聚丙烯中空壁缠绕管的开发研究

王秋腾

（广东永高塑业发展有限公司）

20 世纪90 年代，国外已开始在市政工程中使用中空壁缠绕管，欧美、韩国及日本等国家较早广泛应用于地下排水管系统。国内此类产品研发起步较晚，2001 年初才有相关产品的报道[1]，是在吸收了德国、芬兰及韩国技术的基础上研制成功的，2004 年制定了国家标准《GB/T19472.2－2004 埋地用聚乙烯（PE）结构壁管道系统 第2 部分：聚乙烯缠绕结构壁管材》，2017 年进行了改版发布《GB/T19472.2－2017》，其实际标准名称为缠绕结构壁管材A 型管（行业属称中空壁缠绕管），因此，早期生产的管材均以HDPE 为主要原料，经过挤出方形或长方形中空管，再热熔缠绕粘接成中空壁缠绕管。发展至今，其已不仅仅有HDPE 材料，目前市场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 年发布了国家标准《GB/T35451.2－2018 埋地排水排污用聚丙烯(PP)结构壁管道系统 第2 部分：聚丙烯缠绕结构壁管材》，该国家标准和HDPE 类标准一样，其中包含着A 型和B 型管材，A 型才属于中空壁缠绕管，但有意思的是，该国家标准的制定主要是考虑了B型管材，A 型中空壁缠绕管只是顺带提出，但目前两者类型的聚丙烯管材均还没有得到很好的开发推广，大部分仅限于试验研究阶段，但从目前已成熟应用的聚丙烯双壁波纹管（也属于结构壁管，参考标准GB/T35451.1－2017）经验来看，聚丙烯中空壁缠绕管的应用亦没有太大问题。

1 原料选择

原料选择的原则是选用高弹性模量的材料从而提高管材的环刚度，PP 的弹性模量比HDPE 的高，而且国内外通过聚合工艺开发出了高刚度PP，同时PP 的成型性接近HDPE 的，远优于PVC 的。PP 的密度很小，仅为0.90g/cm3左右，因此对于同一口径的结构壁管材采用PP 在单位长度上具有较轻的重量。这意味着达到相同的环刚度，采用聚丙烯可以使管材的壁厚大幅度减小，节省生产原料。目前，PP 根据分子结构不同PP 可分为PP-H、PP-B、PP-R 三大类，而传统的PP-B 通常用于非承压埋地排水排污管道，模量一般在1100-1300MPa，高模量的PP-HM 主要基于PP-B 或PP-H，优化其高分子结晶过程和成核过程，实现高刚度和高结晶度；并采用特殊的工艺或配方同时实现抗冲击强度的提高。目前，HDPE模量普遍在1100MPa 左右，最高也只能达到1300MPa。而国内外可选择的高模量PP 专用料也比较多，北欧化工的BA212E，弹性模量达1700MPa，应用比较广；韩国晓星的HB240P 弹性模量1400～1500MPa，HB242P 弹性模量1700-1800MPa；巴塞尔的H2464 弹性模量为1400～1500MPa，H2483 弹性模量为1800MPa 左右；中石化最新开发的B1600 弹性模量模量与北欧化工的BA212E 相当，1600～1700MPa；中石油开发H2483 弹性模量应该与略低于巴塞尔的H2483，即1700MPa 左右。GB/T35451.2－2018 标准明显要求管材氧化诱导时间为≥20min，注意是管材，而不是原料，基于对材料抗氧能力考虑，以及加工后抗氧化能力的减弱，对原料氧化诱导时间要求应当≥30min，而目前多数PP 厂家对此并没有明确的要求，至少出厂报告没有经过检测，中石化的B1600 及中石油的H2483 为后起之秀，于2019 年开发成功，材料开发初期充分考虑了笔者提出的要求，作为必须考虑的性能之一，其材料氧化诱导可达40min 以上，而BA212E 在20min 以上，中石化的B1600 或H2483 显然更为合适,另外，最关键的是，国产材料价格也有较大优势，本开发中我们选用了B1600 作为研究对象。

2 制备

试验用中石化聚丙烯B1600 和吉林石化聚乙烯100S（给水管用PE100 级材料）分别生产聚丙烯缠绕管和聚乙烯缠绕管，配方按新原100 份、黑色母3 份进行，笔者主要在市场使用量比较大的DN/ID300SN8 和DN/ID400SN8 规格上进行对比研究，在生产过程中，设备挤出工艺未有太大区别。但有一个比较有意思特点，对于聚丙烯材料，随着加工温度升高，挤出电流有明显下降，管材颜色越显黑亮，而聚乙烯材料电流下降不明显，这给我们一个启示，如考虑在配方上增加环刚度填充改性，聚丙烯改性配方通过温度调节的特点能对设备机筒螺杆起到很好的减缓磨损的作用，据了解，行业内目前聚乙烯双壁波纹管采用的聚乙烯加填充母料的生产磨损起螺杆磨损较快，一般半年到一年则需要更换一次。

表1 DN/ID300SN8

3 性能测试

3.1 环刚度

结构壁管材主要应用于埋地排水排污管道，由于大都埋于地下，所以必须承受一定的外部压力，因此埋地排水排污管必须具有一定的刚性和强度以承受外部压力，环刚度则是塑料埋地排水排污管道抵抗外负载能力的重要参数[2]。管材环刚度采用万能电子拉力试验机按GB/T9647－2015 规定进行。

3.2 冲击性能

管材落锤冲击采用落锤冲击试验机按GB/T14152-2001 进行测试。

3.3 焊缝拉伸强度

管材焊缝拉伸强度采用万能电子拉力试验机按GB/T19472.2－2017 标准进行。

3.4 氧化诱导时间

管材氧化诱导时间采用美国TA 公司DSC 设备，按GB/T19466.6 进行测试。

3.5 维卡软化温度

管材维卡软化温度采用维卡软化温度测试仪进行，按GB/T1633 规定进行测试。

4 结果与讨论

4.1 结果

HDPE 与PP 中空壁缠绕管检测结果如表1 及表2。

4.2 其它参考测试

为进一步研究聚丙烯中空壁缠绕管的特点，还可以进行以下的长期试验验证，需要强调的是，这些试验国家标准中尚未提及，暂不作为产品质量评定的依据。

表2 DN/ID400SN8

4.2.1 环刚度随时间的变化趋势

采用B1600 生产的聚丙烯中空壁缠绕管环刚度随时间变化有明显的升高，400SN8 规格追踪半年，提高幅度明显（图1），而按我们以往的经验，采用聚乙烯材料生产的管材环刚度基本3 天内定型，往后环刚度变化不大，有个别聚乙烯甚至一天即可定型，这可能跟其中采用的成核剂有关，但是否所有的聚丙烯PPB 材料都有此特点尚有待后期研究。环刚度的提升显然对埋地管是有利的，如我们正常生产聚丙烯缠绕管时要求放置1 或2天检测环刚度必须合格，则我们实际使用时环刚度会有很大的富余，大大提高了埋地使用安全性。

图1 环刚度随时间的变化趋势

4.2.2 氧化诱导时间随时间的变化

采用B1600 生产的聚丙烯中空壁缠绕管氧化诱导远远大于国标标准要求的20min，暴露在室外不做任何防护，随时间变化一个月内有所升高，追踪半年，逐渐下降（图2），但仍远远高于标准要求，而按我们以往的经验，管材除了本身有适当防护，按订单式生产管材往往是很快埋地使用，基本不用担心后期老化问题。

4.2.3 维卡软化温度的测试

图2 氧化诱导时间随时间的变化趋势

采用B1600 生产的聚丙烯中空壁缠绕管，其有出色的耐热性，明显优于HDPE，维卡软化温度提高28℃，在炎热的夏天施工，HDPE 管材经过太阳暴晒，其环刚度损失很大，管材容易塌方，而聚丙烯缠绕管则可以大幅度降低此方面风险，维卡软化温度检测如表3。

表3 维卡软化温度检测

4.3 讨论

⑴相同规格相同环刚度等级管材，产品米重更轻，在未有考虑聚丙烯缠绕管后期环刚度的提高特点，其至少能节约材料15%以上，在PP 和PE 材料价格相差不大的情况下，其优势是不言而喻的，除非PE 材料有低于PP 材料15%的差价，显然这个可能性不大，在目前国产材料开发成功的基础上更没有可能。

⑵相同模具生产相同规格管材，PP 管材内径比PE管材大，说明PP 材料定型更好，生产缠绕管收缩更小，对于排水排污管有更高的流通量。

⑶采用PP 材料生产缠绕管冲击性能与PE 缠绕管没有太大区别，均可满足各自国家标准要求，主要原因在于目前开发的PPB 原料都是采用了一些改性的技术，比如采用接枝聚乙烯或弹性体等方式，有效提高了聚丙烯材料的低温冲击性能。

⑷相同规格相同环刚度等级及相近壁厚管材，采用PP 材料其焊缝拉伸强度高于PE 材料，原因是PP 材料本身拉伸强度就比PE 材料的高，其更高的焊缝拉伸强度赋予了管材更好的抗弯曲变形能力和拉伸能力，具有更好的抗地质沉降能力。

⑸采用中石化B1600 生产管材氧化诱导时间低于PE 材料，能能满足国家标准要求，即使经过半年的太阳暴晒，其性能优于国外大部分材料。

⑹采用中石化B1600 生产管材环刚度具有随时间延长不断提高的特点，后期环刚度具有很大的富余量，性能远远优于PE 材料，埋地安全性远远高于PE 材料。

⑺采用PP 材料生产缠绕管具有远远优于PE 材料的耐热性，其维卡软化温度高28℃，有利于南方炎热夏天施工。

5 应用推广存在的问题

由于塑料管道技术和资金壁垒较低，整体进入门槛较低，大量中小企业涌入，带来了中低端产品同质化严重，行业竞争较为激烈。但多年的应用，排水排污管道优缺点正在逐渐被认识，产品越来越透明化，逐渐出现了两极分化的现象，自主运行或对材料要求高的用户越来越倾向于使用高性价比及符合标准要求的产品，而对材料要求不高、管控差的项目越来越倾向更为低端的非标产品。目前，埋地用结构壁类聚丙烯管材推广并不理想，占市场份额不高，主要原因在于：

⑴早期没有国家标准，设计院不愿意上图，国家标准在2018 年才开始陆续发布实施；

⑵部分厂家采用双螺杆挤出聚丙烯粉料对市场冲击很大，由于大量填充碳酸钙成本低、且产品质量很差，给聚丙烯推广造成负面影响；

⑶聚丙烯加工难度比HDPE 大很多，必须对生产设备进行改进，有这个能力、实力和意愿的厂家不多，尤其是聚丙烯双壁波纹管。但值得庆幸的是，生产PP 缠绕管直接可采用PE 缠绕管生产设备及生产工艺，加工要求远远低于PP 双壁波纹管，不存在成型和过渡料的问题，其国标标准也在PP 双壁波纹管之后进行了发布，可以尝试进行推广。

6 结论

目前国内外均有多款高模量PP 材料适合应用于聚丙烯缠绕管，通过与HDPE 中空壁缠绕管的比较，其环刚度更高，同样口径同样环刚度管材可以节约材料15%以上，随时间的变化，采用B1600 环刚度表现出优异的递增规律，抗老化性和抗冲击性能一样拥有出色的表现，耐热性和焊缝拉伸强度明显优于HDPE 中空壁缠绕管，采用合格聚丙烯粒料生产的聚丙烯中空壁缠绕管具有很好的推广应用优势，尤其是在南方地区。