塑料管材用原料及模具設計和成型技術進展苑會林北京化工大學材料科學與工程學院2023/9/211北京化工大學目錄（一）管材應用市場分析（二）管材材料的分級（三）管材系列劃分及應用（四）管材材料（五）管材加工技術進展2023/9/212北京化工大學塑料管道的發展趨勢應用越來越廣城市供水、排水、建筑給排水、熱水供應、供熱采暖、城市燃氣、化工流體輸送、電線電纜護套管使用量越來越多其中聚烯烴塑料管在最近10年來增長最快，年增長率在10％以上2023/9/213北京化工大學（一）管材應用市場分析類型鋁塑管PP-R管PE-X管PB管優點易彎曲熔接焊明裝挺度好耐溫耐壓高耐溫壽命長柔軟易彎曲熔接焊連接缺點不回彈銅接頭僵硬不易彎曲銅接頭連接不能回收價格分類中低低高2023/9/214北京化工大學（二）管材材料的分級確定管材料等級的ISO體系ISO/TC138長期耐內壓蠕變實驗ISO9080用于承壓輸送水管熱塑性塑料材料的分類整體體系以及安全系數ISO12162用于地板加熱采暖的熱塑料塑料的質量要求DIN46262023/9/215北京化工大學管道安全性的保證材料模具和設備加工成型技術2023/9/216北京化工大學塑料管道的管道級原材料的等級分類熱塑性管材材料的評價－－ISO體系適用范圍：除北美部分國家外的美洲歐洲全部著名的樹脂生產商我國塑料管材標準化的基礎和方向2023/9/217北京化工大學熱塑性管材料的ISO等級劃分ISO等級劃分是對擠出成型的管材做長期耐內壓蠕變試驗，按照ISO9080的方法來獲取在20℃、50年時間、97.5%置信下限（LCL）的預測下限（LPL）。根據LPL或LCL確定材料的最低要求的靜液壓強度（MRS）。MRS以MPa為單位，將其乘以10則可得到材料的等級數。2023/9/218北京化工大學表1.LCL與MRS及材料分級數之間的關系（ISO12162）LCL范圍MPaMRSMPa材料分級數3.15～3.993.1531.54.00～4.994.0405.00～6.295.0506.30～7.996.3638.00～9.998.080LCL范圍MPaMRSMPa材料分級數10.00～11.1910.010011.20～12.4911.211212.50～13.9912.512514.00～15.9914.014016.00～17.9916.01602023/9/219北京化工大學表2.管材料的等級命名材料等級允許環應力PBPB12512.5PPPPR808.0PPB808.0聚乙烯PE808.0PE10010.02023/9/2110北京化工大學迅速發展的塑料管PP-R管PE管PEX管鋁塑復合管鋼塑復合管粉末噴涂鋼管郵電通信多孔管大口徑纏繞管2023/9/2111北京化工大學表2管材料的等級命名管材料等級命名標準命名MRS/MPaPEPE323.2ISO4427

PE404

PE636.3

PE808

PE10010

PVC-UUPVC25025ISO4422CPVCCPVC12512.5DIN8079PPPP-H10010DIN8077

PP-B808

PP-R808

2023/9/2112北京化工大學（三）管材系列劃分及應用環應力的概念管系列S應管系列S用場合分類2023/9/2113北京化工大學名詞術語dn

公稱外徑，mmdem

平均外徑，mmen

公稱壁厚，mmSDR，標準尺寸比，SDR=Dn/enS管系列，S=(SDR-1)/2Scalc計算管系列，S=σD/PD2023/9/2114北京化工大學環應力的概念管材受力分析環應力σt軸向力σa徑向力σr2023/9/2115北京化工大學環應力計算環應力分析σt2023/9/2116北京化工大學軸應力計算軸應力分析σa2023/9/2117北京化工大學徑向力計算徑向力分析σr管內壁σr=管內壓力P

管外壁σr=管外壓力P=02023/9/2118北京化工大學ISO方程σ

環向應力，MPaP管內介質壓力,MPaD管外經，mme管壁厚，mmdm平均管徑，mmdm=D-eSDR=D/e

2σP=———SDR-1根據

σ環向應力與管內介質壓力P之間的關系可導出下式：2023/9/2119北京化工大學管系列S的概念S=(SDR-1)/2=dm/(2e)

2σP=———SDR-1

σS=——P

σP=——S2023/9/2120北京化工大學管系列S的選擇由工作壓力P確定管材環應力σ根據工作壓力、溫度和設計使用壽命，從壽命圖上查出相應的應力設計應力σS=MRS/CC安全系數Scalc的確定Scalc=σS/P2023/9/2121北京化工大學輸送熱介質的塑料類管材使用條件級別應用等級TD℃在TD下時間年Tmax℃在Tmax下時間年Tmal℃在Tmal下時間h典型的應用范圍1604980195100供應熱水60℃2704980195100供應熱水70℃42040602.52025702.5100100地板采暖和低溫散熱器采暖5206080142510901100100高溫散熱器采暖5A2070809029.665.57.2951.710010095/70℃散熱器供暖注：TD設計溫度、Tmax最高設計溫度、Tmal故障溫度，當TD、Tmax和Tmal超出本表所給出的值時，不能用本表2023/9/2122北京化工大學（四）塑料管道用材料聚乙烯（PE)管材料的類型與發展聚丙烯（PP)管材料的類型與發展氯化聚氯乙烯（PVC-C）管材料聚丁烯（PB-1)管材料交聯聚乙烯管（PE-X）材料2023/9/2123北京化工大學⑴聚乙烯管材的類型LDPEHDPELLDPE&mLLDPEMDPEUHMWPEPE-(HD)X,PE-(MD)X2023/9/2124北京化工大學聚乙烯管材料等級分類LDPE分為PE32和PE40只用于低壓供水和灌溉管線等MDPE、HDPE聚乙烯壓力管的主導材料2023/9/2125北京化工大學聚乙烯管材料等級分類低密度聚乙烯管材料在等級分類中分為PE32和PE40，只用于低壓供水和灌溉管線等。中、高密度聚乙烯較低密度聚乙烯增強了剛度和承壓能力，因此是聚乙烯壓力管的主導材料。2023/9/2126北京化工大學聚乙烯管材料一代產品（均聚產品）是50年代～70年代用齊格勒納塔催化劑生產的均聚產品。這類樹脂在20℃的脆性破壞發生點約在10萬小時，而在80℃的脆性破壞發生點通常在幾百小時到幾千小時之間按照ISO的等級分類定為PE63級材料。

2023/9/2127北京化工大學聚乙烯管材料二代產品

共聚產品（MDPE和HDPE）目前大量使用的由丁烯－1或己烯－1與乙烯共聚得到的乙烯共聚物，按照ISO的等級分類定為PE80級材料。通過共聚合，極大地提高了聚乙烯管材級樹脂的耐環境應力開裂（ESCR）性能。在一定程度上損失了材料的耐壓強度，即韌性提高、強度下降。2023/9/2128北京化工大學聚乙烯管材料三代產品

均聚產品（PE100）PE100樹脂未采用共聚聚合的方法來提高ESCR性能，而是通過提高聚乙烯的聚合度和共聚合來獲得優秀的ESCR性能和更高的耐壓強度，即韌性提高、強度也提高。聚合度的提高帶來的問題是加工性能差，但是通過雙峰聚合聚入了一定比例的低分子改善了加工性能。PE100聚乙烯管材料的出現，可以滿足更高壓力管材的要求并能制造口徑較大的管材。2023/9/2129北京化工大學PE80和PE100的比較2023/9/2130北京化工大學未來的聚乙烯管材等級

未來的聚乙烯將會向著PE112和PE140的目標接近。通過交聯可以獲得PE125的管材級材料經過雙軸取向可以獲得PE250的管材

2023/9/2131北京化工大學聚乙烯管材的原材料的性能要求

由于使用的壓力等級和壽命不同，所以對于聚乙烯原料的要求有：耐環境應力開裂性能（測試方法為ASTMD1693或GB／T1842）耐長期靜液壓強度（測試方法為GB/T6111－85）焊接性衛生性2023/9/2132北京化工大學表3.標準對聚乙烯材料等級的要求

標準燃氣管給水管灌溉管波紋管ISO4437－1997GB15558.1-1995ISO4427-1996GB/T13663-2000ISO/DIS8770-1999PrEN13476.1-1999材料等級PE80PE80PE32PE63PE32PE63PE100

PE40PE80PE40

PE63PE100PE63

PE80

PE80

PE100

2023/9/2133北京化工大學表4.國產PE管材料牌號等級主要用途共聚單體生產廠家DGDB2480PE80水管、燃氣管丁烯－1齊魯石化公司6100MPE80土建、管道丁烯－1大慶石化公司

丁烯－1揚子石化公司PEYZ－2300EPE80管材丁烯－1揚子石化公司6000MPE80管材丁烯－1燕山石化公司TR400PE80管材、燃氣管、內襯己烯－1上海金山石化公司TR480FSPE80燃氣管、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北京化工大學表4.國產的PE管材料（續）牌號等級主要用途共聚單體生產廠家DGDA2483BKPE80小口徑管材己烯－1天津聯合化工公司51－35BPE80燃氣管、波紋管丁烯－1撫順石化公司P703PE80大口徑管材丁烯－1撫順石化公司P803PE80大口徑管材丁烯－1撫順石化公司YGH051TPE80壓力管，氣管，大口徑管雙峰上海石化YGH041TPE100壓力管，氣管，大口徑管雙峰上海石化YGM091TPE80壓力管，氣管，大口徑管雙峰上海石化2023/9/2135北京化工大學表5.國外的幾種特殊的PE管材料

牌號密度主要用途共聚單體生產廠家DGDA24800.95水管、燃氣管己烯－1

DOWLEW2344E9.30鋁塑管、采暖管道辛烯－1DOWLLDPEGD15889.25管材、波紋管己烯－1三井化學2023/9/2136北京化工大學聚丙烯管材料的類型與發展

丙烯聚合物分為三種類型：PP-H(均聚聚丙烯)～PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP～PP-B(嵌段共聚聚丙烯）～PPPPPPPPPEEEEEEPPPPPPPPPP～PP-R（無規共聚聚丙烯）～PPPPEPPPEPPPPPPPPPEPPPPEPPP～2023/9/2137北京化工大學三種聚丙烯的性能PP-H剛性較好，耐熱性好，但耐沖擊性能、抗長期蠕變性能較差；PP-B耐沖擊性能較好，但耐長期抗蠕變性能比PP-H略好。PP-R剛性較低，熱變形溫度低，但耐沖擊性能較好，抗長期蠕變性能優秀。

2023/9/2138北京化工大學PP-R的特點有較大的分子量，Mw約為60-100萬，MFR2值為0.1-0.4g/10min.其分子量分布窄（MWD）大約為5，相應的流動比FRR(=MFR10/MFR2)大約為13-17共混和擠出成型加工困難

2023/9/2139北京化工大學PPH、PPB、PPR剛性比較2023/9/2140北京化工大學關于聚丙烯管道的德國標準有

DIN8077聚丙烯管尺寸標準DIN8078聚丙烯管質量要求和測試ISO/DIS15874-2.2聚丙烯管質量要求和測試歐洲標準prEN12204冷熱水設施用塑料管道系統—聚丙烯（PP）第二部分：管材2023/9/2141北京化工大學氯化聚氯乙烯（PVC-C）管材料

含氯量為61～68%耐熱性，熱變形溫度提高20～40℃耐化學性拉伸強度和彎曲強度提高2023/9/2142北京化工大學氯化聚氯乙烯（PVC-C）管材料聚合度為565～740含氯量64.6～67.8%表觀密度0.55～0.61g/cm3密度為1.54～1.59g/cm3洛氏硬度R117～125熱變形溫度94～113℃拉伸強度58.8～73.5MPa彎曲強度78.4～117.4MPa。2023/9/2143北京化工大學氯化聚氯乙烯的用途制造耐熱、耐化學藥品的容器和設備，電解槽，電鍍槽，污水處理凈化槽，高溫氣體洗滌塔，熱水、溫泉引水管制造食品包裝膜、管件、電器開關和保險蓋等。2023/9/2144北京化工大學關于氯化聚氯乙烯管道的德國標準有

DIN8079氯化聚氯乙烯管尺寸標準DIN8080氯化聚氯乙烯管質量要求和測試ISO/DIS15876-2.2氯化聚氯乙烯管質量要求和測試2023/9/2145北京化工大學聚丁烯管材料

具有良好的機械性能突出的耐環境應力開裂性能耐低溫流動性和耐蠕變性能耐熱性耐化學藥品性能良好具有抗磨性可撓曲性高填料填充性。2023/9/2146北京化工大學聚丁烯-1（PB-1）聚丁烯的分子結構～CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH～|||||CH2CH3CH2CH2CH2|||||CH3CH3CH3CH3CH32023/9/2147北京化工大學聚丁烯的物理性能結晶度較低質地柔軟帶有橡膠的特性2023/9/2148北京化工大學管材級聚丁烯的性能熔點124～130℃結晶度48～55%密度0.93～0.94g/cm3

2023/9/2149北京化工大學聚丁烯的應用聚丁烯-1可在-30～100℃范圍內長期使用。可用于：管道、薄膜、板材、各種容器、熱水地板采暖管道、熱泵管、消防水龍頭和各種特殊軟管。2023/9/2150北京化工大學PB4137的長期靜液壓強度2023/9/2151北京化工大學表6.PB4137(灰色)管材料的性能指標

特性單位數值標準密度g/cm30.93DIN53479熔點℃122～128DTA維卡軟化溫度℃113DIN53735玻璃化溫度℃-18ASTMD-746熔化熱kJ/kg～100DSC熱導率W/mk0.22DIN52612熱膨脹系數mm/mk0.13DIN53752彈性模量MPa350DIN53457邵氏硬度D-Scale53ISO8608沖擊強度kJ/m240DIN53453斷裂伸長率%>125DIN53457拉伸強度MPa33DIN53455屈服應力MPa17DIN534552023/9/2152北京化工大學表7.PB4135(象牙白色)管材料的性能指標

特性單位數值標準密度g/cm30.937ASTMD1505熔點℃124～126DSC熱導率（20℃）W/mk19ASTMC177熱膨脹系數mm/mk0.13ASTMD696斷裂伸長率%340IS