纖維增強PPR管道的技術研究

劉亮

（上海新世豐新型建材有限公司，上海 201506）

0.引言

自20世紀90年代，塑料管道PPR管進入中國市場[1]，塑料管道如雨后春筍般快速發展，進入中國市場30多年后，PPR管道以其超高性價比優勢在建筑內冷熱水給水管道系統中，占比90%以上，其長期使用溫度范圍為0℃～70℃，但其應用于高溫散熱器采暖系統、熱水管道明裝系統等還是有一定的劣勢，主要表現為耐高溫性能稍差、高溫蠕變性能明顯、熱膨脹系數較高等問題，使得PPR管在應用時出現較大變形、高溫高壓下使用壽命短等問題。

1.PPR管道特點及應用現狀

PPR管不會被腐蝕，常溫下可以承受pH值1～14的強酸以及強堿的腐蝕，不溶于任何已知溶劑，使用壽命長，正常情況下可用50年。PPR管在民用領域完全可以替代鍍鋅管材，市場前景很大，而且由于口徑較小，便于運輸，原料、制造設備的國產化，生產工藝簡單，競爭也相對要激烈一些。

2010年我國工程建設管道需求量約為12億m。PPR管道按30%的市場占有率計算，其每年的市場需求量將達到3億m～4億m。隨著中國國內的大興土木，近十年來，PPR管道已達到100%以上的市場增幅，市場對產品的功能性要求越來越高，功能型管道需求越來越大，纖維增強PPR管市場份額很大，具有很大的市場推廣價值[2]。

2.產品改進及技術研究

2.1 纖維類型對比

2.1.1 幾種常見纖維材料對比

聚丙烯塑料可用的填充纖維為玻璃纖維、礦石纖維、碳纖維以及玄武巖纖維[3]，市場常見的聚丙烯（PPR）管道的填充纖維為玻璃纖維，因為其成本低，而性能也能基本滿足使用，而碳纖維和玄武巖纖維性能優異且基本相同，而玄武巖纖維成本相比較低，所以主要分析玻璃纖維和玄武巖纖維的性能對比，主要從拉伸強度、線膨脹系數[4]、導熱系數、密度等性能來對比分析，詳見表1。

表1 不同材料的性能參數

2.1.2 纖維選型

通過數據分析，玻璃/玄武巖纖維相比聚丙烯（PPR）在拉伸強度、線膨脹系數、導熱系數等方面具有明顯優勢，纖維增強聚丙烯（PPR）管道，可以明顯提升管道的拉伸強度、提升管道的耐壓強度、降低其熱膨脹、降低其熱損失，應用在熱水管道以及明裝管道具有很大的使用價值和意義。

在纖維選型中，玄武巖纖維與玻纖相比，具有相近的拉伸強度和彈性模量，但是比玻纖具有更高的軟化點，比玻纖更穩定的物理化學性能。玄武巖纖維相比傳統的玻璃纖維，拉伸強度更優異、線膨脹系數相近、導熱系數更具有優勢，所以綜合分析，玄武巖纖維相比玻璃纖維性能更好。

2.2 纖維的生產技術研究

2.2.1 纖維長度分析

通過排布雙螺桿分布，造粒生產后進行顯微鏡觀察，并對比不同纖維長度生產管材的外觀、產品靜液壓性能，確定合適的纖維長度。

2.2.2 纖維比例分析

纖維比例直接影響到管材的性能，纖維比例添加太少，達不到預想的增強性能，纖維比例添加太多，容易分散不均，會使得管材脆性增加，可能還會對管材耐壓性能有影響。

纖維的增加會對管材表面產生一定的影響，且纖維增強PPR管也為熱熔連接方式，所以產品結構應設計為3層共擠結構，內外層為普通PPR層，中間為纖維增強PPR層。

綜合對比分析，管材應表面光滑平整、靜液壓性能高、落錘沖擊性能合適，纖維比例應在20%～30%范圍內。再結合材料的配方成本和生產成本，優選24%的纖維比例。

2.2.3 螺桿剪切工藝驗證

考慮到管材的長久使用壽命，我們增加熱水長時間靜液壓試驗（95℃，165h），優化纖維造粒的剪切工藝，再進行綜合試驗對比，詳見表2。

表2 不同螺桿剪切工藝的試驗對比

綜合分析，纖維造粒過程中，需進行強剪切工藝，保證纖維的長度和分散，產品能夠通過高溫長時間的靜液壓試驗，達到標準要求。

2.2.4 相關生產技術研究

（1）在纖維造粒生產過程中，配方中需添加一定的抗氧劑和分散劑，使得造粒成型工藝穩定。

（2）由于纖維具有一定的吸水性，需要改進造粒工序，短距離的水冷卻加風冷卻方式，再增加干燥工序，大大改良了造粒料的中空現象和水份過多問題。造粒料冷卻后再進行裝袋入庫，在使用造粒料時及時進行水份測試，確保材料的干燥性。

（3）在螺桿擠出機上增加烘干裝置，對纖維造粒料進行烘干預處理，保障材料的干燥性。

3.結論

本文得到的結論如下：

（1）對于熱水領域的應用，纖維增強PPR管相比普通的PPR管耐壓性能更優異、熱膨脹量更低，明裝不易彎曲；（2）纖維材料的選用，玄武巖纖維相比玻璃纖維更優異；（3）纖維的長度、纖維分散、纖維比例都對管道的性能具有一定的影響，需要合適的纖維定型和生產工藝設置。