聚丙烯中空壁纏繞管的開發(fā)研究

王秋騰

（廣東永高塑業(yè)發(fā)展有限公司）

20 世紀(jì)90 年代，國外已開始在市政工程中使用中空壁纏繞管，歐美、韓國及日本等國家較早廣泛應(yīng)用于地下排水管系統(tǒng)。國內(nèi)此類產(chǎn)品研發(fā)起步較晚，2001 年初才有相關(guān)產(chǎn)品的報(bào)道[1]，是在吸收了德國、芬蘭及韓國技術(shù)的基礎(chǔ)上研制成功的，2004 年制定了國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T19472.2－2004 埋地用聚乙烯（PE）結(jié)構(gòu)壁管道系統(tǒng) 第2 部分：聚乙烯纏繞結(jié)構(gòu)壁管材》，2017 年進(jìn)行了改版發(fā)布《GB/T19472.2－2017》，其實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)名稱為纏繞結(jié)構(gòu)壁管材A 型管（行業(yè)屬稱中空壁纏繞管），因此，早期生產(chǎn)的管材均以HDPE 為主要原料，經(jīng)過擠出方形或長方形中空管，再熱熔纏繞粘接成中空壁纏繞管。發(fā)展至今，其已不僅僅有HDPE 材料，目前市場上亦有拓展了聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）材料，尤其是聚丙烯，2018 年發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T35451.2－2018 埋地排水排污用聚丙烯(PP)結(jié)構(gòu)壁管道系統(tǒng) 第2 部分：聚丙烯纏繞結(jié)構(gòu)壁管材》，該國家標(biāo)準(zhǔn)和HDPE 類標(biāo)準(zhǔn)一樣，其中包含著A 型和B 型管材，A 型才屬于中空壁纏繞管，但有意思的是，該國家標(biāo)準(zhǔn)的制定主要是考慮了B型管材，A 型中空壁纏繞管只是順帶提出，但目前兩者類型的聚丙烯管材均還沒有得到很好的開發(fā)推廣，大部分僅限于試驗(yàn)研究階段，但從目前已成熟應(yīng)用的聚丙烯雙壁波紋管（也屬于結(jié)構(gòu)壁管，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T35451.1－2017）經(jīng)驗(yàn)來看，聚丙烯中空壁纏繞管的應(yīng)用亦沒有太大問題。

1 原料選擇

原料選擇的原則是選用高彈性模量的材料從而提高管材的環(huán)剛度，PP 的彈性模量比HDPE 的高，而且國內(nèi)外通過聚合工藝開發(fā)出了高剛度PP，同時(shí)PP 的成型性接近HDPE 的，遠(yuǎn)優(yōu)于PVC 的。PP 的密度很小，僅為0.90g/cm3左右，因此對于同一口徑的結(jié)構(gòu)壁管材采用PP 在單位長度上具有較輕的重量。這意味著達(dá)到相同的環(huán)剛度，采用聚丙烯可以使管材的壁厚大幅度減小，節(jié)省生產(chǎn)原料。目前，PP 根據(jù)分子結(jié)構(gòu)不同PP 可分為PP-H、PP-B、PP-R 三大類，而傳統(tǒng)的PP-B 通常用于非承壓埋地排水排污管道，模量一般在1100-1300MPa，高模量的PP-HM 主要基于PP-B 或PP-H，優(yōu)化其高分子結(jié)晶過程和成核過程，實(shí)現(xiàn)高剛度和高結(jié)晶度；并采用特殊的工藝或配方同時(shí)實(shí)現(xiàn)抗沖擊強(qiáng)度的提高。目前，HDPE模量普遍在1100MPa 左右，最高也只能達(dá)到1300MPa。而國內(nèi)外可選擇的高模量PP 專用料也比較多，北歐化工的BA212E，彈性模量達(dá)1700MPa，應(yīng)用比較廣；韓國曉星的HB240P 彈性模量1400～1500MPa，HB242P 彈性模量1700-1800MPa；巴塞爾的H2464 彈性模量為1400～1500MPa，H2483 彈性模量為1800MPa 左右；中石化最新開發(fā)的B1600 彈性模量模量與北歐化工的BA212E 相當(dāng)，1600～1700MPa；中石油開發(fā)H2483 彈性模量應(yīng)該與略低于巴塞爾的H2483，即1700MPa 左右。GB/T35451.2－2018 標(biāo)準(zhǔn)明顯要求管材氧化誘導(dǎo)時(shí)間為≥20min，注意是管材，而不是原料，基于對材料抗氧能力考慮，以及加工后抗氧化能力的減弱，對原料氧化誘導(dǎo)時(shí)間要求應(yīng)當(dāng)≥30min，而目前多數(shù)PP 廠家對此并沒有明確的要求，至少出廠報(bào)告沒有經(jīng)過檢測，中石化的B1600 及中石油的H2483 為后起之秀，于2019 年開發(fā)成功，材料開發(fā)初期充分考慮了筆者提出的要求，作為必須考慮的性能之一，其材料氧化誘導(dǎo)可達(dá)40min 以上，而BA212E 在20min 以上，中石化的B1600 或H2483 顯然更為合適,另外，最關(guān)鍵的是，國產(chǎn)材料價(jià)格也有較大優(yōu)勢，本開發(fā)中我們選用了B1600 作為研究對象。

2 制備

試驗(yàn)用中石化聚丙烯B1600 和吉林石化聚乙烯100S（給水管用PE100 級材料）分別生產(chǎn)聚丙烯纏繞管和聚乙烯纏繞管，配方按新原100 份、黑色母3 份進(jìn)行，筆者主要在市場使用量比較大的DN/ID300SN8 和DN/ID400SN8 規(guī)格上進(jìn)行對比研究，在生產(chǎn)過程中，設(shè)備擠出工藝未有太大區(qū)別。但有一個比較有意思特點(diǎn)，對于聚丙烯材料，隨著加工溫度升高，擠出電流有明顯下降，管材顏色越顯黑亮，而聚乙烯材料電流下降不明顯，這給我們一個啟示，如考慮在配方上增加環(huán)剛度填充改性，聚丙烯改性配方通過溫度調(diào)節(jié)的特點(diǎn)能對設(shè)備機(jī)筒螺桿起到很好的減緩磨損的作用，據(jù)了解，行業(yè)內(nèi)目前聚乙烯雙壁波紋管采用的聚乙烯加填充母料的生產(chǎn)磨損起螺桿磨損較快，一般半年到一年則需要更換一次。

表1 DN/ID300SN8

3 性能測試

3.1 環(huán)剛度

結(jié)構(gòu)壁管材主要應(yīng)用于埋地排水排污管道，由于大都埋于地下，所以必須承受一定的外部壓力，因此埋地排水排污管必須具有一定的剛性和強(qiáng)度以承受外部壓力，環(huán)剛度則是塑料埋地排水排污管道抵抗外負(fù)載能力的重要參數(shù)[2]。管材環(huán)剛度采用萬能電子拉力試驗(yàn)機(jī)按GB/T9647－2015 規(guī)定進(jìn)行。

3.2 沖擊性能

管材落錘沖擊采用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)按GB/T14152-2001 進(jìn)行測試。

3.3 焊縫拉伸強(qiáng)度

管材焊縫拉伸強(qiáng)度采用萬能電子拉力試驗(yàn)機(jī)按GB/T19472.2－2017 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3.4 氧化誘導(dǎo)時(shí)間

管材氧化誘導(dǎo)時(shí)間采用美國TA 公司DSC 設(shè)備，按GB/T19466.6 進(jìn)行測試。

3.5 維卡軟化溫度

管材維卡軟化溫度采用維卡軟化溫度測試儀進(jìn)行，按GB/T1633 規(guī)定進(jìn)行測試。

4 結(jié)果與討論

4.1 結(jié)果

HDPE 與PP 中空壁纏繞管檢測結(jié)果如表1 及表2。

4.2 其它參考測試

為進(jìn)一步研究聚丙烯中空壁纏繞管的特點(diǎn)，還可以進(jìn)行以下的長期試驗(yàn)驗(yàn)證，需要強(qiáng)調(diào)的是，這些試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)中尚未提及，暫不作為產(chǎn)品質(zhì)量評定的依據(jù)。

表2 DN/ID400SN8

4.2.1 環(huán)剛度隨時(shí)間的變化趨勢

采用B1600 生產(chǎn)的聚丙烯中空壁纏繞管環(huán)剛度隨時(shí)間變化有明顯的升高，400SN8 規(guī)格追蹤半年，提高幅度明顯（圖1），而按我們以往的經(jīng)驗(yàn)，采用聚乙烯材料生產(chǎn)的管材環(huán)剛度基本3 天內(nèi)定型，往后環(huán)剛度變化不大，有個別聚乙烯甚至一天即可定型，這可能跟其中采用的成核劑有關(guān)，但是否所有的聚丙烯PPB 材料都有此特點(diǎn)尚有待后期研究。環(huán)剛度的提升顯然對埋地管是有利的，如我們正常生產(chǎn)聚丙烯纏繞管時(shí)要求放置1 或2天檢測環(huán)剛度必須合格，則我們實(shí)際使用時(shí)環(huán)剛度會有很大的富余，大大提高了埋地使用安全性。

圖1 環(huán)剛度隨時(shí)間的變化趨勢

4.2.2 氧化誘導(dǎo)時(shí)間隨時(shí)間的變化

采用B1600 生產(chǎn)的聚丙烯中空壁纏繞管氧化誘導(dǎo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)要求的20min，暴露在室外不做任何防護(hù)，隨時(shí)間變化一個月內(nèi)有所升高，追蹤半年，逐漸下降（圖2），但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，而按我們以往的經(jīng)驗(yàn)，管材除了本身有適當(dāng)防護(hù)，按訂單式生產(chǎn)管材往往是很快埋地使用，基本不用擔(dān)心后期老化問題。

4.2.3 維卡軟化溫度的測試

圖2 氧化誘導(dǎo)時(shí)間隨時(shí)間的變化趨勢

采用B1600 生產(chǎn)的聚丙烯中空壁纏繞管，其有出色的耐熱性，明顯優(yōu)于HDPE，維卡軟化溫度提高28℃，在炎熱的夏天施工，HDPE 管材經(jīng)過太陽暴曬，其環(huán)剛度損失很大，管材容易塌方，而聚丙烯纏繞管則可以大幅度降低此方面風(fēng)險(xiǎn)，維卡軟化溫度檢測如表3。

表3 維卡軟化溫度檢測

4.3 討論

⑴相同規(guī)格相同環(huán)剛度等級管材，產(chǎn)品米重更輕，在未有考慮聚丙烯纏繞管后期環(huán)剛度的提高特點(diǎn)，其至少能節(jié)約材料15%以上，在PP 和PE 材料價(jià)格相差不大的情況下，其優(yōu)勢是不言而喻的，除非PE 材料有低于PP 材料15%的差價(jià)，顯然這個可能性不大，在目前國產(chǎn)材料開發(fā)成功的基礎(chǔ)上更沒有可能。

⑵相同模具生產(chǎn)相同規(guī)格管材，PP 管材內(nèi)徑比PE管材大，說明PP 材料定型更好，生產(chǎn)纏繞管收縮更小，對于排水排污管有更高的流通量。

⑶采用PP 材料生產(chǎn)纏繞管沖擊性能與PE 纏繞管沒有太大區(qū)別，均可滿足各自國家標(biāo)準(zhǔn)要求，主要原因在于目前開發(fā)的PPB 原料都是采用了一些改性的技術(shù)，比如采用接枝聚乙烯或彈性體等方式，有效提高了聚丙烯材料的低溫沖擊性能。

⑷相同規(guī)格相同環(huán)剛度等級及相近壁厚管材，采用PP 材料其焊縫拉伸強(qiáng)度高于PE 材料，原因是PP 材料本身拉伸強(qiáng)度就比PE 材料的高，其更高的焊縫拉伸強(qiáng)度賦予了管材更好的抗彎曲變形能力和拉伸能力，具有更好的抗地質(zhì)沉降能力。

⑸采用中石化B1600 生產(chǎn)管材氧化誘導(dǎo)時(shí)間低于PE 材料，能能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，即使經(jīng)過半年的太陽暴曬，其性能優(yōu)于國外大部分材料。

⑹采用中石化B1600 生產(chǎn)管材環(huán)剛度具有隨時(shí)間延長不斷提高的特點(diǎn)，后期環(huán)剛度具有很大的富余量，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于PE 材料，埋地安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PE 材料。

⑺采用PP 材料生產(chǎn)纏繞管具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于PE 材料的耐熱性，其維卡軟化溫度高28℃，有利于南方炎熱夏天施工。

5 應(yīng)用推廣存在的問題

由于塑料管道技術(shù)和資金壁壘較低，整體進(jìn)入門檻較低，大量中小企業(yè)涌入，帶來了中低端產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，行業(yè)競爭較為激烈。但多年的應(yīng)用，排水排污管道優(yōu)缺點(diǎn)正在逐漸被認(rèn)識，產(chǎn)品越來越透明化，逐漸出現(xiàn)了兩極分化的現(xiàn)象，自主運(yùn)行或?qū)Σ牧弦蟾叩挠脩粼絹碓絻A向于使用高性價(jià)比及符合標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品，而對材料要求不高、管控差的項(xiàng)目越來越傾向更為低端的非標(biāo)產(chǎn)品。目前，埋地用結(jié)構(gòu)壁類聚丙烯管材推廣并不理想，占市場份額不高，主要原因在于：

⑴早期沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)院不愿意上圖，國家標(biāo)準(zhǔn)在2018 年才開始陸續(xù)發(fā)布實(shí)施；

⑵部分廠家采用雙螺桿擠出聚丙烯粉料對市場沖擊很大，由于大量填充碳酸鈣成本低、且產(chǎn)品質(zhì)量很差，給聚丙烯推廣造成負(fù)面影響；

⑶聚丙烯加工難度比HDPE 大很多，必須對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，有這個能力、實(shí)力和意愿的廠家不多，尤其是聚丙烯雙壁波紋管。但值得慶幸的是，生產(chǎn)PP 纏繞管直接可采用PE 纏繞管生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)工藝，加工要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PP 雙壁波紋管，不存在成型和過渡料的問題，其國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)也在PP 雙壁波紋管之后進(jìn)行了發(fā)布，可以嘗試進(jìn)行推廣。

6 結(jié)論

目前國內(nèi)外均有多款高模量PP 材料適合應(yīng)用于聚丙烯纏繞管，通過與HDPE 中空壁纏繞管的比較，其環(huán)剛度更高，同樣口徑同樣環(huán)剛度管材可以節(jié)約材料15%以上，隨時(shí)間的變化，采用B1600 環(huán)剛度表現(xiàn)出優(yōu)異的遞增規(guī)律，抗老化性和抗沖擊性能一樣擁有出色的表現(xiàn)，耐熱性和焊縫拉伸強(qiáng)度明顯優(yōu)于HDPE 中空壁纏繞管，采用合格聚丙烯粒料生產(chǎn)的聚丙烯中空壁纏繞管具有很好的推廣應(yīng)用優(yōu)勢，尤其是在南方地區(qū)。