加工工藝對PP-R管材性能與使用壽命的影響
2016-3-14 17:53:02??????點(diǎn)擊：
聚丙烯管材，從共混改性（PP-H）、嵌段共聚物（PP-B），發(fā)展到第三代隨機無(wú)規共聚物PP-R管材，已經(jīng)非常成熟。PP-R管材以無(wú)比優(yōu)越的性能，逐漸取代傳統的鍍鋅管，廣泛用于地暖、中央空調、冷熱水等領(lǐng)域。盡管該材料具有得天獨厚的優(yōu)點(diǎn)，但是生產(chǎn)加工工藝對PP-R管材的使用壽命仍會(huì )存在很大影響。加工過(guò)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)，達到它的軟化溫度以上為高彈性，達到它的流動(dòng)溫度以上為粘流態(tài)。該產(chǎn)品在加工過(guò)程中三態(tài)的變化表現得淋漓盡致。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(guò)程，經(jīng)歷了從玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)的輪回兩種轉變。剛進(jìn)入機筒時(shí)原料為玻璃態(tài)，當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)，當出口模到完全定徑冷卻又從高彈態(tài)回到玻璃態(tài)。當加工溫度低時(shí)，原料為顆粒滾動(dòng)，隨著(zhù)溫度升高及停留時(shí)間延長(cháng)、剪切力、壓縮力升高，在高溫、高壓的情況下原料表現為分子運動(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(kāi)高分子鏈段之間的互相糾纏，使分子與分子鏈能夠相對比較自由地伸展，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(kāi)，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，耐壓強度低，使用壽命短等質(zhì)量缺陷；如果溫度太高，過(guò)度塑化，高分子就會(huì )有熱老化現象。所謂熱老化實(shí)質(zhì)上就是高分子有斷鏈現象，出現短支鏈或自由基，形成不穩定因子。這種熱老化現象肉眼看不出來(lái)，通常使用短時(shí)間也不能發(fā)現，然而卻會(huì )影響管材的性能及使用壽命。因此，嚴格控制加工溫度，對產(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，是因為分子之間、分子鏈段之間有一定的“自由體積”。當分子之間、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呈多維狀擺動(dòng)，或內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(lái)沖擊力或擠壓力，而不至于結構被破壞。如何使高分子之間、高分子鏈段之間獲得最優(yōu)的空間“自由體積”，冷卻速率起著(zhù)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。當冷卻速度過(guò)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(lái)不及擺好自己的位置而被突然凍結，同時(shí)產(chǎn)生應力集中，就像人還未站穩腳跟，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(lái)，加之國標規定本身具有一定的使用保險系數，在一般使用情況下不易被發(fā)現，但極限力及長(cháng)期使用就會(huì )有質(zhì)量影響。因此生產(chǎn)中應該采用合理的冷卻速率，即梯度漸次冷卻法，第一節水箱水溫控制在45-50℃左右，第二節水箱水溫控制在40-42℃左右，第三節水箱水溫控制在34-37℃左右，第四節水箱水溫控制在28-30℃左右，第五節水箱水溫控制在20-25℃左右較為合理。水箱應當采用水溫水位控制噴淋冷卻，選用全自動(dòng)電腦控制穩定而先進(jìn)的設備，從而保證產(chǎn)品的內在質(zhì)量，使管材使用壽命達到50年以上。
模具壓縮比
聚丙烯由于分子結構特殊的緣故，如果不是隨機共聚物中有乙烯，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(kāi)，這就是取向的直觀(guān)形態(tài)。所謂“取向”就是高分子往一個(gè)方向有序排列，順著(zhù)一個(gè)方向排列越規整，其取向程度越高，在某一方向的強度就越高；而在與之垂直的方向就越薄弱，抗壓、抗沖、抗拉強度相應越差，管材就會(huì )表現出耐環(huán)境開(kāi)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)間內發(fā)現這一質(zhì)量隱患，Ⅲ型聚丙烯PP-R由于采用了隨機共聚方法，可解決低溫脆性問(wèn)題，從一定程度上控制了結晶與取向程度，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(guò)程中，過(guò)低的壓縮比，對打開(kāi)分子鏈之間的糾纏相對較難，表現為塑化未達到最佳值；過(guò)高的壓縮比又會(huì )使高分子取向嚴重，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重產(chǎn)生各向異性呢？我們采用了內螺旋多流道機頭，在出口模成坯型之前，使塑料熔體交叉旋轉成動(dòng)態(tài)流向，利用這種材質(zhì)好、精度高、設計先進(jìn)的模具加之選用優(yōu)質(zhì)的PP-R進(jìn)口原料，使產(chǎn)品的各向同性達到了最佳理想受控狀態(tài)，產(chǎn)品可完全達到其設計使用壽命50年以上。
幾何尺寸變化
選用優(yōu)質(zhì)的原料、先進(jìn)的設備模具和嚴格的工藝控制對保證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，正如表1所示。
那么管材外徑尺寸的大小對管材焊接與使用性能又有什么影響呢？當管材外徑偏大時(shí)，管材進(jìn)行焊接，形成過(guò)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，將形成強大的水流阻力，影響流體流量，大口徑管材相當于小口徑的管材使用，形成浪費，溢于外邊過(guò)多就嚴重影響美觀(guān)；管材外徑偏小，管材管件熱熔擠壓力過(guò)小，影響焊接時(shí)粘接強度，同時(shí)溢邊太少，外圍輔助效果較差。因此，嚴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)量達到或超過(guò)管材管件的本體強度的關(guān)鍵。當然，焊接溫度、加熱時(shí)間長(cháng)短、管材加熱時(shí)的向前推力及推進(jìn)速度同樣對焊接質(zhì)量有很重要的影響。
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)，達到它的軟化溫度以上為高彈性，達到它的流動(dòng)溫度以上為粘流態(tài)。該產(chǎn)品在加工過(guò)程中三態(tài)的變化表現得淋漓盡致。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(guò)程，經(jīng)歷了從玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)的輪回兩種轉變。剛進(jìn)入機筒時(shí)原料為玻璃態(tài)，當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)，當出口模到完全定徑冷卻又從高彈態(tài)回到玻璃態(tài)。當加工溫度低時(shí)，原料為顆粒滾動(dòng)，隨著(zhù)溫度升高及停留時(shí)間延長(cháng)、剪切力、壓縮力升高，在高溫、高壓的情況下原料表現為分子運動(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(kāi)高分子鏈段之間的互相糾纏，使分子與分子鏈能夠相對比較自由地伸展，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(kāi)，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，耐壓強度低，使用壽命短等質(zhì)量缺陷；如果溫度太高，過(guò)度塑化，高分子就會(huì )有熱老化現象。所謂熱老化實(shí)質(zhì)上就是高分子有斷鏈現象，出現短支鏈或自由基，形成不穩定因子。這種熱老化現象肉眼看不出來(lái)，通常使用短時(shí)間也不能發(fā)現，然而卻會(huì )影響管材的性能及使用壽命。因此，嚴格控制加工溫度，對產(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，是因為分子之間、分子鏈段之間有一定的“自由體積”。當分子之間、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呈多維狀擺動(dòng)，或內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(lái)沖擊力或擠壓力，而不至于結構被破壞。如何使高分子之間、高分子鏈段之間獲得最優(yōu)的空間“自由體積”，冷卻速率起著(zhù)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。當冷卻速度過(guò)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(lái)不及擺好自己的位置而被突然凍結，同時(shí)產(chǎn)生應力集中，就像人還未站穩腳跟，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(lái)，加之國標規定本身具有一定的使用保險系數，在一般使用情況下不易被發(fā)現，但極限力及長(cháng)期使用就會(huì )有質(zhì)量影響。因此生產(chǎn)中應該采用合理的冷卻速率，即梯度漸次冷卻法，第一節水箱水溫控制在45-50℃左右，第二節水箱水溫控制在40-42℃左右，第三節水箱水溫控制在34-37℃左右，第四節水箱水溫控制在28-30℃左右，第五節水箱水溫控制在20-25℃左右較為合理。水箱應當采用水溫水位控制噴淋冷卻，選用全自動(dòng)電腦控制穩定而先進(jìn)的設備，從而保證產(chǎn)品的內在質(zhì)量，使管材使用壽命達到50年以上。
模具壓縮比
聚丙烯由于分子結構特殊的緣故，如果不是隨機共聚物中有乙烯，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(kāi)，這就是取向的直觀(guān)形態(tài)。所謂“取向”就是高分子往一個(gè)方向有序排列，順著(zhù)一個(gè)方向排列越規整，其取向程度越高，在某一方向的強度就越高；而在與之垂直的方向就越薄弱，抗壓、抗沖、抗拉強度相應越差，管材就會(huì )表現出耐環(huán)境開(kāi)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)間內發(fā)現這一質(zhì)量隱患，Ⅲ型聚丙烯PP-R由于采用了隨機共聚方法，可解決低溫脆性問(wèn)題，從一定程度上控制了結晶與取向程度，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(guò)程中，過(guò)低的壓縮比，對打開(kāi)分子鏈之間的糾纏相對較難，表現為塑化未達到最佳值；過(guò)高的壓縮比又會(huì )使高分子取向嚴重，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重產(chǎn)生各向異性呢？我們采用了內螺旋多流道機頭，在出口模成坯型之前，使塑料熔體交叉旋轉成動(dòng)態(tài)流向，利用這種材質(zhì)好、精度高、設計先進(jìn)的模具加之選用優(yōu)質(zhì)的PP-R進(jìn)口原料，使產(chǎn)品的各向同性達到了最佳理想受控狀態(tài)，產(chǎn)品可完全達到其設計使用壽命50年以上。
幾何尺寸變化
選用優(yōu)質(zhì)的原料、先進(jìn)的設備模具和嚴格的工藝控制對保證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，正如表1所示。
表1 管材外徑與壁厚變化表
那么管材外徑尺寸的大小對管材焊接與使用性能又有什么影響呢？當管材外徑偏大時(shí)，管材進(jìn)行焊接，形成過(guò)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，將形成強大的水流阻力，影響流體流量，大口徑管材相當于小口徑的管材使用，形成浪費，溢于外邊過(guò)多就嚴重影響美觀(guān)；管材外徑偏小，管材管件熱熔擠壓力過(guò)小，影響焊接時(shí)粘接強度，同時(shí)溢邊太少，外圍輔助效果較差。因此，嚴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)量達到或超過(guò)管材管件的本體強度的關(guān)鍵。當然，焊接溫度、加熱時(shí)間長(cháng)短、管材加熱時(shí)的向前推力及推進(jìn)速度同樣對焊接質(zhì)量有很重要的影響。
綜上所述，在加工工藝過(guò)程中，選用優(yōu)質(zhì)原料，先進(jìn)的設備、模具，合理的加工溫度與擠出線(xiàn)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，使用壽命達到50年以上的關(guān)鍵。
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