HDPE结构壁管材开裂分析及工艺技术改进

塑料加工工艺与技改 2018-12-05 15:12:28

HDPE结构壁管材主要有HDPE中空壁缠绕管、HDPE中空塑钢壁缠绕管、HDPE双壁波纹管等,这类管材环刚度高,抗压能力强,连接简便,可以按需求生产不同口径管道(Ф300-Ф3000)系列,广泛应用于市政工程排水、排污等。但这类管材由于自身结构和加工成型特点,以及生产厂家大量使用再生料、填充母料、线性低密度聚合物等,导致存放和施工时管材易于变形开裂,特别是夏季阳光曝晒下更易导致管材开裂。这极大影响了用户使用这类管道的信心。本文将就HDPE结构壁管材开裂原因进行分析,并提出生产工艺技术改进措施。 

1.0  HDPE结构壁管材生产工艺流程

1.1 工艺流程

1.1.1 生产工艺,见图1 

1 HDPE中空壁缠绕管生产工艺流程 

HDPE增强中空壁缠绕管的生产工艺采用独特的热缠绕焊接成型工艺。首先通过异型口模挤出连续的HDPE异型基材(缠绕成型所需的方管),经定径和初步冷却后以一定的卷入角度缠绕于成型台上,对基材进行预热,与此同时,位于成型台附近的熔接挤出机挤出连续的熔融PE条状带,它直接搭接在相邻两圈异型基材之间并在压平辊的作用下与其充分融合,连续缠绕熔接冷却后即可得到缠绕管。

    成型工艺类似的HDPE结构壁管还有中空塑钢壁缠绕管,它的异型基材为过塑钢带。

1.1.2 生产工艺注意要点

1)多数厂家异型管使用原料基本上是再生料。但熔接用原料性能要优于异型管用原料,加工温度也要适当。

2)混合料干燥温度与干燥时间,挤出主机加热温度设置要保证再生料充分塑化,生产的异型管要设置检测标准,除基本的壁厚尺寸外,冲击性能与拉伸性能也要检测。

3)异型管挤出模头温度设置也要保证再生料充分塑化,模芯、口模、定径套要配套,保证生产的异型管达到设计要求,异型管冷却后表面也要有一定高的温度,该温度要适合熔胶焊接。

4)熔胶焊接要密实,不能有气孔和裂缝,熔胶焊接强度要检测。

5)冷却定型后的异型管焊接面最好刻上连续的凹痕。一方面可以减少异型管表面张力,同时也可以增强熔胶焊接强度。

6)缠绕工艺技术控制是整个生产流程中关键的因素,其中熔胶焊接温度的控制非常关键,一旦控制不好很容易影响管材的轴向强度。 

1.2 原料

1.2.1 新料

HDPE结构壁管材使用的主要原料为PE63、PE80、PE100级树脂。一些厂家还会掺入一些线性低密度聚乙烯。

1.2.2  再生料

    再生料的成分比较复杂,主要为进口垃圾料分拣、废旧PE回收料、PET废料等,经过水洗、洗涤剂清洗、氢氧化钠溶液除油污后再经挤出机挤出造粒。

    随着国家限制再生塑料垃圾进口,再生料的来源减少,价格逐渐看涨。

1.2.3  线性低密度聚乙烯、助剂填充母料

线性低密度聚乙烯加工流动性好,熔体粘度高强度低,抗撕裂能力强,价格也具竞争力,但会降低管材环刚度。添加少量有助于塑化。

个别厂家为了提高管材环刚度,还会添加一些滑石粉、碳酸钙等。也有添加少量PE蜡作为分散剂使用,提升塑化均一性。

        填充母料主要用于降低生产成本,但填充母料中的蜡类小分子分散剂对产品力学性能是负面的。

2.0  HDPE结构壁管材开裂原因分析

2.1 常见HDPE结构壁管材开裂,见图2

2、常见HDPE结构壁管材开裂

2.2 焊接

HDPE增强中空壁缠绕管是由异型基材通过热熔胶焊接缠绕成型,焊接成型时,若热熔胶与异型基材温差过大,不利于异型基材间熔接,焊接不牢。

大口径缠绕管的熔接焊缝很长,热熔胶焊接成型时存在气孔和缝隙,导致生产线上接质量难以实时检测发现。

异型基材成型过程中,蜡状小分子向表面迁移并附着在表面,导致热熔胶焊接粘接力减小,焊接强度降低。

2.3 内应力

内应力从热力学方面讲是成型过程中形成的不平衡结构,在成型之后不能恢复到与环境条件相适应的平衡结构,从而产生一种趋向平衡的作用。

由于树脂本身结构及塑化成型的特点,塑料在定型及冷却的阶段,固化转变时间与应力释放的时间很难完全统一,不可避免的产生相应的应力。虽然新技术、新发明不断应用到各类塑料成型方法中,但无法从根本上解决内应力的问题。内应力是无法消除的,管材的内应力在一定条件下,如:管材使用(存储、施工等)条件超过管材承受范围,均可能出现应力释放,影响管材的外观及力学性能,严重的会导致管材结构出现变形、裂纹、开裂等破坏。

2.4 环境温度变化

根据高分子的运动和温度的关系:

从上式可以看出,如果高聚物的体系温度T较低,运动单元的松弛时间就较长,因而在短的时间内观察不到松弛现象。但是如果温度T升高,缩短运动单元的松弛时间,在较短的时间里观察到松弛现象。对于高分子物质,体系的温度越高,松弛过程进行越快,这正是温度变化对管材内应力影响的原因。

昼夜温差变化的影响,导致管材内应力的释放,出现开裂现象,这可能是导致管材出现开裂的直接原因,即便是全新料生产的结构壁管材也会出现开裂现象。所以,管材存放应避免阳光曝晒。

2.5 物料影响

    HDPE结构壁管材使用再生料较为普遍,但再生料结构复杂,由多种不同聚合物组成,导致熔融料中新旧料分散不均,塑化不良,使得异型基材抗冲性和拉伸强度降低。通过扫描电镜照片可以很容易发现胶料塑化状况,见图3。另外,再生料油污清洗不干净也会影响物料塑化和焊接强度。

3HDPE混和料电镜图片

HDPE结构壁管材生产过程中,一些厂家为了保证塑化良好,通常会加入少量线性低密度聚乙烯,这虽然可以改善物料流动性和促进塑化,但同时降低结构壁管材环刚度与拉伸强度。

还有一些厂家会在物料中加入少量PE蜡,用来改善物料流动性和分散性,但这部分蜡状小分子会迁移到异型基材表面,导致焊接粘接强度下降。

总之,HDPE结构壁管材结构特征,加之外界昼夜温差环境变化应力释放,导致HDPE结构壁管材开裂,还有储存和运输途中强烈的外力撞击使得应力瞬时释放也会导致管材破裂。见图2 

3.0  HDPE结构壁管材工艺技术改进

常用的做法有:在异型方管主机生产线模头与螺筒之间加装带过滤网的多孔板,液压控制并可以定期清理;改进异型方管焊接面划痕的成型方法;焊接水冷工艺改为焊接风冷工艺;增加异型基材冲击强度和拉伸强度的检测,保证异型基材质量。这些措施毫无疑问对HDPE结构壁管材质量稳定是极有助益的。

3.1 异型基材温度加热装置

HDPE增强中空壁缠绕管是由异型基材通过热熔胶焊接缠绕成型,焊接成型时,若热熔胶与异型基材温差过大,不利于异型基材间熔接,焊接不牢。解决温差过大的方法就是在生产线上增加异型基材温度加热装置,见图4。该装置温度可调,加装有热风循环装置,主要部件有:

(1)热设备内壁材质为304镜面不锈钢,外壁材质为冷轧板烤漆。

(2)加热体长度为1米,直径为210MM180MM100MM等规格,具体依据异型基材尺寸设定。

(3)加热体为半开闭式,加热体两端各有一个方管导向轮。

(4)加热元件为圆柱形发热管,温度调节控制器一个。

(5)可调节升缩支架一套。

4 异型基材加热控制装置示意图 

    异型基材加热控制装置温度设置具体依据焊接工艺要求进行。温度过低,达不到缩小温差的要求,温度过高会导致异型基材变形。 

3.2 选用适宜的HDPE加工改性剂

    为了改进提升的质量,促进物料分散和塑化,特别是环刚度和焊缝拉伸强度等,一些厂家会在混和料中添加PE蜡、线性低密度聚乙烯、滑石粉等助剂,但效果差强人意。一般要求HDPE结构壁管加工助剂不应含有小分子蜡状物、线性小分子聚合物等物料,这些虽可以改善物料分散和塑化,但会导致物理力学性能下降。

据了解,生产HDPE结构壁管质量较好的厂家,物料都比较简单,只需要新料、再生料和少量的派福瑞(POLYCOMHDPE加工助剂即可,且HDPE结构壁管材环刚度和焊缝强度提升明显。见表一。注:表中数据试验产品为HDPE结中空壁排水管

据分析,派福瑞(POLYCOMHDPE加工助剂以特殊的聚烯烃弹性体为载体,可以改善韧性;同时由于其含有活性粒子,可以填充塑料加工中产生的微孔,从而改善综合强度;其中含有的特殊偶联剂,可以大幅度提高无机物与塑料之间的相容性,分散性大大提高。

    派福瑞(POLYCOMHDPE加工助剂没有蜡类小分子物质,不会降低产品物理力学性能。 

总之,HDPE结构壁管材开裂原因复杂,但是,只要对生产工艺进行合理改进,并选用适宜的HDPE加工助剂,质量事故还是可以避免的。

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