塑料管材用原料及模具设计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2023/9/211北京化工大学目录（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2023/9/212北京化工大学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2023/9/213北京化工大学（一）管材应用市场分析类型铝塑管PP-R管PE-X管PB管优点易弯曲熔接焊明装挺度好耐温耐压高耐温寿命长柔软易弯曲熔接焊连接缺点不回弹铜接头僵硬不易弯曲铜接头连接不能回收价格分类中低低高2023/9/214北京化工大学（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ISO9080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DIN46262023/9/215北京化工大学管道安全性的保证材料模具和设备加工成型技术2023/9/216北京化工大学塑料管道的管道级原材料的等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2023/9/217北京化工大学热塑性管材料的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ISO9080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。2023/9/218北京化工大学表1.LCL与MRS及材料分级数之间的关系（ISO12162）LCL范围MPaMRSMPa材料分级数3.15～3.993.1531.54.00～4.994.0405.00～6.295.0506.30～7.996.3638.00～9.998.080LCL范围MPaMRSMPa材料分级数10.00～11.1910.010011.20～12.4911.211212.50～13.9912.512514.00～15.9914.014016.00～17.9916.01602023/9/219北京化工大学表2.管材料的等级命名材料等级允许环应力PBPB12512.5PPPPR808.0PPB808.0聚乙烯PE808.0PE10010.02023/9/2110北京化工大学迅速发展的塑料管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2023/9/2111北京化工大学表2管材料的等级命名管材料等级命名标准命名MRS/MPaPEPE323.2ISO4427

PE404

PE636.3

PE808

PE10010

PVC-UUPVC25025ISO4422CPVCCPVC12512.5DIN8079PPPP-H10010DIN8077

PP-B808

PP-R808

2023/9/2112北京化工大学（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2023/9/2113北京化工大学名词术语dn

公称外径，mmdem

平均外径，mmen

公称壁厚，mmSDR，标准尺寸比，SDR=Dn/enS管系列，S=(SDR-1)/2Scalc计算管系列，S=σD/PD2023/9/2114北京化工大学环应力的概念管材受力分析环应力σt轴向力σa径向力σr2023/9/2115北京化工大学环应力计算环应力分析σt2023/9/2116北京化工大学轴应力计算轴应力分析σa2023/9/2117北京化工大学径向力计算径向力分析σr管内壁σr=管内压力P

管外壁σr=管外压力P=02023/9/2118北京化工大学ISO方程σ

环向应力，MPaP管内介质压力,MPaD管外经，mme管壁厚，mmdm平均管径，mmdm=D-eSDR=D/e

2σP=———SDR-1根据

σ环向应力与管内介质压力P之间的关系可导出下式：2023/9/2119北京化工大学管系列S的概念S=(SDR-1)/2=dm/(2e)

2σP=———SDR-1

σS=——P

σP=——S2023/9/2120北京化工大学管系列S的选择由工作压力P确定管材环应力σ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σS=MRS/CC安全系数Scalc的确定Scalc=σS/P2023/9/2121北京化工大学输送热介质的塑料类管材使用条件级别应用等级TD℃在TD下时间年Tmax℃在Tmax下时间年Tmal℃在Tmal下时间h典型的应用范围1604980195100供应热水60℃2704980195100供应热水70℃42040602.52025702.5100100地板采暖和低温散热器采暖5206080142510901100100高温散热器采暖5A2070809029.665.57.2951.710010095/70℃散热器供暖注：TD设计温度、Tmax最高设计温度、Tmal故障温度，当TD、Tmax和Tmal超出本表所给出的值时，不能用本表2023/9/2122北京化工大学（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2023/9/2123北京化工大学⑴聚乙烯管材的类型LDPEHDPELLDPE&mLLDPEMDPEUHMWPEPE-(HD)X,PE-(MD)X2023/9/2124北京化工大学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2023/9/2125北京化工大学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强了刚度和承压能力，因此是聚乙烯压力管的主导材料。2023/9/2126北京化工大学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PE63级材料。

2023/9/2127北京化工大学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PE80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。2023/9/2128北京化工大学聚乙烯管材料三代产品

均聚产品（PE100）PE100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。PE100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。2023/9/2129北京化工大学PE80和PE100的比较2023/9/2130北京化工大学未来的聚乙烯管材等级

未来的聚乙烯将会向着PE112和PE140的目标接近。通过交联可以获得PE125的管材级材料经过双轴取向可以获得PE250的管材

2023/9/2131北京化工大学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ASTMD1693或GB／T1842）耐长期静液压强度（测试方法为GB/T6111－85）焊接性卫生性2023/9/2132北京化工大学表3.标准对聚乙烯材料等级的要求

标准燃气管给水管灌溉管波纹管ISO4437－1997GB15558.1-1995ISO4427-1996GB/T13663-2000ISO/DIS8770-1999PrEN13476.1-1999材料等级PE80PE80PE32PE63PE32PE63PE100

PE40PE80PE40

PE63PE100PE63

PE80

PE80

PE100

2023/9/2133北京化工大学表4.国产PE管材料牌号等级主要用途共聚单体生产厂家DGDB2480PE80水管、燃气管丁烯－1齐鲁石化公司6100MPE80土建、管道丁烯－1大庆石化公司

丁烯－1扬子石化公司PEYZ－2300EPE80管材丁烯－1扬子石化公司6000MPE80管材丁烯－1燕山石化公司TR400PE80管材、燃气管、内衬己烯－1上海金山石化公司TR480FSPE80燃气管、供水管己烯－1上海金山石化公司DGDA2401PE80管材丁烯－1茂名石化公司2023/9/2134北京化工大学表4.国产的PE管材料（续）牌号等级主要用途共聚单体生产厂家DGDA2483BKPE80小口径管材己烯－1天津联合化工公司51－35BPE80燃气管、波纹管丁烯－1抚顺石化公司P703PE80大口径管材丁烯－1抚顺石化公司P803PE80大口径管材丁烯－1抚顺石化公司YGH051TPE80压力管，气管，大口径管双峰上海石化YGH041TPE100压力管，气管，大口径管双峰上海石化YGM091TPE80压力管，气管，大口径管双峰上海石化2023/9/2135北京化工大学表5.国外的几种特殊的PE管材料

牌号密度主要用途共聚单体生产厂家DGDA24800.95水管、燃气管己烯－1

DOWLEW2344E9.30铝塑管、采暖管道辛烯－1DOWLLDPEGD15889.25管材、波纹管己烯－1三井化学2023/9/2136北京化工大学聚丙烯管材料的类型与发展

丙烯聚合物分为三种类型：PP-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～2023/9/2137北京化工大学三种聚丙烯的性能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。

2023/9/2138北京化工大学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

2023/9/2139北京化工大学PPH、PPB、PPR刚性比较2023/9/2140北京化工大学关于聚丙烯管道的德国标准有

DIN8077聚丙烯管尺寸标准DIN8078聚丙烯管质量要求和测试ISO/DIS15874-2.2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2023/9/2141北京化工大学氯化聚氯乙烯（PVC-C）管材料

含氯量为61～68%耐热性，热变形温度提高20～40℃耐化学性拉伸强度和弯曲强度提高2023/9/2142北京化工大学氯化聚氯乙烯（PVC-C）管材料聚合度为565～740含氯量64.6～67.8%表观密度0.55～0.61g/cm3密度为1.54～1.59g/cm3洛氏硬度R117～125热变形温度94～113℃拉伸强度58.8～73.5MPa弯曲强度78.4～117.4MPa。2023/9/2143北京化工大学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。2023/9/2144北京化工大学关于氯化聚氯乙烯管道的德国标准有

DIN8079氯化聚氯乙烯管尺寸标准DIN8080氯化聚氯乙烯管质量要求和测试ISO/DIS15876-2.2氯化聚氯乙烯管质量要求和测试2023/9/2145北京化工大学聚丁烯管材料

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。2023/9/2146北京化工大学聚丁烯-1（PB-1）聚丁烯的分子结构～CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH～|||||CH2CH3CH2CH2CH2|||||CH3CH3CH3CH3CH32023/9/2147北京化工大学聚丁烯的物理性能结晶度较低质地柔软带有橡胶的特性2023/9/2148北京化工大学管材级聚丁烯的性能熔点124～130℃结晶度48～55%密度0.93～0.94g/cm3

2023/9/2149北京化工大学聚丁烯的应用聚丁烯-1可在-30～100℃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。2023/9/2150北京化工大学PB4137的长期静液压强度2023/9/2151北京化工大学表6.PB4137(灰色)管材料的性能指标

特性单位数值标准密度g/cm30.93DIN53479熔点℃122～128DTA维卡软化温度℃113DIN53735玻璃化温度℃-18ASTMD-746熔化热kJ/kg～100DSC热导率W/mk0.22DIN52612热膨胀系数mm/mk0.13DIN53752弹性模量MPa350DIN53457邵氏硬度D-Scale53ISO8608冲击强度kJ/m240DIN53453断裂伸长率%>125DIN53457拉伸强度MPa33DIN53455屈服应力MPa17DIN534552023/9/2152北京化工大学表7.PB4135(象牙白色)管材料的性能指标

特性单位数值标准密度g/cm30.937ASTMD1505熔点℃124～126DSC热导率（20℃）W/mk19ASTMC177热膨胀系数mm/mk0.13ASTMD696断裂伸长率%340IS