聚丙烯中空壁纏繞管的開發研究

王秋騰

（廣東永高塑業發展有限公司）

20 世紀90 年代，國外已開始在市政工程中使用中空壁纏繞管，歐美、韓國及日本等國家較早廣泛應用于地下排水管系統。國內此類產品研發起步較晚，2001 年初才有相關產品的報道[1]，是在吸收了德國、芬蘭及韓國技術的基礎上研制成功的，2004 年制定了國家標準《GB/T19472.2－2004 埋地用聚乙烯（PE）結構壁管道系統 第2 部分：聚乙烯纏繞結構壁管材》，2017 年進行了改版發布《GB/T19472.2－2017》，其實際標準名稱為纏繞結構壁管材A 型管（行業屬稱中空壁纏繞管），因此，早期生產的管材均以HDPE 為主要原料，經過擠出方形或長方形中空管，再熱熔纏繞粘接成中空壁纏繞管。發展至今，其已不僅僅有HDPE 材料，目前市場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 年發布了國家標準《GB/T35451.2－2018 埋地排水排污用聚丙烯(PP)結構壁管道系統 第2 部分：聚丙烯纏繞結構壁管材》，該國家標準和HDPE 類標準一樣，其中包含著A 型和B 型管材，A 型才屬于中空壁纏繞管，但有意思的是，該國家標準的制定主要是考慮了B型管材，A 型中空壁纏繞管只是順帶提出，但目前兩者類型的聚丙烯管材均還沒有得到很好的開發推廣，大部分僅限于試驗研究階段，但從目前已成熟應用的聚丙烯雙壁波紋管（也屬于結構壁管，參考標準GB/T35451.1－2017）經驗來看，聚丙烯中空壁纏繞管的應用亦沒有太大問題。

1 原料選擇

原料選擇的原則是選用高彈性模量的材料從而提高管材的環剛度，PP 的彈性模量比HDPE 的高，而且國內外通過聚合工藝開發出了高剛度PP，同時PP 的成型性接近HDPE 的，遠優于PVC 的。PP 的密度很小，僅為0.90g/cm3左右，因此對于同一口徑的結構壁管材采用PP 在單位長度上具有較輕的重量。這意味著達到相同的環剛度，采用聚丙烯可以使管材的壁厚大幅度減小，節省生產原料。目前，PP 根據分子結構不同PP 可分為PP-H、PP-B、PP-R 三大類，而傳統的PP-B 通常用于非承壓埋地排水排污管道，模量一般在1100-1300MPa，高模量的PP-HM 主要基于PP-B 或PP-H，優化其高分子結晶過程和成核過程，實現高剛度和高結晶度；并采用特殊的工藝或配方同時實現抗沖擊強度的提高。目前，HDPE模量普遍在1100MPa 左右，最高也只能達到1300MPa。而國內外可選擇的高模量PP 專用料也比較多，北歐化工的BA212E，彈性模量達1700MPa，應用比較廣；韓國曉星的HB240P 彈性模量1400～1500MPa，HB242P 彈性模量1700-1800MPa；巴塞爾的H2464 彈性模量為1400～1500MPa，H2483 彈性模量為1800MPa 左右；中石化最新開發的B1600 彈性模量模量與北歐化工的BA212E 相當，1600～1700MPa；中石油開發H2483 彈性模量應該與略低于巴塞爾的H2483，即1700MPa 左右。GB/T35451.2－2018 標準明顯要求管材氧化誘導時間為≥20min，注意是管材，而不是原料，基于對材料抗氧能力考慮，以及加工后抗氧化能力的減弱，對原料氧化誘導時間要求應當≥30min，而目前多數PP 廠家對此并沒有明確的要求，至少出廠報告沒有經過檢測，中石化的B1600 及中石油的H2483 為后起之秀，于2019 年開發成功，材料開發初期充分考慮了筆者提出的要求，作為必須考慮的性能之一，其材料氧化誘導可達40min 以上，而BA212E 在20min 以上，中石化的B1600 或H2483 顯然更為合適,另外，最關鍵的是，國產材料價格也有較大優勢，本開發中我們選用了B1600 作為研究對象。

2 制備

試驗用中石化聚丙烯B1600 和吉林石化聚乙烯100S（給水管用PE100 級材料）分別生產聚丙烯纏繞管和聚乙烯纏繞管，配方按新原100 份、黑色母3 份進行，筆者主要在市場使用量比較大的DN/ID300SN8 和DN/ID400SN8 規格上進行對比研究，在生產過程中，設備擠出工藝未有太大區別。但有一個比較有意思特點，對于聚丙烯材料，隨著加工溫度升高，擠出電流有明顯下降，管材顏色越顯黑亮，而聚乙烯材料電流下降不明顯，這給我們一個啟示，如考慮在配方上增加環剛度填充改性，聚丙烯改性配方通過溫度調節的特點能對設備機筒螺桿起到很好的減緩磨損的作用，據了解，行業內目前聚乙烯雙壁波紋管采用的聚乙烯加填充母料的生產磨損起螺桿磨損較快，一般半年到一年則需要更換一次。

表1 DN/ID300SN8

3 性能測試

3.1 環剛度

結構壁管材主要應用于埋地排水排污管道，由于大都埋于地下，所以必須承受一定的外部壓力，因此埋地排水排污管必須具有一定的剛性和強度以承受外部壓力，環剛度則是塑料埋地排水排污管道抵抗外負載能力的重要參數[2]。管材環剛度采用萬能電子拉力試驗機按GB/T9647－2015 規定進行。

3.2 沖擊性能

管材落錘沖擊采用落錘沖擊試驗機按GB/T14152-2001 進行測試。

3.3 焊縫拉伸強度

管材焊縫拉伸強度采用萬能電子拉力試驗機按GB/T19472.2－2017 標準進行。

3.4 氧化誘導時間

管材氧化誘導時間采用美國TA 公司DSC 設備，按GB/T19466.6 進行測試。

3.5 維卡軟化溫度

管材維卡軟化溫度采用維卡軟化溫度測試儀進行，按GB/T1633 規定進行測試。

4 結果與討論

4.1 結果

HDPE 與PP 中空壁纏繞管檢測結果如表1 及表2。

4.2 其它參考測試

為進一步研究聚丙烯中空壁纏繞管的特點，還可以進行以下的長期試驗驗證，需要強調的是，這些試驗國家標準中尚未提及，暫不作為產品質量評定的依據。

表2 DN/ID400SN8

4.2.1 環剛度隨時間的變化趨勢

采用B1600 生產的聚丙烯中空壁纏繞管環剛度隨時間變化有明顯的升高，400SN8 規格追蹤半年，提高幅度明顯（圖1），而按我們以往的經驗，采用聚乙烯材料生產的管材環剛度基本3 天內定型，往后環剛度變化不大，有個別聚乙烯甚至一天即可定型，這可能跟其中采用的成核劑有關，但是否所有的聚丙烯PPB 材料都有此特點尚有待后期研究。環剛度的提升顯然對埋地管是有利的，如我們正常生產聚丙烯纏繞管時要求放置1 或2天檢測環剛度必須合格，則我們實際使用時環剛度會有很大的富余，大大提高了埋地使用安全性。

圖1 環剛度隨時間的變化趨勢

4.2.2 氧化誘導時間隨時間的變化

采用B1600 生產的聚丙烯中空壁纏繞管氧化誘導遠遠大于國標標準要求的20min，暴露在室外不做任何防護，隨時間變化一個月內有所升高，追蹤半年，逐漸下降（圖2），但仍遠遠高于標準要求，而按我們以往的經驗，管材除了本身有適當防護，按訂單式生產管材往往是很快埋地使用，基本不用擔心后期老化問題。

4.2.3 維卡軟化溫度的測試

圖2 氧化誘導時間隨時間的變化趨勢

采用B1600 生產的聚丙烯中空壁纏繞管，其有出色的耐熱性，明顯優于HDPE，維卡軟化溫度提高28℃，在炎熱的夏天施工，HDPE 管材經過太陽暴曬，其環剛度損失很大，管材容易塌方，而聚丙烯纏繞管則可以大幅度降低此方面風險，維卡軟化溫度檢測如表3。

表3 維卡軟化溫度檢測

4.3 討論

⑴相同規格相同環剛度等級管材，產品米重更輕，在未有考慮聚丙烯纏繞管后期環剛度的提高特點，其至少能節約材料15%以上，在PP 和PE 材料價格相差不大的情況下，其優勢是不言而喻的，除非PE 材料有低于PP 材料15%的差價，顯然這個可能性不大，在目前國產材料開發成功的基礎上更沒有可能。

⑵相同模具生產相同規格管材，PP 管材內徑比PE管材大，說明PP 材料定型更好，生產纏繞管收縮更小，對于排水排污管有更高的流通量。

⑶采用PP 材料生產纏繞管沖擊性能與PE 纏繞管沒有太大區別，均可滿足各自國家標準要求，主要原因在于目前開發的PPB 原料都是采用了一些改性的技術，比如采用接枝聚乙烯或彈性體等方式，有效提高了聚丙烯材料的低溫沖擊性能。

⑷相同規格相同環剛度等級及相近壁厚管材，采用PP 材料其焊縫拉伸強度高于PE 材料，原因是PP 材料本身拉伸強度就比PE 材料的高，其更高的焊縫拉伸強度賦予了管材更好的抗彎曲變形能力和拉伸能力，具有更好的抗地質沉降能力。

⑸采用中石化B1600 生產管材氧化誘導時間低于PE 材料，能能滿足國家標準要求，即使經過半年的太陽暴曬，其性能優于國外大部分材料。

⑹采用中石化B1600 生產管材環剛度具有隨時間延長不斷提高的特點，后期環剛度具有很大的富余量，性能遠遠優于PE 材料，埋地安全性遠遠高于PE 材料。

⑺采用PP 材料生產纏繞管具有遠遠優于PE 材料的耐熱性，其維卡軟化溫度高28℃，有利于南方炎熱夏天施工。

5 應用推廣存在的問題

由于塑料管道技術和資金壁壘較低，整體進入門檻較低，大量中小企業涌入，帶來了中低端產品同質化嚴重，行業競爭較為激烈。但多年的應用，排水排污管道優缺點正在逐漸被認識，產品越來越透明化，逐漸出現了兩極分化的現象，自主運行或對材料要求高的用戶越來越傾向于使用高性價比及符合標準要求的產品，而對材料要求不高、管控差的項目越來越傾向更為低端的非標產品。目前，埋地用結構壁類聚丙烯管材推廣并不理想，占市場份額不高，主要原因在于：

⑴早期沒有國家標準，設計院不愿意上圖，國家標準在2018 年才開始陸續發布實施；

⑵部分廠家采用雙螺桿擠出聚丙烯粉料對市場沖擊很大，由于大量填充碳酸鈣成本低、且產品質量很差，給聚丙烯推廣造成負面影響；

⑶聚丙烯加工難度比HDPE 大很多，必須對生產設備進行改進，有這個能力、實力和意愿的廠家不多，尤其是聚丙烯雙壁波紋管。但值得慶幸的是，生產PP 纏繞管直接可采用PE 纏繞管生產設備及生產工藝，加工要求遠遠低于PP 雙壁波紋管，不存在成型和過渡料的問題，其國標標準也在PP 雙壁波紋管之后進行了發布，可以嘗試進行推廣。

6 結論

目前國內外均有多款高模量PP 材料適合應用于聚丙烯纏繞管，通過與HDPE 中空壁纏繞管的比較，其環剛度更高，同樣口徑同樣環剛度管材可以節約材料15%以上，隨時間的變化，采用B1600 環剛度表現出優異的遞增規律，抗老化性和抗沖擊性能一樣擁有出色的表現，耐熱性和焊縫拉伸強度明顯優于HDPE 中空壁纏繞管，采用合格聚丙烯粒料生產的聚丙烯中空壁纏繞管具有很好的推廣應用優勢，尤其是在南方地區。