PVC-M雙壁波紋管的開(kāi)發(fā)

汪進(jìn)南

(安徽杰藍(lán)特新材料有限公司，安徽 廣德 242200)

PVC雙壁波紋管是市政排水管道領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。然而，由于PVC具備低溫脆性的缺點(diǎn)，在地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，當(dāng)墜落的石塊、溝槽的亂石等外界物質(zhì)大力沖擊管材時(shí)，PVC雙壁波紋管較易發(fā)生脆性破壞，在工程應(yīng)用領(lǐng)域容易出現(xiàn)事故。因此，筆者開(kāi)發(fā)了高抗沖的PVC-M雙壁波紋管，其在保留PVC雙壁波紋管強(qiáng)度的同時(shí)，還大幅度提高了其低溫抗沖性，并開(kāi)發(fā)了PVC-M雙壁波紋管承口1次成型的生產(chǎn)工藝。

1 PVC-M雙壁波紋管簡(jiǎn)介

PVC-M雙壁波紋管是一種新型的結(jié)構(gòu)壁管材，具備色澤鮮艷、內(nèi)外壁光滑、密度小、強(qiáng)度高、沖擊性好、施工便捷、能有效承載外部載荷等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于通信電力護(hù)套、市政排水、農(nóng)田低壓灌溉等工程領(lǐng)域。有別于傳統(tǒng)PVC-U雙壁波紋管的承口結(jié)構(gòu)(產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1)，PVC-M雙壁波紋管的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。傳統(tǒng)PVC-U雙壁波紋管的承口為2次成型工藝，先連續(xù)生產(chǎn)直管，再通過(guò)2次加溫軟化、膨脹擴(kuò)口來(lái)成型承口。PVC-M雙壁波紋管的承口為1次成型工藝，內(nèi)外壁緊密黏合一起。

(a)帶承口

(b)不帶承口

(a)帶承口

(b)不帶承口

2 配方

PVC-M雙壁波紋管的配方見(jiàn)表1。

表1 PVC-M雙壁波紋管的配方

PVC-M雙壁波紋管是通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)PVC-U雙壁波紋管材進(jìn)行改良而獲得的一種抗沖型管材。在原有配方基礎(chǔ)上，通過(guò)添加沖擊改性劑MBS，在保持PVC材料原有強(qiáng)度的同時(shí)增加了其延展性，從而使波紋管的韌性得到了較大幅度的提高。

3 主要試驗(yàn)設(shè)備

PVC-M雙壁波紋管的成型設(shè)備與PVC-U雙壁波紋管相差不大，但須對(duì)成型機(jī)、模具進(jìn)行一定程度的技術(shù)改進(jìn)。主要試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 主要的試驗(yàn)設(shè)備

4 性能測(cè)試

4.1 測(cè)試流程

按配方稱(chēng)量原料，用雙輥開(kāi)煉機(jī)在一定溫度下混煉一定時(shí)間，待混煉充分后在平板硫化機(jī)上模壓成型，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)裁刀制樣進(jìn)行性能測(cè)試，具體步驟如下。

(1)共混。

向小型拌料鍋中加入稱(chēng)量準(zhǔn)確的PVC、穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑、碳酸鈣等原料，混合2～4 min，再加入準(zhǔn)確稱(chēng)量的沖擊改性劑，混料5～8 min后在雙輥開(kāi)煉機(jī)上于185 ℃煉塑完全，同時(shí)取部分混合料留存?zhèn)溆?。煉塑成型的薄片厚度控制? mm左右，表面應(yīng)光澤。

(2)模壓成型。

將步驟(1)制得的薄片破碎后置于平板硫化機(jī)上于180 ℃熱壓10 min，排氣后于180 ℃、10 MPa保溫保壓10 min,最后在10 MPa的壓力下冷壓至出板。

(3)制樣測(cè)試。

檢查步驟(2)制得的樣板，查看有無(wú)分層、氣泡、缺料等現(xiàn)象，如合格則使用標(biāo)準(zhǔn)裁刀進(jìn)行制樣，測(cè)試其性能。

(4)流變測(cè)試。

取步驟(1)的混合料進(jìn)行流變測(cè)試，加料量為75 g，溫度為190 ℃，轉(zhuǎn)速為25 r/min。

4.2 測(cè)試結(jié)果

(1)流變性能。

在PVC-M雙壁波紋管的生產(chǎn)過(guò)程中，由于機(jī)頭模具具有雙層流道、熔程長(zhǎng)、壓力大等特點(diǎn)，且在成型工藝上吹塑、吸塑、擠出同時(shí)存在，因此混合料不僅要有較好的穩(wěn)定性，而且應(yīng)具備較好的加工流動(dòng)性和熔體強(qiáng)度，以及雙層壁的可黏結(jié)性。PVC-M混合料的流變性能見(jiàn)表3、圖3。從圖3、表3可以看出:PVC-M混合料的塑化時(shí)間較短，塑化扭矩和平衡扭矩比較平穩(wěn)，熱穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，表明物料塑化快而平穩(wěn)，穩(wěn)定效果好，比較適宜PVC-M的擠出生產(chǎn)。

表3 PVC-M混合料的流變數(shù)據(jù)

圖3PVC-M混合料的流變曲線(xiàn)

Fig.3RheologicalcurvesofPVC-Mblends

(2)力學(xué)性能。

試樣的力學(xué)性能為：拉伸屈服強(qiáng)度44 MPa、斷裂伸長(zhǎng)率186%、缺口沖擊強(qiáng)度32 kJ/m2、彎曲彈性模量2 500 MPa。

5 生產(chǎn)工藝

筆者重點(diǎn)介紹PVC-M雙壁波紋管承口的1次成型工藝。為了實(shí)現(xiàn)PVC-M雙壁波紋管承口的1次成型，需要對(duì)成型機(jī)的內(nèi)外氣路、啟停位置程序、成型模塊等進(jìn)行調(diào)整，下面主要介紹機(jī)頭模具的改進(jìn)及波紋成型工藝的控制。

5.1 機(jī)頭模具的改進(jìn)

PVC-M雙壁波紋管的機(jī)頭模具主要起保溫和分流的作用，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要特點(diǎn)是在同一模具內(nèi)形成內(nèi)外兩層流道，內(nèi)外流道夾層間通壓縮空氣，使外層在成型機(jī)模塊上形成外波紋，內(nèi)壁貼合在內(nèi)定徑套上成型。機(jī)頭模具結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

1—堵頭；2—內(nèi)錐體；3—外錐體；4—大支架；5—內(nèi)壁內(nèi)芯棒；6—大法蘭；7—外過(guò)渡體；8—小支架；9—小法蘭；10—內(nèi)壁外套模；
11—外壁內(nèi)芯棒；12—外壁外套模；13—大調(diào)節(jié)環(huán)；14—外壁芯模；15—小調(diào)節(jié)環(huán)；16—外壁口模；17—內(nèi)壁口模；18—內(nèi)壁芯模。

圖4PVC-M雙壁波紋管的機(jī)頭模具
Fig.4Extrusionheaddiefordouble-wallcorrugatedPVC-Mpipes

通過(guò)調(diào)整機(jī)頭內(nèi)外壁溫度，可改變?nèi)垠w流動(dòng)方向，從而達(dá)到調(diào)整內(nèi)外壁壁厚、改善產(chǎn)品性能的目的。內(nèi)外壁厚受溫度影響之外，還與內(nèi)外碗口模間隙有關(guān)，一般口模間隙(單側(cè))如下：

內(nèi)壁口模間隙=(模塊內(nèi)徑-定徑套外徑)/3。

外壁口模間隙=(1.2～1.6)×內(nèi)壁口模間隙。

內(nèi)外壁的口模間隙是機(jī)頭模具的重要控制參數(shù)。間隙過(guò)大，局部壓力變小，料流速度快，造成壁厚過(guò)大，冷卻慢，物料偏軟，導(dǎo)致波紋成型吹脹時(shí)產(chǎn)生破洞。間隙過(guò)小，壓縮比過(guò)大，不易出料，同時(shí)壁厚的均勻性難以控制，造成內(nèi)外壁黏結(jié)不良，需要通過(guò)降低主機(jī)轉(zhuǎn)速等措施來(lái)增加物料的擠出量，以保證內(nèi)外層在層壓處黏結(jié)起來(lái)，這就導(dǎo)致管材的生產(chǎn)效率下降，成本上升。

5.2 波紋成型工藝

傳統(tǒng)波紋成型工藝有真空成型和吹塑成型2種。真空成型是通過(guò)成型模塊上的真空槽使管坯外壁靠負(fù)壓吸附在成型模塊上，其內(nèi)壁靠引出芯模的定徑套成型。吹塑成型的特點(diǎn)是在機(jī)頭擠出熔融坯料時(shí)設(shè)置有內(nèi)層氣和外層氣，外層氣產(chǎn)生的正壓使外層坯料吹脹，貼在模塊型腔上，形成外波紋，內(nèi)層氣與外層氣保持平衡，并使內(nèi)坯料貼合在冷卻定徑套上，以獲得平滑的內(nèi)壁和穩(wěn)定的尺寸。

傳統(tǒng)的PVC雙壁波紋管由于承口為2次成型工藝，一般采用吹塑成型工藝。筆者借鑒PE波紋管成型特點(diǎn)，將2種波紋成型工藝進(jìn)行結(jié)合。

直管外層靠模塊上吸真空、內(nèi)外層之間吹氣成型，內(nèi)層通過(guò)定徑套的內(nèi)層真空吸附在定徑套上成型，模塊和定徑套的間隙把外層和內(nèi)層擠壓到一起，形成壓層。在內(nèi)、外層成型的過(guò)程中，需要有一定壓力的正常充氣來(lái)輔助成型，壓力大約在0.005 MPa(見(jiàn)圖5)。

圖5 直管成型

而雙層承口成型則是光電開(kāi)關(guān)感應(yīng)到承口模具時(shí)，程序接收承口信號(hào)，內(nèi)層充氣區(qū)域大于正常充氣區(qū)域的氣壓，內(nèi)層被吹貼到外層上，形成雙層承口(見(jiàn)圖6)。

圖6 承口成型

加工過(guò)程中，氣壓及負(fù)壓的穩(wěn)定性和可調(diào)性非常重要。外層氣壓過(guò)大，易造成管材內(nèi)波紋；內(nèi)層氣壓過(guò)小，波紋吸附不起來(lái)，影響產(chǎn)品性能。同時(shí)，還應(yīng)保證定徑套與模塊的對(duì)中，防止定徑套與成型模塊間隙過(guò)小及成型模塊產(chǎn)生位移或滑差，以得到合格的雙壁波紋管。

6 性能及應(yīng)用

外徑315 mm、環(huán)剛度級(jí)別SN8的PVC-M雙壁波紋管的性能如下：內(nèi)壁壁厚為1.3 mm，環(huán)剛度為10.7 kN/m2， 維卡軟化溫度為81.7 ℃，密度為1.38 g/cm3，烘箱試驗(yàn)(150 ℃、30 min)結(jié)果為無(wú)氣泡、無(wú)分層、無(wú)開(kāi)裂，落錘沖擊試驗(yàn)為0/25(0 ℃、2.5 kg、2 m)、0/25(0 ℃、5 kg、2 m)，環(huán)柔性(30%)為試樣圓滑無(wú)破裂，兩壁無(wú)脫開(kāi)，內(nèi)外壁無(wú)反向彎曲。

從上述數(shù)據(jù)可看出：PVC-M雙壁波紋管的管材壁厚僅為GB/T 18477.1—2007中標(biāo)準(zhǔn)壁厚(1.6 mm)的81.25%，而管材的各項(xiàng)性能均大幅度提高，尤其是低溫落錘沖擊性能，在落錘質(zhì)量為5 kg時(shí)仍然滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明PVC-M雙壁波紋管具備優(yōu)異的力學(xué)性能。PVC-M雙壁波紋管的照片見(jiàn)圖7。

圖7 PVC-M雙壁波紋管

抗沖型PVC-M管材韌性提高后破壞敏感性降低，管材不易受損，對(duì)長(zhǎng)期強(qiáng)度影響變小，加之便捷的橡膠圈承插連接方式(見(jiàn)圖8)，使其具備更廣闊的應(yīng)用前景，可廣泛應(yīng)用于市政、工業(yè)的排水排污，農(nóng)田低壓灌溉，電力護(hù)套等工程領(lǐng)域。

圖8 PVC-M雙壁波紋管的連接方式

7 常見(jiàn)生產(chǎn)問(wèn)題分析

7.1 外壁不能成型

①外層偏壁嚴(yán)重；②口模間隙過(guò)大，拉伸太大；③內(nèi)層口模上黏料，料太黏、太軟；④料坯過(guò)軟或過(guò)硬；⑤料里有雜質(zhì)；⑥正常充氣氣壓太小或太大；⑦成型機(jī)位置不合適；⑧壓層的壁厚偏差大。

7.2 內(nèi)壁不能成型

①水溫過(guò)高導(dǎo)致定徑套溫度高，冷卻不足，內(nèi)壁被拖拽擦破；②料里有雜質(zhì)或塑化不好，有破洞；③壓層壁厚偏小，被外層擠破；④內(nèi)層口模溫度低導(dǎo)致出料困難，比如定徑套冷卻能力過(guò)大，使內(nèi)層芯模溫度降低，造成出料困難；⑤口模間隙過(guò)大，料拉伸太大；⑥模塊不正引起壓層偏；⑦電木板變形，套貼到芯模。

7.3 壓層問(wèn)題

①模塊和定徑套的四周間隙不均勻，造成壓層偏；②壓層壁厚不均勻?qū)е鹿懿膹澢虿荒艹尚?，一般向壓層壁厚小的一邊彎曲?/p>

7.4 擴(kuò)口問(wèn)題

①?gòu)拈_(kāi)始處，內(nèi)壁一點(diǎn)也沒(méi)貼合，表明內(nèi)層充氣壓力過(guò)小或沒(méi)有充氣；②內(nèi)壁貼了一部分且有破損，壁厚明顯變薄，表明內(nèi)層充氣壓力過(guò)大或吹破；③內(nèi)壁貼了一段后但未貼上，完全離開(kāi)外層但沒(méi)破，表明內(nèi)層真空閥沒(méi)能關(guān)閉或吹氣距離短；④內(nèi)壁已貼好，周?chē)袔讐K帶橫紋的疤痕似的缺陷，表明內(nèi)層真空度大于外層真空度；⑤擴(kuò)口之后的內(nèi)壁出現(xiàn)破洞、裂紋，主要由真空的開(kāi)關(guān)位置不當(dāng)所引起；⑥擴(kuò)口之前的1～2個(gè)波峰內(nèi)壁出現(xiàn)問(wèn)題，原因可能是：在成型內(nèi)壁時(shí)，真空閥關(guān)閉，導(dǎo)致內(nèi)壁定型時(shí)間過(guò)短；內(nèi)真空管處的真空度太?。凰疁仄?；擴(kuò)口放氣過(guò)早；擴(kuò)口外層成型過(guò)晚。

8 結(jié)語(yǔ)

PVC-M雙壁波紋管彌補(bǔ)了傳統(tǒng)PVC-U雙壁波紋管的低溫脆性的缺點(diǎn)，解決了其承口須2次加工的工藝缺陷。PVC-M雙壁波紋管經(jīng)環(huán)柔性(30%)試驗(yàn)后，仍然能緩慢回復(fù)成圓管狀態(tài)，具備良好的施工適應(yīng)性和抗蠕變效果，應(yīng)用前景廣闊。