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加工工艺对PP-R管材性能与使用寿命的影响 |
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作者：张双全 王明科 郭晓玲 来源：雅式工业专网 |
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聚丙烯管材，从共混改性（PP-H）、嵌段共聚物（PP-B），发展到第三代随机无规共聚物PP-R管材，已经非常成熟。PP-R管材以无比优越的性能，逐渐取代传统的镀锌管，广泛用于地暖、中央空调、冷热水等领域。尽管该材料具有得天独厚的优点，但是生产加工工艺对PP-R管材的使用寿命仍会存在很大影响。加工过程中，加工温度、冷却速率和模具压缩比等方面的控制都尤为重要。
加工温度
高分子PP-R材料具有玻璃态、高弹态、粘流态力学三态，在常温下为玻璃态，达到它的软化温度以上为高弹性，达到它的流动温度以上为粘流态。该产品在加工过程中三态的变化表现得淋漓尽致。原料从料斗进入螺杆，从输送段、压缩段、均化段到出口模成坯型，冷却定径的生产过程，经历了从玻璃态、高弹态、粘流态的轮回两种转变。刚进入机筒时原料为玻璃态，当物料从压缩段到均化段时则由高弹态变为粘流态，当出口模到完全定径冷却又从高弹态回到玻璃态。当加工温度低时，原料为颗粒滚动，随着温度升高及停留时间延长、剪切力、压缩力升高，在高温、高压的情况下原料表现为分子运动。
所谓“塑化”，就是在一定温度、压力、时间的条件下充分打开高分子链段之间的互相纠缠，使分子与分子链能够相对比较自由地伸展，冷却后互相之间又紧密地卷曲纠缠在一起。如果加工温度太低，分子之间、分子链之间互相的纠缠未充分打开，冷却定型后，分子之间、分子链之间互相“包容”、互相“深入”的部分太少，促使管材产生低温脆性大，耐压强度低，使用寿命短等质量缺陷；如果温度太高，过度塑化，高分子就会有热老化现象。所谓热老化实质上就是高分子有断链现象，出现短支链或自由基，形成不稳定因子。这种热老化现象肉眼看不出来，通常使用短时间也不能发现，然而却会影响管材的性能及使用寿命。因此，严格控制加工温度，对产品质量十分重要。
冷却速率
PP-R管材之所以在常温下具有较高的抗冲性能和耐压性能，是因为分子之间、分子链段之间有一定的“自由体积”。当分子之间、分子链段之间的位置得到最佳的摆放时，受到外力冲击或挤压时，“游刃有余”的高分子链段能在多维空间范围之内呈多维状摆动，或内旋或外旋或正旋或逆旋或上旋或下旋或上下左右前后滑移，从而缓解外来冲击力或挤压力，而不至于结构被破坏。如何使高分子之间、高分子链段之间获得最优的空间“自由体积”，冷却速率起着至关重要的作用。
所谓冷却速率，就是使高分子链之间获得摆放多维空间的快慢程度。当冷却速度过快时，塑料熔体热坯型进入定径套，高分子与分子链之间来不及摆好自己的位置而被突然冻结，同时产生应力集中，就像人还未站稳脚跟，突然受外力作用一样，很容易被推倒，或者很“别扭”。但高分子材料由于在常温下肉眼看不出来，加之国标规定本身具有一定的使用保险系数，在一般使用情况下不易被发现，但极限力及长期使用就会有质量影响。因此生产中应该采用合理的冷却速率，即梯度渐次冷却法，第一节水箱水温控制在45-50℃左右，第二节水箱水温控制在40-42℃左右，第三节水箱水温控制在34-37℃左右，第四节水箱水温控制在28-30℃左右，第五节水箱水温控制在20-25℃左右较为合理。水箱应当采用水温水位控制喷淋冷却，选用全自动电脑控制稳定而先进的设备，从而保证产品的内在质量，使管材使用寿命达到50年以上。
模具压缩比
聚丙烯由于分子结构特殊的缘故，如果不是随机共聚物中有乙烯，或嵌段聚合物中有乙烯，或共混物中有改性材料，单纯的聚丙烯在高温高压下非常容易取向，如人们熟悉的聚丙烯打包带，纵向很受力，但横向一撕就会裂开，这就是取向的直观形态。所谓“取向”就是高分子往一个方向有序排列，顺着一个方向排列越规整，其取向程度越高，在某一方向的强度就越高；而在与之垂直的方向就越薄弱，抗压、抗冲、抗拉强度相应越差，管材就会表现出耐环境开裂性能差、使用寿命短的特点。在一般情况下，由于管材壁厚较厚，人们很难在短时间内发现这一质量隐患，Ⅲ型聚丙烯PP-R由于采用了随机共聚方法，可解决低温脆性问题，从一定程度上控制了结晶与取向程度，从而保证纵向、横向，环围趋于各向同性。但事实上在加工过程中，过低的压缩比，对打开分子链之间的纠缠相对较难，表现为塑化未达到最佳值；过高的压缩比又会使高分子取向严重，产生各向异性，从而影响产品的性能。
如何才能保证合理的压缩比，使产品更密实，塑化更好，又不至于使高分子链取向严重产生各向异性呢？我们采用了内螺旋多流道机头，在出口模成坯型之前，使塑料熔体交叉旋转成动态流向，利用这种材质好、精度高、设计先进的模具加之选用优质的PP-R进口原料，使产品的各向同性达到了最佳理想受控状态，产品可完全达到其设计使用寿命50年以上。
几何尺寸变化
选用优质的原料、先进的设备模具和严格的工艺控制对保证PP-R管材优异的各种性能很重要，但是加工工艺中几何尺寸特别是外径尺寸的大小对使用性能同样有很大的影响。
同一个尺寸的定径套，管材壁厚不同，冷却水温不同，速度不同，其收缩率均不同；即使冷却水温相同，真空度相同，管材壁厚收缩率也不同，正如表1所示。表1 管材外径与壁厚变化表
 从表1中可看出，同一个定径套，相同的冷却水温，相同的真空度和相同的挤出速度下，管壁越厚收缩越大，反之管壁越小收缩越小。其主要原因是管壁越厚，冷却定型后，分子之间、分子链之间形成的阀加与深入互容层越多，纠缠的抱紧力越大，单位体积内收缩比越大，从而体现厚度增加收缩按一定量增加，但又不完全按等比级数或等差级数变化。这是因为管壁越厚，同样的真空负压，吸附力变弱，坯型管材贴到定径套里面的贴合界面层增大，在冷却定型时，厚度越大，在高弹态与玻璃态交替过程中，表面需要的张力也同样增大。随着管壁厚度从6.8mm-12.5mm壁厚的变化，外径变化有0.7-1.4mm的误差范围。水温越高，挤出速度越快，管材坯型在定径套里面停留时间越短。出定径套后，在真空负压或正压作用下，还会继续受吸附力的影响而继续膨胀，因此线速度越快、水温越高，外径越大些，反之越小些，误差范围可达0.1-0.5mm。选择合适的定径套、挤出线速度和保证适当停留时间与水温是保证几何尺寸的关键。
那么管材外径尺寸的大小对管材焊接与使用性能又有什么影响呢？当管材外径偏大时，管材进行焊接，形成过多的溢边，管材前端溢于管件里端太多，管材后端溢于管件外边太多。里端溢边越多，将形成强大的水流阻力，影响流体流量，大口径管材相当于小口径的管材使用，形成浪费，溢于外边过多就严重影响美观；管材外径偏小，管材管件热熔挤压力过小，影响焊接时粘接强度，同时溢边太少，外围辅助效果较差。因此，严格控制外径尺寸是保证焊接质量的重要因素，更是保证焊接质量达到或超过管材管件的本体强度的关键。当然，焊接温度、加热时间长短、管材加热时的向前推力及推进速度同样对焊接质量有很重要的影响。
综上所述，在加工工艺过程中，选用优质原料，先进的设备、模具，合理的加工温度与挤出线速度，合适的冷却速率、水温、真空度、压缩比，焊接加工工艺与外径的最佳配合是保证PP-R管材综合性能好，使用寿命达到50年以上的关键。
作者单位：秦皇岛宏岳塑胶有限公司(end)
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(1/5/2007) |
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