学关于交联聚乙烯（PE-X）管道的德国标准 DIN16892 交联聚乙烯管的质量要求和测试DIN 16893 交联聚乙烯管的尺寸标准prEN 12318 用于冷热水设施的塑料管道系统交联聚乙烯（PE-X） 2022/9/1357北京化工大学（五）管材加工技术进展 挤出机挤出能力的发展模具设计的高速化和适应性2022/9/135

21、8北京化工大学挤出机挤出能力的发展 管材挤出的特点：生产线速度高速化和高效率单螺杆的长径比由以前的25发展到现在的30，33，34，36。机筒进料段开设纵向沟槽，增加强制喂料系统，使挤出机的产量大大地增加，沟槽的形状有矩形、半圆形、月牙形、三角形。沟槽的走向由原来的轴向开槽改为螺旋形沟槽和非对称性开槽，使输送效率提高，并降低磨耗20以上。2022/9/1359北京化工大学KRAUSS MAFFEI公司强制喂料型聚烯烃单螺杆挤出机的产量 （kg/h)原料4530B6030B7530B9030B12530BHDPE/MDPE190300430570950LDPE180285400540PP140220320420700PB701001502152022/9/1360北京化工大学管材挤出成型模具的最新进展 随着近年来许多新型原料的出现，挤出模具适应生产：直径为9mm到1.6m生产线速度0.322m/min管材挤出的模头可归结为：支架形机头、篮式机头、螺旋机头 2022/9/1361北京化工大学支架形机头 2022/9/1362北京化工大学多孔板(筛板)式分流板 筛板式机头 由筛板式机头挤出的熔体流纹 2022/9/1363北京化工大学篮式机头组装图 2022/9/1364北京化工大学螺旋机头 2022/9/13