聚丙烯雙壁波紋管關(guān)鍵性能設(shè)計(jì)及加工工藝探討

聚丙烯雙壁波紋管關(guān)鍵性能設(shè)計(jì)及加工工藝探討第1頁/共28頁主講內(nèi)容一、聚丙烯雙壁波紋管關(guān)鍵性能二、聚丙烯雙壁波紋管加工工藝探討三、聚丙烯雙壁波紋管性能四、結(jié)語1.1聚丙烯雙壁波紋管原料的選擇1.2聚丙烯雙壁波紋管波形設(shè)計(jì)2.1波紋管成型設(shè)備2.2加工工藝第2頁/共28頁近年來，塑料埋地用排水/排污管道的市場(chǎng)逐步擴(kuò)大。一方面我國(guó)越來越重視對(duì)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(duì)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(shí)，很多地區(qū)已大量應(yīng)用。引言——排水/排污管道現(xiàn)狀第3頁/共28頁引言——排水/排污管道現(xiàn)狀在各種塑料排水/排污結(jié)構(gòu)壁管道中，

國(guó)內(nèi)外的雙壁波紋管的產(chǎn)量都占據(jù)

塑料排水/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(dòng)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(guó)外塑料室外排水管越來越多采用高剛度PP的結(jié)構(gòu)壁管。第4頁/共28頁引言——PP雙壁波紋管研發(fā)現(xiàn)狀國(guó)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(guó)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(duì)于不同的材料，通過調(diào)整加工參數(shù)，一定口徑的聚丙烯雙壁波紋管可在HDPE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專用PP波紋管成型機(jī)上生產(chǎn)。第5頁/共28頁國(guó)內(nèi)優(yōu)先引進(jìn)聚丙烯雙壁波紋管專用生產(chǎn)線的企業(yè)國(guó)內(nèi)優(yōu)先能生產(chǎn)環(huán)剛度達(dá)到SN16、直徑達(dá)到1200mm的企業(yè)顧地研發(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(guó)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。引言——顧地PP雙壁波紋管研發(fā)現(xiàn)狀第6頁/共28頁我公司(顧地科技股份有限公司，深交所A股上市企業(yè)，股票代碼：002694)，目前公司擁有湖北、重慶、佛山、北京、河南、馬鞍山、邯鄲、甘肅八大生產(chǎn)基地。第7頁/共28頁顧地產(chǎn)品及市場(chǎng)：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)用于建筑內(nèi)給排水、市政給水、燃?xì)狻⒔ㄖ膳?、市政排水排污以及化工排水排污等領(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(zhǎng)趨勢(shì)，公司營(yíng)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(guó)31個(gè)?。ㄊ校?、自治區(qū)，同時(shí)遠(yuǎn)銷中亞、東南亞、非洲等國(guó)家和地區(qū)，公司是目前國(guó)內(nèi)最具規(guī)模和影響力的塑膠建材制造商之一。第8頁/共28頁一、聚丙烯雙壁波紋管關(guān)鍵性能

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)剛度是塑料埋地排水排污管道抵抗外負(fù)載能力的重要參數(shù)。

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m3；D為管材平均直徑，單位為m。第9頁/共28頁管材環(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(dòng)也會(huì)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.通過原料配方設(shè)計(jì)來提高彈性模量；2.通過合理的波形設(shè)計(jì)來提高結(jié)構(gòu)斷面的慣性矩。一、聚丙烯雙壁波紋管關(guān)鍵性能

第10頁/共28頁1.1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從而提高波紋管的環(huán)剛度。根據(jù)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，高模量的聚丙烯PP-HM主要基于PP-B，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。第11頁/共28頁目前，國(guó)外可選擇的PP雙壁波紋管的專用料有：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，BA222E彈性模量為1900MPa；韓國(guó)曉星公司HB240P彈性模量為1450MPa，HB242P彈性模量為1770MPa；巴塞爾H2464彈性模量為1450MPa，H2483彈性模量為1850MPa;同時(shí)國(guó)內(nèi)我國(guó)石化企業(yè)對(duì)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聚丙烯雙壁波紋管原料的選擇

第12頁/共28頁在相同的環(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PP管道的波形設(shè)計(jì)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，聚丙烯雙壁波紋管的材料更省，成本更低。1.2聚丙烯雙壁波紋管波形設(shè)計(jì)

圖1典型的聚丙烯雙壁波紋管波紋設(shè)計(jì)圖2典型的聚乙烯雙壁波紋管波紋設(shè)計(jì)第13頁/共28頁P(yáng)P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(tái)擠出機(jī)共擠出，一臺(tái)擠出管材外壁，一臺(tái)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。二、聚丙烯雙壁波紋管加工工藝探討

第14頁/共28頁圖3聚丙烯雙壁波紋管生產(chǎn)工藝流程第15頁/共28頁配置采用大螺桿、大擠出量、大扭矩、大長(zhǎng)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(duì)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波紋管成型設(shè)備第16頁/共28頁P(yáng)P雙壁波紋管的生產(chǎn)采用2臺(tái)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(zhǎng)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波紋管成型設(shè)備第17頁/共28頁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(dòng)。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波紋管成型設(shè)備第18頁/共28頁目前，HDPE雙壁波紋管的加工技術(shù)相對(duì)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(duì)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(dòng)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波紋管加工工藝第19頁/共28頁2.2波紋管加工工藝專用料性能材料模量，MPa1700MFI，g/10min0.3（230℃，2.16kg）加工工藝參數(shù)擠出機(jī)150主機(jī)120主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速，rpm2421機(jī)筒溫度，℃230-240200-220熔體壓力，MPa20-2112-13模具溫度，℃200-240成型機(jī)速度，M/min0.29擴(kuò)口速度，M/min0.31表1聚丙烯雙壁波紋管（DN/ID1000）加工工藝第20頁/共28頁雙層壁承插口的擴(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波紋管加工工藝第21頁/共28頁通過采用配置采用大螺桿、大擠出量、大扭矩、大長(zhǎng)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(chǎng)上HDPE雙壁波紋管的環(huán)剛度等級(jí)最大達(dá)到SN8。三、聚丙烯雙壁波紋管性能

第22頁/共28頁項(xiàng)目結(jié)果要求管材密度（g/cm3）0.91/環(huán)剛度（kN/m2）11.4（放一天）≥各環(huán)剛度等級(jí)要求12.5（放七天）14.0（放十一天）環(huán)柔性內(nèi)壁無破裂、兩壁無脫開GB/T19472.1-2004要求：試樣圓滑，無反向彎曲，無破裂，兩壁無脫開烘箱（150℃，30min）無氣泡，無分層，無開裂GB/T19472.1-2004要求：無氣泡，無分層，無開裂沖擊性能(TIR)/%≤10≤10表2聚丙烯雙壁波紋管（DN/ID1000）性能三、聚丙烯雙壁波紋管性能

第23頁/共28頁表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(cè)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(zhǎng)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。三、聚丙烯雙壁波紋管性能

第24頁/共28頁據(jù)PhillipTownsentAssociate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(zhǎng)率可達(dá)15%。目前，PP雙壁波紋管在我國(guó)已經(jīng)起步，有很好的前景，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化步伐加快，以及國(guó)家大型重點(diǎn)工程的實(shí)施，市政管道用量將會(huì)巨增。四、結(jié)論

第25頁/共28頁隨著PP雙壁波紋管專用成型設(shè)備的誕