聚丙烯双壁波纹管关键性能设计及加工工艺探讨0813

引言——顾地PP双壁波纹管研发现状
顾地研发团队开发该产品，通过原料配方 设计提高弹性模量，通过合理的波形设计 提高了结构断面的惯性矩，从而达到了提 高波纹管环刚度、节约成本的目的。 为体现PP-HM材料的优越性，制造更大口 径的波纹管材，顾地科技是国内首家利用 PP-HM波纹管专用生产线生产环刚度能达 到SN16的聚丙烯双壁波纹管。
2.1 波纹管成型设备
• 双壁波纹管成型其关键就在于波纹管成型机，其中包括波 纹成型模块，扩口成型模块、挤出模头水套和真空冷却系 统四大部分。 • 成型机选用卧式成型设备，外形结构较小，模块左右返复 运动。由于双壁波纹管的重要指标是环刚度，因此要制造 高环刚度的产品，必须要有合理的先进的波峰形状。 • 从上面聚丙烯双壁波纹管波形设 • 计的分析来看，PP管道的波形设 • 计更小更薄，这样的波纹结构， • 达到相同的环刚度，聚丙烯双壁 • 波纹管的材料更省，生产线速度 • 更快。
二、聚丙烯双壁波纹管加工工艺探讨
• PP双壁波纹管的生产线与PE双壁波纹管生产工艺 流程类似，都是将混合好的物料（树脂与一定量 的色母料）经过加料斗干燥预热然后加入单螺杆 挤出机挤出。波纹管由两台挤出机共挤出，一台 挤出管材外壁，一台挤出管材内壁，物料通过挤 出机螺杆加热熔融塑化输送至机头口模。而管材 内壁是通过内径定径套抽真空再冷却定型，管材 外壁在内部空气压力和外部真空吸力的共同作用 下和模块紧密接触成型。管材内、外壁均匀的熔 合在一起，通过程序控制成双层在线扩口的成型 过程。
2.2 波纹管加工工艺
• 目前，HDPE双壁波纹管的加工技术相对来说比较 成熟，与HDPE波纹管相比较，PP聚丙烯波纹管的 加工工艺参数主要在于调节加工温度，生产的加 工温度相对HDPE波纹管要高一些，使用PP-HM的 MFI比较小，为了提高原料的流动速率，保证熔体 均质性，需提高加工温度。在生产过程中，波纹 管主机的关键控制工艺有机筒各区的温度，螺杆 转速，典型的聚丙烯双壁波纹管加工工艺参数如 表 1。
三、聚丙烯双壁波纹管性能
• 通过采用配置采用大螺杆、大挤出量、大扭矩、 大长径比的，优化成型机波纹设计的聚丙烯双壁 波纹管专用成型设备，选用聚丙烯双壁波纹管专 用料，通过合理调整工艺参数，生产的聚丙烯双 壁波纹管直径可达到1500mm，DN/ID1000的聚丙烯 双壁波纹管典型性能如表2。从表2中可以看出， 其环刚度已达到SN12.5，还保持了良好的抗冲击 性能，而如今市场上HDPE双壁波纹管的环刚度等 级最大达到SN8。
1.2 聚丙烯双壁波纹管波形设计
• 在相同的环刚度下，如果材料的模量高，那么惯 性矩就可以更小，这就意味着PP管道的波形设计 可以更小更薄，图1、图2分别是聚丙烯和聚乙烯 波纹设计的示意图。达到相同的环刚度，聚丙烯 双壁波纹管的材料更省，成本更低。
图1 典型的聚丙烯双壁波纹管波纹设计
图2 典型的聚乙烯双壁波纹管波纹设计
引言——排水/排污管道现状
在各种塑料排水/排污结构壁管道中，
国内外的双壁波纹管的产量都占据 塑料排水/排污管道较多的份额。 现状：前几年主要应用聚氯乙烯(PVC-U)和高密度聚乙烯 (HDPE)双壁波纹管，最近才开始探索发展聚丙烯双壁波纹 管。 由于PP材料加工流动性能好，且PP的弹性模量比HDPE高， 在欧洲已经广泛应用PP双壁波纹管，近年国外塑料室外排 水管越来越多采用高刚度PP的结构壁管。
烘箱（150℃，30min） 冲击性能(TIR)/%
无气泡，无分层， GB/T 19472.1-2004要求： 无开裂 无气泡，无分层，无开裂 ≤10 ≤10
三、聚丙烯双壁波纹管性能
• 表2结果讨论: 聚丙烯双壁波纹管的环刚度大小与管道存放时 间有关
状态调节时间24h后，测试管材环刚度为11.4； 七天后环刚度提高为12.5； 存放十一天后，环刚度继续增加14.0。
聚丙烯双壁波纹管
关键性能设计及加工工艺探讨
主讲内容
一、聚丙烯双壁波纹管关键性能
1.1 聚丙烯双壁波纹管原料的选择 1.2 聚丙烯双壁波纹管波形设计
二、聚丙烯双壁波纹管加工工艺探讨
2.1 波纹管成型设备 2.2 加工工艺
三、聚丙烯双壁波纹管性能 四、结语
引言——排水/排污管道现状
• 近年来，塑料埋地用排水/排污管道的市场逐步扩 大。一方面我国越来越重视对于环境的保护，不 少地区在大力治理江河湖海的污染。 • 另一方面对于塑料埋地用排水排污管的研究试验 和标准及规范制定工作也逐步有了很大的进展。 通过实际应用塑料排水/排污管道的优点正在逐步 被认识，很多地区已大量应用。
2.2 波纹管加工工艺
表1 聚丙烯双壁波纹管（DN/ID 1000）加工工艺
专用料性能 材料模量，MPa MFI，g/10min 1700 0.3（230℃，2.16kg） 加工工艺参数 挤出机 螺杆转速，rpm 机筒温度，℃ 熔体压力，MPa 150主机 24 230-240 20-21 200-240 0.29 0.31 120主机 21 200-220 12-13
ห้องสมุดไป่ตู้
模具温度，℃
成型机速度，M/min 扩口速度，M/min
2.2 波纹管加工工艺
• 双层壁承插口的扩口成型是生产双壁波纹管的重 要工艺技术控制关键，PP双壁波纹管的扩口是在 生产线上一次完成，因此称为在线扩口，所以其 扩口难度大，工艺技术含量较高。当双壁波纹管 在扩口时，首先要关闭水套真空，然后释放夹层 气，要求将夹层内的气体全部排尽，再打开压缩 空气阀，使模块扩口部分的管材内壁迅速充气， 同时管材外壁扩口部分模块抽真空，然后要求控 制好扩口速度和扩口空气压力，这样才能保证双 层壁承插口扩口成型完好。
2.1 波纹管成型设备
• PP双壁波纹管的生产采用2台不同螺杆直径的单螺 杆挤出机通过机头复合而成，一般HDPE双壁波纹 管生产都配置螺杆直径较小。 • 以生产直径为800的HDPE波纹管为例，管外层螺杆 直径为90，内层螺杆直径为75，螺杆长径比为30， 而生产PP波纹管的挤出机配制相应的加大，采用 直径120（外层）/90（内层）单螺杆 共挤出机，挤出机螺杆L/D为33。 • 大口径（最大口径1500mm）的聚丙烯双壁波纹管 则采用直径150（外层）/120（内层）单螺杆共挤 出机，挤出机螺杆L/D为33。
一、聚丙烯双壁波纹管关键性能
• 聚丙烯双壁波纹管主要应用于埋地排水排污管道， 由于排水管大都埋在地下，所以必须承受一定的 外部压力，因此埋地排水管必须具有一定的刚性 和强度以承受外部的压力，环刚度是塑料埋地排 水排污管道抵抗外负载能力的重要参数。 环刚度S的定义为： S=EI/D3
式中：E为材料的弹性模量，单位MPa； I为管壁的惯性矩，单位m3； D为管材平均直径，单位为m。
引言——PP双壁波纹管研发现状
• 国内的管道生产商一般配备的是HDPE波纹管成型机，而聚 丙烯PP-B材料的模量一般在1100-1300MPa，国外开发的新 型高模量聚丙烯（PP-HM）材料更高，可达到1900MPa，针 对于不同的材料，通过调整加工参数，一定口径的聚丙烯 双壁波纹管可在HDPE双壁波纹管成型机上制造。 • 为了制造更大口径的管道，获得更多的材料节省，并且充 分体现PP-HM材料的特性，聚丙烯双壁波纹管仍然需要在 专用PP波纹管成型机上生产。
一、聚丙烯双壁波纹管关键性能
• 管材环刚度主要由管材材料、结构和管材的平均 直径三个因素决定。 • 弹性模量取决于材料的选择，惯性矩取决于结构 断面的设计，在结构断面相同的情况下，结构尺 寸（如壁厚）的变动也会造成惯性矩明显变化。
• 目前，提高聚丙烯双壁波纹管环刚度的研究主要 有： 1.通过原料配方设计来提高弹性模量； 2.通过合理的波形设计来提高结构断面的惯性矩。
1.1 聚丙烯双壁波纹管原料的选择
• 原料配方设计的原则就是为提高材料弹性模量从 而提高波纹管的环刚度。 • 根据分子结构不同PP可分为PP-H、PP-B、PP-R三 大类，而PP-B通常用于非承压的埋地排水排污领 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，优化其高分子结晶过程 和成核过程，实现高刚度和高结晶度；并采用多 反应堆技术并入分散性能良好的橡胶，实现其抗 冲强度的提高。
我公司(顾地科技股份有限 公司，深交所A股上市企业， 股票代码：002694)，目前 公司拥有湖北、重庆、佛山、 北京、河南、马鞍山、邯郸、 甘肃八大生产基地。
顾地产品及市场：
• 公司主要从事塑胶管道系统的设计生产以及研究开发， 目前各种产品系列广泛应用于建筑内给排水、市政给水、 燃气、建筑采暖、市政排水排污以及化工排水排污等领域。 • 近几年来公司产品的产量和销售额均呈快速增长趋势， 公司营销网络遍布华北、华东、西南、西北、华南、华中 各区域，产品畅销全国31个省（市）、自治区，同时远销 中亚、东南亚、非洲等国家和地区，公司是目前国内最具 规模和影响力的塑胶建材制造商之一。
分析认为该管材环刚度随着存放时间延长而提高 与所用的专用料PP-HM（北欧化工BA212E）结晶过 程有关，其结晶性能以及影响结晶的因素（加工 过程的温度、剪切速率）还需进一步研究。
四、结论
• 据 Phillip Townsent Associate咨询公司的 Durand的报告，由于PP排水排污管材更好的性能 和更便宜的价格，未来在欧洲年增长率可达15%。 • 目前，PP双壁波纹管在我国已经起步，有很好的 前景，随着我国城镇化步伐加快，以及国家大型 重点工程的实施，市政管道用量将会巨增。
三、聚丙烯双壁波纹管性能
表2 聚丙烯双壁波纹管（DN/ID 1000）性能
项目 管材密度（g/cm3）
环刚度（kN/m2）
结果 0.91 11.4（放一天） 12.5（放七天） 14.0（放十一天）
内壁无破裂、 两壁无脱开
要求 /
≥各环刚度等级要求
环柔性
GB/T 19472.1-2004要求： 试样圆滑，无反向弯曲，无 破裂，两壁无脱开
1.1 聚丙烯双壁波纹管原料的选择
目前，国外可选择的PP双壁波纹管的专用料有： • 北欧化工的设计的具有岛型结构的BA212E弹性模 量为1700MPa，BA222E弹性模量为1900MPa； • 韩国晓星公司HB240P弹性模量为1450MPa，HB242P 弹性模量为1770MPa； • 巴塞尔H2464弹性模量为1450MPa，H2483弹性模量 为1850MPa; • 同时国内我国石化企业对于高刚度聚丙烯材料处 于研究开发阶段，例如燕山石化、扬子石化等。
图3 聚丙烯双壁波纹管生产工艺流程
2.1 波纹管成型设备
• 配置采用大螺杆、大挤出量、大扭矩、大长径比， 提供适合于PP材料性能的剪切作用，使物料熔融 塑化均匀，这样就可以降低挤出机的转速，而避 免过高的提高螺杆转速，对物料的剪切速率明显 加大而提高物料熔体的温度，同时可以避免物料 在加工成型过程种产生严重的物料下垂现象，造 成双壁波纹管材的管壁厚度不均匀，刚性降低， 并且难以制成在线扩口成型的双层壁承插口的双 壁波纹管的问题。
四、结论
• 随着PP双壁波纹管专用成型设备的诞生，该管道已能够产 业化，凭借管道本身诸如高刚性、良好冲击性、柔性、重 量轻、寿命长等一系列优势，再加上良好的市场环境，聚 丙烯双壁波纹管将是埋地用排水排污领域HDPE双壁波纹管 的更新换代产品。 • 该产品将在污水处理和雨水收集等国民经济发展重点方面 广泛应用，其相关标准及规范也应该加快步伐，做好该产 品性能的管控，以保证期使用寿命，达到预期的完美效果； 另一方面，国内对于该产品专用料的开发明显落后，这与 市场的发展速度很不相称，应加快专用料的国产化步伐。