楊文亮

(中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司南京研究院,江蘇 南京,210048)

無規(guī)共聚聚丙烯(PP-R)管材料具有耐熱保溫、耐壓、耐腐蝕、節(jié)能環(huán)保、使用壽命長、連接可靠、安裝方便等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域冷、熱水管道系統(tǒng)。原材料結(jié)構(gòu)和性能、擠出加工成型設(shè)備及擠出加工成型工藝條件決定著PP-R管材的最終質(zhì)量水平。PP-R管材的質(zhì)量與加工溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、熔體壓力、牽引速度等工藝參數(shù)密切相關(guān)[1]。下面對中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司在Hypol工藝聚合裝置上開發(fā)的PP-R管材料R503結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了分析,并在此基礎(chǔ)上對R503管材的擠出成型加工工藝進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器設(shè)備

PP-R管材料,R503,中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司。拉伸試驗(yàn)儀,INSTRON 5965,美國INSTRON公司;熔體流動(dòng)速率儀,D4002,美國DYNISCO公司;簡支梁沖擊試驗(yàn)儀,7611,意大利CEAST公司;拉伸流變儀,PHEOTENS71.97,德國GOTTFERT公司;熱變形儀,603/HDT,美國T.O公司;凝膠色譜儀(GPC),美國Waters公司;差示掃描量熱儀,Pyris6DSC,美國PE公司;毛細(xì)管流變儀,RT2000,德國GOTTFERT公司;φ45單螺桿管材擠出機(jī)組,OD63,德國克勞斯-瑪菲公司;管材靜液壓強(qiáng)度測試儀,Blueline,德國IPT公司。

1.2 管材擠出工藝條件

設(shè)定的溫度區(qū)間分別為:較低溫度區(qū)間180～190 ℃;中間溫度區(qū)間200～210 ℃;較高溫度區(qū)間220～230 ℃。

在對應(yīng)的溫度區(qū)間下,通過改變管材擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速來研究其對管材擠出的影響情況。所設(shè)定的螺桿轉(zhuǎn)速為100,150,200 r/min。成型管材的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為32.0 mm×2.9 mm。

1.3 性能測試

管材靜液壓強(qiáng)度按照GB/T 6111—2003測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 R503管材的結(jié)構(gòu)與性能

2.1.1 基本性能

表1是R503管材的基本性能。

表1 R503管材的基本性能

從表1可以看出,R503管材具有較低的熔體流動(dòng)速率,乙烯含量適中,簡支梁沖擊強(qiáng)度和彎曲模量值較高,具有良好剛韌平衡性。

2.1.2 GPC分析

采用GPC凝膠滲透色譜儀對R503管材的相對分子質(zhì)量及其分布進(jìn)行了分析表征。結(jié)果表明,R503管材的重均相對分子質(zhì)量較高,為701 694,相對分子質(zhì)量分布寬度適中(5.27)。較高的重均相對分子質(zhì)量賦予管材足夠的強(qiáng)度,而合適的相對分子質(zhì)量分布則有利于管材的成型加工。

2.1.3 熔體強(qiáng)度分析

圖1是R503管材的熔體強(qiáng)度隨溫度的變化情況。

從圖1可以看出,在180 ℃時(shí),R503管材的熔體強(qiáng)度較高,隨后,其熔體強(qiáng)度隨著溫度的升高出現(xiàn)較為明顯的下降;但當(dāng)溫度升高到200～220 ℃區(qū)域時(shí),熔體強(qiáng)度下降趨于緩和;而溫度升高到220 ℃以后熔體強(qiáng)度又開始明顯下降。

圖1 溫度對R503管材熔體強(qiáng)度的影響

2.1.4 毛細(xì)管流變行為分析

圖2是不同溫度下剪切速率對R503管材表觀黏度的影響。

圖2 不同溫度下剪切速率對R503熔體流變行為影響

從圖2可以看出,在高剪切速率范圍(102～104s-1)內(nèi), R503管材的表觀黏度隨溫度的升高而有所下降,表現(xiàn)出一定的溫度敏感性,表明升高溫度有利于材料的擠出加工。從圖2還可以看出,在高剪切速率范圍內(nèi),不同溫度下R503管材的表觀黏度均隨剪切速率的增加而降低,流變曲線的斜率十分接近,表明其變化趨勢一致;增大剪切可以有效降低材料的表觀黏度,更有利于擠出加工。

2.2 R503管材擠出成型加工

2.2.1 螺桿轉(zhuǎn)速的影響

在管材擠出過程中,螺桿轉(zhuǎn)速直接影響原料的塑化,以及管材的產(chǎn)量和質(zhì)量。螺桿轉(zhuǎn)速取決于擠出機(jī)的大小。在一定范圍內(nèi)提高螺桿轉(zhuǎn)速有利于原料的塑化,并且可以提高產(chǎn)品產(chǎn)量。表2中給出了加工溫度在180～230 ℃,擠出工藝參數(shù)隨螺桿轉(zhuǎn)速變化的情況。從表2可以看出,在相同的加工溫度下,主機(jī)電流和熔體壓力隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高會(huì)相應(yīng)增加。熔體壓力增加可以使擠出的管材更加密實(shí),有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量,但熔體壓力過大則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備使用壽命降低,并帶來安全問題。

2.2.2 加工溫度的影響

表2中列出了螺桿轉(zhuǎn)速在100,150,200 r/min時(shí),不同加工溫度下的擠出工藝參數(shù)。從表2可以看出,在螺桿轉(zhuǎn)速相同的情況下,其主機(jī)電流和熔體壓力隨著加工溫度的升高均有所下降。

表2 不同加工溫度和螺桿轉(zhuǎn)速時(shí)的擠出情況

在不同加工溫度和螺桿轉(zhuǎn)速下對R503管材進(jìn)行的擠出加工成型試驗(yàn)結(jié)果表明,可以在較寬的加工溫度(180～230 ℃)和螺桿轉(zhuǎn)速(100～200 r/min)下制備尺寸及外觀合格的R503管材。

2.3 R503管材性能測試

2.3.1 R503管材的拉伸性能

選取在不同加工溫度(180～230 ℃)和螺桿轉(zhuǎn)速(100～200 r/min)下制備的管材,并對其拉伸性能進(jìn)行測試,結(jié)果見表3。

表3 R503管材的拉伸性能

從表3可以看出,不同加工溫度和螺桿轉(zhuǎn)速條件下,R503管材的拉伸性能較為接近,說明該加工溫度范圍和螺桿轉(zhuǎn)速范圍對R503管材的拉伸性能的影響不大。在較寬的加工溫度和螺桿轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),管材具有良好的拉伸性能。

2.3.2 R503管材的靜液壓性能

對所制備的R503管材樣品進(jìn)行了短期靜液壓強(qiáng)度測試(見表4)。從表4看出，R503管材樣品在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)生破裂和滲透。

表4 R503管材的短期靜液壓性能

3 結(jié)論

a) R503管材重均相對分子質(zhì)量較高,相對分子質(zhì)量分布寬度適中,乙烯含量適中,簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度和彎曲模量值較高,具有良好的剛韌平衡性。

b) R503管材的熔體強(qiáng)度隨溫度的升高而降低,在200～220 ℃范圍內(nèi)下降趨勢趨于平緩,說明在該溫度區(qū)間內(nèi)R503管材的熔體強(qiáng)度對溫度的變化敏感性較弱。

c) 在高剪切速率范圍內(nèi),R503管材的表觀黏度隨溫度的升高而有所下降,表現(xiàn)出一定的溫度敏感性,表明升高溫度有利于材料的擠出加工。

d) R503管材可在較寬的加工溫度和螺桿轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)制備性能優(yōu)良的管材,表現(xiàn)出良好的加工性能。

[1] 王瀟夢,尹曉剛,張純,等.PP-R管材及專用料的研究進(jìn)展[J],工程塑料應(yīng)用,2014,42(10),107-112.