聚丙烯雙壁波紋管關(guān)鍵性能設(shè)計(jì)及加工工藝探討0813

1、1.1 1.1 聚丙烯雙壁波紋管原料的選擇聚丙烯雙壁波紋管原料的選擇1.2 1.2 聚丙烯雙壁波紋管波形設(shè)計(jì)聚丙烯雙壁波紋管波形設(shè)計(jì)2.1 2.1 波紋管成型設(shè)備波紋管成型設(shè)備2.2 2.2 加工工藝加工工藝 近年來，塑料埋地用排水塑料埋地用排水/ /排污管道排污管道的市場逐步擴(kuò)大。一方面我國越來越重視對于環(huán)境的保護(hù)，不少地區(qū)在大力治理江河湖海的污染。 另一方面對于塑料埋地用排水排污管的研究試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范制定工作也逐步有了很大的進(jìn)展。通過實(shí)際應(yīng)用塑料排水/排污管道的優(yōu)點(diǎn)正在逐步被認(rèn)識，很多地區(qū)已大量應(yīng)用。在各種塑料排水/排污結(jié)構(gòu)壁管道中， 國內(nèi)外的的產(chǎn)量都占據(jù)的產(chǎn)量都占據(jù) 塑料排水塑料排水/

2、 /排污管道較多的份額排污管道較多的份額。現(xiàn)狀：前幾年主要應(yīng)用聚氯乙烯(PVC-U)和高密度聚乙烯(HDPE)雙壁波紋管，最近才開始探索發(fā)展聚丙烯雙壁波紋管。由于PP材料加工流動性能好，且PP的彈性模量比HDPE高，在歐洲已經(jīng)廣泛應(yīng)用PP雙壁波紋管，近年國外塑料室外排國外塑料室外排水管越來越多采用高剛度水管越來越多采用高剛度PPPP的結(jié)構(gòu)壁管。的結(jié)構(gòu)壁管。 國內(nèi)的管道生產(chǎn)商一般配備的是HDPE波紋管成型機(jī)，而聚丙烯PP-B材料的模量一般在1100-1300MPa，國外開發(fā)的新型高模量聚丙烯（PP-HM）材料更高，可達(dá)到1900MPa，針對于不同的材料，通過調(diào)整加工參數(shù)，一定口徑的聚丙烯一定口徑

3、的聚丙烯雙壁波紋管可在雙壁波紋管可在HDPEHDPE雙壁波紋管成型機(jī)上制造雙壁波紋管成型機(jī)上制造。 為了制造更大口徑的管道，獲得更多的材料節(jié)省，并且充分體現(xiàn)PP-HM材料的特性，聚丙烯雙壁波紋管仍然需要在聚丙烯雙壁波紋管仍然需要在專用專用PPPP波紋管成型機(jī)上生產(chǎn)波紋管成型機(jī)上生產(chǎn)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)該產(chǎn)品，通過原料配方設(shè)計(jì)提高彈性模量，通過合理的波形設(shè)計(jì)提高了結(jié)構(gòu)斷面的慣性矩，從而達(dá)到了提高波紋管環(huán)剛度、節(jié)約成本的目的。為體現(xiàn)PP-HM材料的優(yōu)越性，制造更大口徑的波紋管材，顧地科技是國內(nèi)首家利用PP-HM波紋管專用生產(chǎn)線生產(chǎn)環(huán)剛度能達(dá)到SN16的聚丙烯雙壁波紋管。我公司我公司( (顧地科技股份有限

4、顧地科技股份有限公司，深交所公司，深交所A A股上市企業(yè)，股上市企業(yè)，股票代碼：股票代碼：002694)002694)，目前目前公司公司擁有擁有八大生產(chǎn)基地。八大生產(chǎn)基地。 公司主要從事塑膠管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)以及研究開發(fā)，公司主要從事塑膠管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)以及研究開發(fā)，目前各種產(chǎn)品系列廣泛應(yīng)用于目前各種產(chǎn)品系列廣泛應(yīng)用于建筑內(nèi)給排水、市政給水、建筑內(nèi)給排水、市政給水、燃?xì)?、建筑采暖、市政排水排污以及化工排水排污燃?xì)狻⒔ㄖ膳?、市政排水排污以及化工排水排污等領(lǐng)域。等領(lǐng)域。 近幾年來公司產(chǎn)品的產(chǎn)量和銷售額均呈快速增長趨勢，近幾年來公司產(chǎn)品的產(chǎn)量和銷售額均呈快速增長趨勢，公司營銷網(wǎng)絡(luò)遍布華北、華東、

5、西南、西北、華南、華中公司營銷網(wǎng)絡(luò)遍布華北、華東、西南、西北、華南、華中各區(qū)域，產(chǎn)品暢銷全國各區(qū)域，產(chǎn)品暢銷全國3131個(gè)?。ㄊ校⒆灾螀^(qū)，同時(shí)遠(yuǎn)銷個(gè)省（市）、自治區(qū)，同時(shí)遠(yuǎn)銷中亞、東南亞、非洲等國家和地區(qū)，公司是目前國內(nèi)最具中亞、東南亞、非洲等國家和地區(qū)，公司是目前國內(nèi)最具規(guī)模和影響力的塑膠建材制造商之一。規(guī)模和影響力的塑膠建材制造商之一。 聚丙烯雙壁波紋管主要應(yīng)用于埋地排水排污管道，由于排水管大都埋在地下，所以必須承受一定的外部壓力，因此埋地排水管必須具有一定的剛性和強(qiáng)度以承受外部的壓力，。 環(huán)剛度S的定義為： S=EI/D3式中：E為材料的彈性模量，單位MPa； I為管壁的慣性矩，單位m

6、3； D為管材平均直徑，單位為m。 管材環(huán)剛度主要由管材材料、結(jié)構(gòu)和管材的平均直徑三個(gè)因素決定。 彈性模量取決于材料的選擇，慣性矩取決于結(jié)構(gòu)斷面的設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)斷面相同的情況下，結(jié)構(gòu)尺寸（如壁厚）的變動也會造成慣性矩明顯變化。 目前，提高聚丙烯雙壁波紋管環(huán)剛度的研究主要有： 1. 1.通過原料配方設(shè)計(jì)來提高彈性模量；通過原料配方設(shè)計(jì)來提高彈性模量； 2. 2.通過合理的波形設(shè)計(jì)來提高結(jié)構(gòu)斷面的慣性通過合理的波形設(shè)計(jì)來提高結(jié)構(gòu)斷面的慣性矩。矩。1.1 1.1 聚丙烯雙壁波紋管原料的選擇聚丙烯雙壁波紋管原料的選擇 原料配方設(shè)計(jì)的原則就是為提高材料彈性模量提高材料彈性模量從而提高波紋管的環(huán)剛度。 根據(jù)

7、分子結(jié)構(gòu)不同PP可分為PP-H、PP-B、PP-R三大類，而PP-B通常用于非承壓的埋地排水排污領(lǐng)域，一般PP-B模量在1100-1300MPa，高模量的聚高模量的聚丙烯丙烯PP-HMPP-HM主要基于主要基于PP-BPP-B，優(yōu)化其高分子結(jié)晶過程，優(yōu)化其高分子結(jié)晶過程和成核過程，實(shí)現(xiàn)高剛度和高結(jié)晶度；并采用多和成核過程，實(shí)現(xiàn)高剛度和高結(jié)晶度；并采用多反應(yīng)堆技術(shù)并入分散性能良好的橡膠，實(shí)現(xiàn)其抗反應(yīng)堆技術(shù)并入分散性能良好的橡膠，實(shí)現(xiàn)其抗沖強(qiáng)度的提高沖強(qiáng)度的提高。目前，國外國外可選擇的PP雙壁波紋管的專用料有： 北歐化工北歐化工的設(shè)計(jì)的具有島型結(jié)構(gòu)的BA212E彈性模量為1700MPa，BA222

8、E彈性模量為1900MPa； 韓國曉星韓國曉星公司HB240P彈性模量為1450MPa，HB242P彈性模量為1770MPa； 巴塞爾巴塞爾H2464彈性模量為1450MPa，H2483彈性模量為1850MPa; 同時(shí)國內(nèi)國內(nèi)我國石化企業(yè)對于高剛度聚丙烯材料處于研究開發(fā)階段，例如燕山石化、揚(yáng)子石化等。1.1 1.1 聚丙烯雙壁波紋管原料的選擇聚丙烯雙壁波紋管原料的選擇 在相同的環(huán)剛度下，如果材料的模量高，那么慣性矩就可以更小，這就意味著PPPP管道的波形設(shè)計(jì)管道的波形設(shè)計(jì)可以更小更薄可以更小更薄，圖1、圖2分別是聚丙烯和聚乙烯波紋設(shè)計(jì)的示意圖。達(dá)到相同的環(huán)剛度，聚丙烯達(dá)到相同的環(huán)剛度，聚丙烯雙

9、壁波紋管的材料更省，成本更低雙壁波紋管的材料更省，成本更低。1.2 1.2 聚丙烯雙壁波紋管波形設(shè)計(jì)聚丙烯雙壁波紋管波形設(shè)計(jì) 圖圖1 典型的聚丙烯雙壁波紋管波紋設(shè)計(jì)典型的聚丙烯雙壁波紋管波紋設(shè)計(jì) 圖圖2 典型的聚乙烯雙壁波紋管波紋設(shè)計(jì)典型的聚乙烯雙壁波紋管波紋設(shè)計(jì) PP雙壁波紋管的生產(chǎn)線與PE雙壁波紋管生產(chǎn)工藝流程類似，都是將混合好的物料（樹脂與一定量的色母料）經(jīng)過加料斗干燥預(yù)熱然后加入單螺桿擠出機(jī)擠出。波紋管由兩臺擠出機(jī)共擠出，一臺擠出管材外壁，一臺擠出管材內(nèi)壁，物料通過擠出機(jī)螺桿加熱熔融塑化輸送至機(jī)頭口模。而管材內(nèi)壁是通過內(nèi)徑定徑套抽真空再冷卻定型，管材外壁在內(nèi)部空氣壓力和外部真空吸力的共

10、同作用下和模塊緊密接觸成型。管材內(nèi)、外壁均勻的熔合在一起，通過程序控制成雙層在線擴(kuò)口的成型過程。圖圖3 3 聚丙烯雙壁波紋管生產(chǎn)工藝流程聚丙烯雙壁波紋管生產(chǎn)工藝流程 配置采用大螺桿、大擠出量、大扭矩、大長徑比大螺桿、大擠出量、大扭矩、大長徑比，提供適合于PP材料性能的剪切作用，使物料熔融塑化均勻，這樣就可以降低擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速，而避免過高的提高螺桿轉(zhuǎn)速，對物料的剪切速率明顯加大而提高物料熔體的溫度，同時(shí)可以避免物料在加工成型過程種產(chǎn)生嚴(yán)重的物料下垂現(xiàn)象，造成雙壁波紋管材的管壁厚度不均勻，剛性降低，并且難以制成在線擴(kuò)口成型的雙層壁承插口的雙壁波紋管的問題。2.1 2.1 波紋管成型設(shè)備波紋管成型設(shè)備

11、 PP雙壁波紋管的生產(chǎn)采用2臺不同螺桿直徑的單螺桿擠出機(jī)通過機(jī)頭復(fù)合而成，一般HDPE雙壁波紋管生產(chǎn)都配置螺桿直徑較小。 以生產(chǎn)直徑為800的HDPE波紋管為例，管外層螺桿直徑為90，內(nèi)層螺桿直徑為75，螺桿長徑比為30，而生產(chǎn)PP波紋管的擠出機(jī)配制相應(yīng)的加大，采用直徑120（外層）/90（內(nèi)層）單螺桿 共擠出機(jī)，擠出機(jī)螺桿L/D為33。 大口徑（最大口徑1500mm）的聚丙烯雙壁波紋管則采用直徑150（外層）/120（內(nèi)層）單螺桿共擠出機(jī)，擠出機(jī)螺桿L/D為33。2.1 2.1 波紋管成型設(shè)備波紋管成型設(shè)備 雙壁波紋管成型其關(guān)鍵就在于波紋管成型機(jī)，其中包括波紋成型模塊，擴(kuò)口成型模塊、擠出模頭

12、水套和真空冷卻系統(tǒng)四大部分。 成型機(jī)選用臥式成型設(shè)備，外形結(jié)構(gòu)較小，模塊左右返復(fù)運(yùn)動。由于雙壁波紋管的重要指標(biāo)是環(huán)剛度，因此要制造高環(huán)剛度的產(chǎn)品，必須要有合理的先進(jìn)的波峰形狀。 從上面聚丙烯雙壁波紋管波形設(shè) 計(jì)的分析來看，PP管道的波形設(shè) 計(jì)更小更薄，這樣的波紋結(jié)構(gòu)， 達(dá)到相同的環(huán)剛度，聚丙烯雙壁 波紋管的材料更省，生產(chǎn)線速度 更快。2.1 2.1 波紋管成型設(shè)備波紋管成型設(shè)備 目前，HDPE雙壁波紋管的加工技術(shù)相對來說比較成熟，與HDPE波紋管相比較，PP聚丙烯波紋管的加工工藝參數(shù)主要在于調(diào)節(jié)加工溫度，生產(chǎn)的加工溫度相對HDPE波紋管要高一些，使用PP-HM的MFI比較小，為了提高原料的流動

13、速率，保證熔體均質(zhì)性，需提高加工溫度。在生產(chǎn)過程中，波紋管主機(jī)的關(guān)鍵控制工藝有機(jī)筒各區(qū)的溫度，螺桿轉(zhuǎn)速，典型的聚丙烯雙壁波紋管加工工藝參數(shù)如表1。2.2 2.2 波紋管加工工藝波紋管加工工藝2.2 2.2 波紋管加工工藝波紋管加工工藝表表1 1 聚丙烯雙壁波紋管（聚丙烯雙壁波紋管（DN/ID 1000DN/ID 1000）加工工藝）加工工藝 雙層壁承插口的擴(kuò)口成型是生產(chǎn)雙壁波紋管的重要工藝技術(shù)控制關(guān)鍵，PP雙壁波紋管的擴(kuò)口是在生產(chǎn)線上一次完成，因此稱為在線擴(kuò)口，所以其擴(kuò)口難度大，工藝技術(shù)含量較高。當(dāng)雙壁波紋管在擴(kuò)口時(shí)，首先要關(guān)閉水套真空，然后釋放夾層氣，要求將夾層內(nèi)的氣體全部排盡，再打開壓縮空

14、氣閥，使模塊擴(kuò)口部分的管材內(nèi)壁迅速充氣，同時(shí)管材外壁擴(kuò)口部分模塊抽真空，然后要求控制好擴(kuò)口速度和擴(kuò)口空氣壓力，這樣才能保證雙層壁承插口擴(kuò)口成型完好。2.2 2.2 波紋管加工工藝波紋管加工工藝 通過采用配置采用大螺桿、大擠出量、大扭矩、大長徑比的，優(yōu)化成型機(jī)波紋設(shè)計(jì)的聚丙烯雙壁波紋管專用成型設(shè)備，選用聚丙烯雙壁波紋管專用料，通過合理調(diào)整工藝參數(shù)，生產(chǎn)的聚丙烯雙壁波紋管直徑可達(dá)到1500mm，DN/ID1000的聚丙烯雙壁波紋管典型性能如表2。從表2中可以看出，其環(huán)剛度已達(dá)到SN12.5，還保持了良好的抗沖擊性能，而如今市場上HDPE雙壁波紋管的環(huán)剛度等級最大達(dá)到SN8。表表2 2 聚丙烯雙壁波

15、紋管（聚丙烯雙壁波紋管（DN/ID 1000DN/ID 1000）性能）性能 表2結(jié)果討論: 聚丙烯雙壁波紋管的環(huán)剛度大小與管道存放時(shí)間有關(guān) 狀態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間24h后，測試管材環(huán)剛度為11.4； 七天后環(huán)剛度提高為12.5； 存放十一天后，環(huán)剛度繼續(xù)增加14.0。分析認(rèn)為該管材環(huán)剛度隨著存放時(shí)間延長而提高與所用的專用料PP-HM（北歐化工BA212E）結(jié)晶過程有關(guān)，其結(jié)晶性能以及影響結(jié)晶的因素（加工過程的溫度、剪切速率）還需進(jìn)一步研究。 據(jù) Phillip Townsent Associate咨詢公司的Durand的報(bào)告，由于PP排水排污管材更好的性能和更便宜的價(jià)格，未來在歐洲年增長率可達(dá)15%。 目前，PP雙壁波紋管在我國已經(jīng)起步，有很好的前景，隨著我國城鎮(zhèn)化步伐加快，以及國家大型重點(diǎn)工程的實(shí)施，市政管道用量將會巨增