加工工藝對(duì)PP-R管材性能與使用壽命的影響

加工工藝對(duì)PP-R管材性能與使用壽命的影響

加工工藝對(duì)PP-R管材性能與使用壽命的影響聚丙烯管材，從共混改性（PP-H）、嵌段共聚物（PP-B），發(fā)展到第三代隨機(jī)無規(guī)共聚物PP-R管材，已經(jīng)非常成熟。PP-R管材以無比優(yōu)越的性能，逐漸取代傳統(tǒng)的鍍鋅管，廣泛用于地暖、中央空調(diào)、冷熱水等領(lǐng)域。盡管該材料具有得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，但是生產(chǎn)加工工藝對(duì)PP-R管材的使用壽命仍會(huì)存在很大影響。加工過程中，加工溫度、冷卻速率和模具壓縮比等方面的控制都尤為重要。 

加工溫度 

高分子PP-R材料具有玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)力學(xué)三態(tài)，在常溫下為玻璃態(tài)，達(dá)到它的軟化溫度以上為高彈性，達(dá)到它的流動(dòng)溫度以上為粘流態(tài)。該產(chǎn)品在加工過程中三態(tài)的變化表現(xiàn)得淋漓盡致。原料從料斗進(jìn)入螺桿，從輸送段、壓縮段、均化段到出口模成坯型，冷卻定徑的生產(chǎn)過程，經(jīng)歷了從玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)的輪回兩種轉(zhuǎn)變。剛進(jìn)入機(jī)筒時(shí)原料為玻璃態(tài)，當(dāng)物料從壓縮段到均化段時(shí)則由高彈態(tài)變?yōu)檎沉鲬B(tài)，當(dāng)出口模到完全定徑冷卻又從高彈態(tài)回到玻璃態(tài)。當(dāng)加工溫度低時(shí)，原料為顆粒滾動(dòng)，隨著溫度升高及停留時(shí)間延長、剪切力、壓縮力升高，在高溫、高壓的情況下原料表現(xiàn)為分子運(yùn)動(dòng)。 

所謂“塑化”，就是在一定溫度、壓力、時(shí)間的條件下充分打開高分子鏈段之間的互相糾纏，使分子與分子鏈能夠相對(duì)比較自由地伸展，冷卻后互相之間又緊密地卷曲糾纏在一起。如果加工溫度太低，分子之間、分子鏈之間互相的糾纏未充分打開，冷卻定型后，分子之間、分子鏈之間互相“包容”、互相“深入”的部分太少，促使管材產(chǎn)生低溫脆性大，耐壓強(qiáng)度低，使用壽命短等質(zhì)量缺陷；如果溫度太高，過度塑化，高分子就會(huì)有熱老化現(xiàn)象。所謂熱老化實(shí)質(zhì)上就是高分子有斷鏈現(xiàn)象，出現(xiàn)短支鏈或自由基，形成不穩(wěn)定因子。這種熱老化現(xiàn)象肉眼看不出來，通常使用短時(shí)間也不能發(fā)現(xiàn)，然而卻會(huì)影響管材的性能及使用壽命。因此，嚴(yán)格控制加工溫度，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量十分重要。 

冷卻速率 

PP-R管材之所以在常溫下具有較高的抗沖性能和耐壓性能，是因?yàn)榉肿又g、分子鏈段之間有一定的“自由體積”。當(dāng)分子之間、分子鏈段之間的位置得到最佳的擺放時(shí)，受到外力沖擊或擠壓時(shí)，“游刃有余”的高分子鏈段能在多維空間范圍之內(nèi)呈多維狀擺動(dòng)，或內(nèi)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，從而緩解外來沖擊力或擠壓力，而不至于結(jié)構(gòu)被破壞。如何使高分子之間、高分子鏈段之間獲得最“自由體積”，冷卻速率起著至關(guān)重要的作用。 

所謂冷卻速率，就是使高分子鏈之間獲得擺放多維空間的快慢程度。當(dāng)冷卻速度過快時(shí)，塑料熔體熱坯型進(jìn)入定徑套，高分子與分子鏈之間來不及擺好自己的位置而被突然凍結(jié)，同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，就像人還未站穩(wěn)腳跟，突然受外力作用一樣，很容易被推倒，或者很“別扭”。但高分子材料由于在常溫下肉眼看不出來，加之國標(biāo)規(guī)定本身具有一定的使用保險(xiǎn)系數(shù)，在一般使用情況下不易被發(fā)現(xiàn)，但極限力及長期使用就會(huì)有質(zhì)量影響。因此生產(chǎn)中應(yīng)該采用合理的冷卻速率，即梯度漸次冷卻法，第一節(jié)水箱水溫控制在45-50℃左右，第二節(jié)水箱水溫控制在40-42℃左右，第三節(jié)水箱水溫控制在34-37℃左右，第四節(jié)水箱水溫控制在28-30℃左右，第五節(jié)水箱水溫控制在20-25℃左右較為合理。水箱應(yīng)當(dāng)采用水溫水位控制噴淋冷卻，選用全自動(dòng)電腦控制穩(wěn)定而先進(jìn)的設(shè)備，從而保證產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量，使管材使用壽命達(dá)到50年以上。 

聚丙烯由于分子結(jié)構(gòu)特殊的緣故，如果不是隨機(jī)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，單純的聚丙烯在高溫高壓下非常容易取向，如人們熟悉的聚丙烯打包帶，縱向很受力，但橫向一撕就會(huì)裂開，這就是取向的直觀形態(tài)。所謂“取向”就是高分子往一個(gè)方向有序排列，順著一個(gè)方向排列越規(guī)整，其取向程度越高，在某一方向的強(qiáng)度就越高；而在與之垂直的方向就越薄弱，抗壓、抗沖、抗拉強(qiáng)度相應(yīng)越差，管材就會(huì)表現(xiàn)出耐環(huán)境開裂性能差、使用壽命短的特點(diǎn)。在一般情況下，由于管材壁厚較厚，人們很難在短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)這一質(zhì)量隱患，Ⅲ型聚丙烯PP-R由于采用了隨機(jī)共聚方法，可解決低溫脆性問題，從一定程度上控制了結(jié)晶與取向程度，從而保證縱向、橫向，環(huán)圍趨于各向同性。但事實(shí)上在加工過程中，過低的壓縮比，對(duì)打開分子鏈之間的糾纏相對(duì)較難，表現(xiàn)為塑化未達(dá)到最佳值；過高的壓縮比又會(huì)使高分子取向嚴(yán)重，產(chǎn)生各向異性，從而影響產(chǎn)品的性能。 

如何才能保證合理的壓縮比，使產(chǎn)品更密實(shí)，塑化更好，又不至于使高分子鏈取向嚴(yán)重產(chǎn)生各向異性呢？我們采用了內(nèi)螺旋多流道機(jī)頭，在出口模成坯型之前，使塑料熔體交叉旋轉(zhuǎn)成動(dòng)態(tài)流向，利用這種材質(zhì)好、精度高、設(shè)計(jì)先進(jìn)的模具加之選用優(yōu)質(zhì)的PP-R進(jìn)口原料，使產(chǎn)品的各向同性達(dá)到了最佳理想受控狀態(tài)，產(chǎn)品可完全達(dá)到其設(shè)計(jì)使用壽命50年以上。 

選用優(yōu)質(zhì)的原料、先進(jìn)的設(shè)備模具和嚴(yán)格的工藝控制對(duì)保證PP-R管材優(yōu)異的各種性能很重要，但是加工工藝中幾何尺寸特別是外徑尺寸的大小對(duì)使用性能同樣有很大的影響。 

同一個(gè)尺寸的定徑套，管材壁厚不同，冷卻水溫不同，速度不同，其收縮率均不同；即使冷卻水溫相同，真空度相同，管材壁厚收縮率也不同。

從表1中可看出，同一個(gè)定徑套，相同的冷卻水溫，相同的真空度和相同的擠出速度下，管壁越厚收縮越大，反之管壁越小收縮越小。其主要原因是管壁越厚，冷卻定型后，分子之間、分子鏈之間形成的閥加與深入互容層越多，糾纏的抱緊力越大，單位體積內(nèi)收縮比越大，從而體現(xiàn)厚度增加收縮按一定量增加，但又不完全按等比級(jí)數(shù)或等差級(jí)數(shù)變化。這是因?yàn)楣鼙谠胶?，同樣的真空?fù)壓，吸附力變?nèi)?，坯型管材貼到定徑套里面的貼合界面層增大，在冷卻定型時(shí)，厚度越大，在高彈態(tài)與玻璃態(tài)交替過程中，表面需要的張力也同樣增大。隨著管壁厚度從6.8mm-12.5mm壁厚的變化，外徑變化有0.7-1.4mm的誤差范圍。水溫越高，擠出速度越快，管材坯型在定徑套里面停留時(shí)間越短。出定徑套后，在真空負(fù)壓或正壓作用下，還會(huì)繼續(xù)受吸附力的影響而繼續(xù)膨脹，因此線速度越快、水溫越高，外徑越大些，反之越小些，誤差范圍可達(dá)0.1-0.5mm。選擇合適的定徑套、擠出線速度和保證適當(dāng)停留時(shí)間與水溫是保證幾何尺寸的關(guān)鍵。 

那么管材外徑尺寸的大小對(duì)管材焊接與使用性能又有什么影響呢？當(dāng)管材外徑偏大時(shí)，管材進(jìn)行焊接，形成過多的溢邊，管材前端溢于管件里端太多，管材后端溢于管件外邊太多。里端溢邊越多，將形成強(qiáng)大的水流阻力，影響流體流量，大口徑管材相當(dāng)于小口徑的管材使用，形成浪費(fèi)，溢于外邊過多就嚴(yán)重影響美觀；管材外徑偏小，管材管件熱熔擠壓力過小，影響焊接時(shí)粘接強(qiáng)度，同時(shí)溢邊太少，外圍輔助效果較差。因此，嚴(yán)格控制外徑尺寸是保證焊接質(zhì)量的重要因素，更是保證焊接質(zhì)量達(dá)到或超過管材管件的本體強(qiáng)度的關(guān)鍵。當(dāng)然，焊接溫度、加熱時(shí)間長短、管材加熱時(shí)的向前推力及推進(jìn)速度同樣對(duì)焊接質(zhì)量有很重要的影響。 

綜上所述，在加工工藝過程中，選用優(yōu)質(zhì)原料，先進(jìn)的設(shè)備、模具，合理的加工溫度與擠出線速度，合適的冷卻速率、水溫、真空度、壓縮比，焊接加工工藝與外徑的最佳配合是保證PP-R管材綜合性能好，使用壽命達(dá)到50年以上的關(guān)鍵。