塑料管材用原料及模具设计1.ppt

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2023/5/19,北京化工大学,1,塑料管材用原料及模具设计和成型技术进展,苑会林北京化工大学材料科学与工程学院,2023/5/19,北京化工大学,2,目录,

（一）管材应用市场分析

（二）管材材料的分级（三）管材系列划分及应用（四）管材材料（五）管材加工技术进展,2023/5/19,北京化工大学,3,塑料管道的发展趋势,应用越来越广城市供水、排水、建筑给排水、热水供应、供热采暖、城市燃气、化工流体输送、电线电缆护套管使用量越来越多其中聚烯烃塑料管在最近10年来增长最快，年增长率在10以上,2023/5/19,北京化工大学,4,

（一）管材应用市场分析,2023/5/19,北京化工大学,5,

（二）管材材料的分级,确定管材料等级的ISO体系ISO/TC138长期耐内压蠕变实验ISO9080用于承压输送水管热塑性塑料材料的分类整体体系以及安全系数ISO12162用于地板加热采暖的热塑料塑料的质量要求DIN4626,2023/5/19,北京化工大学,6,管道安全性的保证,材料模具和设备加工成型技术,2023/5/19,北京化工大学,7,塑料管道的管道级原材料的等级分类,热塑性管材材料的评价ISO体系适用范围：

除北美部分国家外的美洲欧洲全部著名的树脂生产商我国塑料管材标准化的基础和方向,2023/5/19,北京化工大学,8,热塑性管材料的ISO等级划分,ISO等级划分是对挤出成型的管材做长期耐内压蠕变试验，按照ISO9080的方法来获取在20、50年时间、97.5%置信下限（LCL）的预测下限（LPL）。

根据LPL或LCL确定材料的最低要求的静液压强度（MRS）。

MRS以MPa为单位，将其乘以10则可得到材料的等级数。

2023/5/19,北京化工大学,9,表1.LCL与MRS及材料分级数之间的关系（ISO12162）,2023/5/19,北京化工大学,10,表2.管材料的等级命名,2023/5/19,北京化工大学,11,迅速发展的塑料管,PP-R管PE管PEX管铝塑复合管,钢塑复合管粉末喷涂钢管邮电通信多孔管大口径缠绕管,2023/5/19,北京化工大学,12,表2管材料的等级命名,2023/5/19,北京化工大学,13,（三）管材系列划分及应用,环应力的概念管系列S应管系列S用场合分类,2023/5/19,北京化工大学,14,名词术语,dn公称外径，mmdem平均外径，mmen公称壁厚，mmSDR，标准尺寸比，SDR=Dn/enS管系列，S=（SDR-1）/2Scalc计算管系列，S=D/PD,2023/5/19,北京化工大学,15,环应力的概念,管材受力分析环应力t轴向力a径向力r,2023/5/19,北京化工大学,16,环应力计算,环应力分析t,2023/5/19,北京化工大学,17,轴应力计算,轴应力分析a,2023/5/19,北京化工大学,18,径向力计算,径向力分析r,管内壁r=管内压力P管外壁r=管外压力P=0,2023/5/19,北京化工大学,19,ISO方程,环向应力，MPaP管内介质压力,MPaD管外经，mme管壁厚，mmdm平均管径，mmdm=D-eSDR=D/e,2P=SDR-1,根据环向应力与管内介质压力P之间的关系可导出下式：

2023/5/19,北京化工大学,20,管系列S的概念,S=（SDR-1）/2=dm/（2e）,2P=SDR-1,S=P,P=S,2023/5/19,北京化工大学,21,管系列S的选择,由工作压力P确定管材环应力根据工作压力、温度和设计使用寿命，从寿命图上查出相应的应力设计应力S=MRS/CC安全系数Scalc的确定Scalc=S/P,2023/5/19,北京化工大学,22,输送热介质的塑料类管材使用条件级别,2023/5/19,北京化工大学,23,（四）塑料管道用材料,聚乙烯（PE）管材料的类型与发展聚丙烯（PP）管材料的类型与发展氯化聚氯乙烯（PVC-C）管材料聚丁烯（PB-1）管材料交联聚乙烯管（PE-X）材料,2023/5/19,北京化工大学,24,聚乙烯管材的类型,LDPEHDPELLDPE&mLLDPEMDPEUHMWPEPE-（HD）X,PE-（MD）X,2023/5/19,北京化工大学,25,聚乙烯管材料等级分类,LDPE分为PE32和PE40只用于低压供水和灌溉管线等MDPE、HDPE聚乙烯压力管的主导材料,2023/5/19,北京化工大学,26,聚乙烯管材料等级分类,低密度聚乙烯管材料在等级分类中分为PE32和PE40，只用于低压供水和灌溉管线等。

中、高密度聚乙烯较低密度聚乙烯增强了刚度和承压能力，因此是聚乙烯压力管的主导材料。

2023/5/19,北京化工大学,27,聚乙烯管材料一代产品（均聚产品）,是50年代70年代用齐格勒纳塔催化剂生产的均聚产品。

这类树脂在20的脆性破坏发生点约在10万小时，而在80的脆性破坏发生点通常在几百小时到几千小时之间按照ISO的等级分类定为PE63级材料。

2023/5/19,北京化工大学,28,聚乙烯管材料二代产品共聚产品（MDPE和HDPE）,目前大量使用的由丁烯1或己烯1与乙烯共聚得到的乙烯共聚物，按照ISO的等级分类定为PE80级材料。

通过共聚合，极大地提高了聚乙烯管材级树脂的耐环境应力开裂（ESCR）性能。

在一定程度上损失了材料的耐压强度，即韧性提高、强度下降。

2023/5/19,北京化工大学,29,聚乙烯管材料三代产品均聚产品（PE100）,PE100树脂未采用共聚聚合的方法来提高ESCR性能，而是通过提高聚乙烯的聚合度和共聚合来获得优秀的ESCR性能和更高的耐压强度，即韧性提高、强度也提高。

聚合度的提高带来的问题是加工性能差，但是通过双峰聚合聚入了一定比例的低分子改善了加工性能。

PE100聚乙烯管材料的出现，可以满足更高压力管材的要求并能制造口径较大的管材。

2023/5/19,北京化工大学,30,PE80和PE100的比较,2023/5/19,北京化工大学,31,未来的聚乙烯管材等级,未来的聚乙烯将会向着PE112和PE140的目标接近。

通过交联可以获得PE125的管材级材料经过双轴取向可以获得PE250的管材,2023/5/19,北京化工大学,32,聚乙烯管材的原材料的性能要求,由于使用的压力等级和寿命不同，所以对于聚乙烯原料的要求有：

耐环境应力开裂性能（测试方法为ASTMD1693或GBT1842）耐长期静液压强度（测试方法为GB/T611185）焊接性卫生性,2023/5/19,北京化工大学,33,表3.标准对聚乙烯材料等级的要求,2023/5/19,北京化工大学,34,表4.国产PE管材料,2023/5/19,北京化工大学,35,表4.国产的PE管材料（续）,2023/5/19,北京化工大学,36,表5.国外的几种特殊的PE管材料,2023/5/19,北京化工大学,37,聚丙烯管材料的类型与发展,丙烯聚合物分为三种类型：

PP-H（均聚聚丙烯）PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP-B（嵌段共聚聚丙烯）PPPPPPPPPEEEEEEPPPPPPPPPPPP-R（无规共聚聚丙烯）PPPPEPPPEPPPPPPPPPEPPPPEPPP,2023/5/19,北京化工大学,38,三种聚丙烯的性能,PP-H刚性较好，耐热性好，但耐冲击性能、抗长期蠕变性能较差；PP-B耐冲击性能较好，但耐长期抗蠕变性能比PP-H略好。

PP-R刚性较低，热变形温度低，但耐冲击性能较好，抗长期蠕变性能优秀。

2023/5/19,北京化工大学,39,PP-R的特点,有较大的分子量，Mw约为60-100万，MFR2值为0.1-0.4g/10min.其分子量分布窄（MWD）大约为5，相应的流动比FRR（=MFR10/MFR2）大约为13-17共混和挤出成型加工困难,2023/5/19,北京化工大学,40,PPH、PPB、PPR刚性比较,2023/5/19,北京化工大学,41,关于聚丙烯管道的德国标准有,DIN8077聚丙烯管尺寸标准DIN8078聚丙烯管质量要求和测试ISO/DIS15874-2.2聚丙烯管质量要求和测试欧洲标准prEN12204冷热水设施用塑料管道系统聚丙烯（PP）第二部分：

管材,2023/5/19,北京化工大学,42,氯化聚氯乙烯（PVC-C）管材料,含氯量为6168%耐热性，热变形温度提高2040耐化学性拉伸强度和弯曲强度提高,2023/5/19,北京化工大学,43,氯化聚氯乙烯（PVC-C）管材料,聚合度为565740含氯量64.667.8%表观密度0.550.61g/cm3密度为1.541.59g/cm3洛氏硬度R117125热变形温度94113拉伸强度58.873.5MPa弯曲强度78.4117.4MPa。

2023/5/19,北京化工大学,44,氯化聚氯乙烯的用途,制造耐热、耐化学药品的容器和设备，电解槽，电镀槽，污水处理净化槽，高温气体洗涤塔，热水、温泉引水管制造食品包装膜、管件、电器开关和保险盖等。

2023/5/19,北京化工大学,45,关于氯化聚氯乙烯管道的德国标准有,DIN8079氯化聚氯乙烯管尺寸标准DIN8080氯化聚氯乙烯管质量要求和测试ISO/DIS15876-2.2氯化聚氯乙烯管质量要求和测试,2023/5/19,北京化工大学,46,聚丁烯管材料,具有良好的机械性能突出的耐环境应力开裂性能耐低温流动性和耐蠕变性能耐热性耐化学药品性能良好具有抗磨性可挠曲性高填料填充性。

2023/5/19,北京化工大学,47,聚丁烯-1（PB-1）,聚丁烯的分子结构CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH|CH2CH3CH2CH2CH2|CH3CH3CH3CH3CH3,2023/5/19,北京化工大学,48,聚丁烯的物理性能,结晶度较低质地柔软带有橡胶的特性,2023/5/19,北京化工大学,49,管材级聚丁烯的性能,熔点124130结晶度4855%密度0.930.94g/cm3,2023/5/19,北京化工大学,50,聚丁烯的应用,聚丁烯-1可在-30100范围内长期使用。

可用于：

管道、薄膜、板材、各种容器、热水地板采暖管道、热泵管、消防水龙头和各种特殊软管。

2023/5/19,北京化工大学,51,PB4137的长期静液压强度,2023/5/19,北京化工大学,52,表6.PB4137（灰色）管材料的性能指标,2023/5/19,北京化工大学,53,表7.PB4135（象牙白色）管材料的性能指标,2023/5/19,北京化工大学,54,关于PB管的德国标准和欧洲标准,DIN16968聚丁烯管质量标准和测试DIN16969聚丁烯管尺寸标准prEN12319用于冷热水设施的塑料管道系统_聚丁烯（PB）ISO12230-聚丁烯管:

时间和温度对预期强度的影响,2023/5/19,北京化工大学,55,交联聚乙烯管（PE-X）材料,过氧化物交联法电子辐射法硅烷交联法,2023/5/19,北京化工大学,56,硅烷交联聚乙烯料的制造方法,共聚法，在乙烯聚合时将乙烯与可交联硅烷单体共聚，合成出接枝料。

两步法，将聚乙烯与引发剂硅烷等助剂在挤出机中通过熔融混合，反应接枝生成可交联聚乙烯。

一步法，将聚乙烯与引发剂、抗氧剂和硅烷按比例计量加入挤出机中，接枝和管材成型同时进行。

2023/5/19,北京化工大学,57,关于交联聚乙烯（PE-X）管道的德国标准,DIN16892交联聚乙烯管的质量要求和测试DIN16893交联聚乙烯管的尺寸标准prEN12318用于冷热水设施的塑料管道系统交联聚乙烯（PE-X）,2023/5/19,北京化工大学,58,（五）管材加工技术进展,挤出机挤出能力的发展模具设计的高速化和适应性,2023/5/19,北京化工大学,59,挤出机挤出能力的发展,管材挤出的特点：

生产线速度高速化和高效率单螺杆的长径比由以前的25发展到现在的30，33，34，36。

机筒进料段开设纵向沟槽，增加强制喂料系统，使挤出机的产量大大地增加，沟槽的形状有矩形、半圆形、月牙形、三角形。

沟槽的走向由原来的轴向开槽改为螺旋形沟槽和非对称性开槽，使输送效率提高，并降低磨耗20以上。

2023/5/19,北京化工大学,60,KRAUSSMAFFEI公司强制喂料型聚烯烃单螺杆挤出机的产量（kg/h）,2023/5/19,北京化工大学,61,管材挤出成型模具的最新进展,随着近年来许多新型原料的出现，挤出模具适应生产：

直径为9mm到1.6m生产线速度0.322m/min管材挤出的模头可归结为：

支架形机头、篮式机头、螺旋机头,2023/5/19,北京化工大学,62,支架形机头,2023/5/19,北京化工大学,63,多孔板（筛板）式分流板,筛板式机头,由筛板式机头挤出的熔体流纹,2023/5/19,北京化工大学,64,篮式机头组装图,2023/5/19,北京化工大学,65,螺旋机头,2023/5/19,北京化工大学,66,管材定径的方法,内径定径法外径定径法,2023/5/19,北京化工大学,67,管材定径方法,内径定径法的定径套直接与机头模芯连接，定径套内通入循环冷却水，熔体出口模后直接在定径套上冷却。

管材内径尺寸与定径棒尺寸一致管材外径自由冷却，外径尺寸难以控制。

2023/5/19,北京化工大学,68,内径定径机头结构示意图,2023/5/19,北京化工大学,69,外径定径,内压定径真空定径,2023/5/19,北京化工大学,70,外径压力定径,2023/5/19,北京化工大学,71,真空定径图,2023/5/19,北京化工大学,72,直径收缩率,真空定径的管材外径可以根据管材原料的尺寸收缩率来得到精确控制，聚乙烯24%双峰聚乙烯44.6%PP-R36%,2023/5/19,北京化工大学,73,高速挤出管材,最常见的方法是在定径入口处设置冷却水入口，通过特殊的喷嘴或在定径套上开缝，让水直接包覆在管坯外圆。

2023/5/19,北京化工大学,74,带水环的定径套,2023/5/19,北京化工大学,75,带冷却装置的定径套,2023/5/19,北京化工大学,76,定径环组外定径组装图,2023/5/19,北京化工大学,77,为带预冷装置的定径套组装图,2023/5/19,北京化工大学,78,结束语,随着新材料的不断出现，塑料管材的加工技术也在不断地改进和发展，伴随着计算机控制和高精度的检测设备的应用管材挤出的技术将朝着高速、高效、和高质量的方向发展,2023/5/19,北京化工大学,79,参考文献,1中国石化总公司生产部编写，合成树脂服务指南,中国石化出版社,1997,62孙逊，聚烯烃管道，化学工业出版社，2002，73曾家华，塑料建材技术手册，化学工业出版社，1999，9,