加工工藝對(duì)PP-R管材性能與使用壽(shòu)命的影響

加工工藝對(duì)PP-R管材性能與使用壽(shòu)命的影響

加工工藝對(duì)PP-R管材性能與使用壽(shòu)命的影響聚丙烯管材，從共混改性（PP-H）、嵌段共聚物（PP-B），發展到第三代随機無規共聚物PP-R管材，已經非常成熟。PP-R管材以無比優越的性能，逐漸取代傳統的鍍鋅管，廣泛用於地暖、中央空調、冷熱水等領域。盡管該材料具有得天獨厚的優點，但是生産加工工藝對PP-R管材的使用壽命仍會存在很大影響。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爲重要。 

加工溫度 

高分子PP-R材料具有玻璃态、高彈态、粘流态力學三态，在常溫下爲玻璃态，達到它的軟化溫度以上爲高彈性，達到它的流動溫度以上爲粘流态。該産品在加工過程中三态的變化表現得淋漓盡緻。原料從料鬥進入螺杆，從輸送段、壓縮段、均化段到出口模成坯型，冷卻定徑的生産過程，經曆瞭(le)從玻璃态、高彈态、粘流态的輪回兩種轉變。剛進入機筒時原料爲玻璃态，當物料從壓縮段到均化段時則由高彈态變爲粘流态，當出口模到完全定徑冷卻又從高彈态回到玻璃态。當加工溫度低時，原料爲顆粒滾動，随著(zhe)溫度升高及停留時間延長、剪切力、壓縮力升高，在高溫、高壓的情況下原料表現爲分子運動。 

所謂“塑化”，就是在一定溫度、壓力、時間的條件下充分打開高分子鏈段之間的互相糾纏(chán)，使分子與分子鏈能夠相對比較自由地伸展，冷卻後互相之間又緊密地卷曲糾纏(chán)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(chán)未充分打開，冷卻定型後，分子之間、分子鏈之間互相“包容”、互相“深入”的部分太少，促使管材産(chǎn)生低溫脆性大，耐壓強度低，使用壽命短等質量缺陷；如果溫度太高，過度塑化，高分子就會有熱老化現象。所謂熱老化實質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，通常使用短時間也不能發現，然而卻會影響管材的性能及使用壽命。因此，嚴格控制加工溫度，對産(chǎn)品質量十分重要。 

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，是因爲分子之間、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，受到外力沖擊或擠壓時，“遊刃有餘”的高分子鏈段能在多維空間範圍之内呈多維狀擺動，或内旋或外旋或正旋或逆旋或上旋或下旋或上下左右前後滑移，從而緩解外來沖擊力或擠壓力，而不至於(yú)結構被破壞。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(zhe)至關重要的作用。 

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。當冷卻速度過快時，塑料熔體熱坯型進入定徑套，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，同時産生應力集中，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“别扭”。但高分子材料由於(yú)在常溫下肉眼看不出來，加之國标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現，但極限力及長期使用就會有質量影響。因此生産中應該採(cǎi)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℃左右較爲合理。水箱應當採(cǎi)用水溫水位控制噴淋冷卻，選用全自動電腦控制穩定而先進的設備，從而保證産品的内在質量，使管材使用壽命達到50年以上。 

聚丙烯由於分子結構特殊的緣故，如果不是随機共聚物中有乙烯，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，但橫向一撕就會裂開，這就是取向的直觀形态。所謂“取向”就是高分子往一個方向有序排列，順著(zhe)一個方向排列越規整，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，管材就會表現出耐環境開裂性能差、使用壽命短的特點。在一般情況下，由於管材壁厚較厚，人們很難在短時間内發現這一質量隐患，Ⅲ型聚丙烯PP-R由於採用瞭(le)随機共聚方法，可解決低溫脆性問題，從一定程度上控制瞭(le)結晶與取向程度，從而保證縱向、橫向，環圍趨於各向同性。但事實上在加工過程中，過低的壓縮比，對打開分子鏈之間的糾纏相對較難，表現爲塑化未達到最佳值；過高的壓縮比又會使高分子取向嚴重，産生各向異性，從而影響産品的性能。 

如何才能保證合理的壓縮比，使産品更密實，塑化更好，又不至於(yú)使高分子鏈取向嚴重産生各向異性呢？我們採用瞭(le)内螺旋多流道機頭，在出口模成坯型之前，使塑料熔體交叉旋轉成動态流向，利用這種材質好、精度高、設計先進的模具加之選用優質的PP-R進口原料，使産品的各向同性達到瞭(le)最佳理想受控狀态，産品可完全達到其設計使用壽命50年以上。 

選用優質的原料、先進的設備(bèi)模具和嚴格的工藝控制對(duì)保證PP-R管材優異的各種性能很重要，但是加工工藝中幾何尺寸特别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(jìng)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，冷卻定型後，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，單位體積内收縮比越大，從而體現厚度增加收縮按一定量增加，但又不完全按等比級數或等差級數變(biàn)化。這是因爲管壁越厚，同樣的真空負壓，吸附力變(biàn)弱，坯型管材貼到定徑套裏面的貼合界面層增大，在冷卻定型時，厚度越大，在高彈态與玻璃态交替過程中，表面需要的張力也同樣增大。随著(zhe)管壁厚度從6.8mm-12.5mm壁厚的變(biàn)化，外徑變(biàn)化有0.7-1.4mm的誤差範圍。水溫越高，擠出速度越快，管材坯型在定徑套裏面停留時間越短。出定徑套後，在真空負壓或正壓作用下，還會繼續受吸附力的影響而繼續膨脹，因此線速度越快、水溫越高，外徑越大些，反之越小些，誤差範圍可達0.1-0.5mm。選擇合适的定徑套、擠出線速度和保證适當停留時間與水溫是保證幾何尺寸的關鍵。 

那麽管材外徑尺寸的大小對管材焊接與使用性能又有什麽影響呢？當管材外徑偏大時，管材進行焊接，形成過多的溢邊(biān)，管材前端溢於(yú)管件裏端太多，管材後端溢於(yú)管件外邊(biān)太多。裏端溢邊(biān)越多，将形成強大的水流阻力，影響流體流量，大口徑管材相當於(yú)小口徑的管材使用，形成浪費，溢於(yú)外邊(biān)過多就嚴重影響美觀；管材外徑偏小，管材管件熱熔擠壓力過小，影響焊接時粘接強度，同時溢邊(biān)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量的重要因素，更是保證焊接質量達到或超過管材管件的本體強度的關鍵。當然，焊接溫度、加熱時間長短、管材加熱時的向前推力及推進速度同樣對焊接質量有很重要的影響。 

綜上所述，在加工工藝過程中，選用優質原料，先進的設備(bèi)、模具，合理的加工溫度與擠出線速度，合适的冷卻速率、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年以上的關鍵。