塑料管材用原料及模具设计

1、2019/5/14,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,2019/5/14,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,2019/5/14,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,2019/5/14,北京化工大学,4,（一）管材应用市场分析,2019/5/14,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ISO 9080 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DIN4626,2019/5/14,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,2019/5/14,北京化工大学,7,塑料管道的管道级原材料的等

2、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,2019/5/14,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ISO 9080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。,2019/5/14,北京化工大学,9,表1. LCL与MRS及材料分级数之间的关系（ISO 12162）,2019/5/14,北京化工大学,10,表2.管材料的等级命名,2019/5/14,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,2019/5/14,北京化工大学,12,表2管材料的等级命名,2019/5/14,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,2019/5/14,北

3、京化工大学,14,名词术语,dn 公称外径，mm dem 平均外径，mm en 公称壁厚，mm SDR，标准尺寸比，SDR=Dn/en S 管系列，S=(SDR-1)/2 Scalc 计算管系列，S=D/PD,2019/5/14,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,2019/5/14,北京化工大学,16,环应力计算,环应力分析t,2019/5/14,北京化工大学,17,轴应力计算,轴应力分析a,2019/5/14,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=0,2019/5/14,北京化工大学,19,ISO方程, 环向应力，MPa P 管内介质压力,MPa D 管外经，mm e 管壁厚，mm dm 平均管径，mm dm=D-e SDR=D/e,2 P = 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：,2019/5/14,北京化工大学,20,管系列S的概念,S=(SDR-1)/2=dm/(2e),2 P = SDR-1, S = P, P = S,2019/5/14,北京化工大学

4、,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/C C 安全系数 Scalc的确定 Scalc= S/P,2019/5/14,北京化工大学,22,输送热介质的塑料类管材使用条件级别,2019/5/14,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,2019/5/14,北京化工大学,24, 聚乙烯管材的类型,LDPE HDPE LLDPE&mLLDPE MDPE UHMWPE PE-(HD)X, PE-(MD)X,2019/5/14,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,2019/5/14,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

5、强了刚度和承压能力，因此是聚乙烯压力管的主导材料。,2019/5/14,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PE 63级材料。,2019/5/14,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PE 80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。,2019/5/14,北京化工大学,29,聚乙烯管材料三代产品 均聚产品（PE 100）,PE 100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。 PE 1

6、00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。,2019/5/14,北京化工大学,30,PE80和PE100的比较,2019/5/14,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PE 112和PE 140的目标接近。 通过交联可以获得PE 125的管材级材料 经过双轴取向可以获得PE 250的管材,2019/5/14,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ASTM D 1693或GBT 1842） 耐长期静液压强度（测试方法为GB/T611185） 焊接性 卫生性,2019/5/14,北京化工大学,33,表3. 标准对聚乙烯材料等级的要求,2019/5/14,北京化工大学,34,表4.国产PE管材料,2019/5/14,北京化工大学,35,表4.国产的PE管材料 （续）,2019/5/14,北京化工大学,36,表5. 国外的几种特殊的PE管材料,2019/5/14,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： P

7、P-H(均聚聚丙烯) PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP PP-B(嵌段共聚聚丙烯） PPPPPPPPPEEEEEEPPPPPPPPPP PP-R（无规共聚聚丙烯） PPPPEPPPEPPPPPPPPPEPPPPEPPP,2019/5/14,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。,2019/5/14,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,2019/5/14,北京化工大学,40,PPH、PPB、PPR刚性比较,2019/5/14,北京化工大学,41,关于聚丙烯管道的德国标准有,DIN 8077聚丙烯管尺寸标准 DIN 8078聚丙烯管质量要求和测试 ISO/DIS 158

8、74-2.2 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,2019/5/14,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,2019/5/14,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。,2019/5/14,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。,2019/5/14,北京化工大学,45,关于氯化聚氯乙烯管道的德国标准有,DIN 8079氯化聚氯乙烯管尺寸标准 DIN 8080氯化聚氯乙烯管质量要求和测试 ISO/DIS 15876-2.2氯化聚氯乙烯管

9、质量要求和测试,2019/5/14,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。,2019/5/14,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 | | | | | CH2 CH3 CH2 CH2 CH2 | | | | | CH3 CH3 CH3 CH3 CH3,2019/5/14,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,2019/5/14,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/cm3,2019/5/14,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。,2019/5/14,北京化工大学,51,PB4137的长期静液压强度,2019/5/14,北京化工大学,52,表6. PB 4137(灰色)管材料的性能指标,2019/5/14,北京化工大学,53,表7. PB 4135(象牙白色)管材料的性能指标,2019/5/14,北京化工大学,54,关于PB管的德国标准和欧洲标准,DIN 16968 聚丁烯管质量标准和测试 DIN 16969 聚丁烯管尺寸标准 prEN 12319 用于冷热水设施的塑料管道系统_聚丁烯(PB) ISO 12230-聚丁烯管: 时间和温度对预期强度的影响,2019/5/14,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,2019/5/14,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。

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