无规共聚聚丙烯(PP-R)管材凭借保温节能、安全卫生、质轻强高、耐腐蚀、内壁光滑不结垢、施工维修便捷、使用寿命长等诸多优势，在建筑用冷热水管及暖气连接管等领域得到广泛应用[1-5]。随着国家“以塑代钢”政策的持续推进，塑料管道的用量也是越来越大。据不完全统计，2019年，国内PP-R管材料的年需求量超过50万吨[6]。由于PP-R树脂的熔体流动速率较低(0.2~0.3 g/10min)，流动性较差，同时，PP-R树脂是结晶性聚合物，因而在成型加工过程中，工艺条件控制极为重要[7]。本实验重点研究了不同的挤出工艺条件对PP-R管材性能的影响，为减少色母粒对管材的性能影响，实验只采用纯PP-R给水管材专用料，在高速生产线上生产出dn20×en2.8规格的PP-R给水管材，探究了加工温度、螺杆转速、冷却水温等工艺参数对PP-R管材的拉伸性能、静液压性能的影响。1实验部分1.1主要原料PP-R原料，PA14D，徐州海天化工有限公司。1.2仪器与设备PP-R高速生产线，BBC-60-30，佛山巴顿菲尔德辛辛那提有限公司；管材拉伸样条制样机，XYZ-1，承德市试铨试验机有限公司；万能试验机，CMT5000，美特斯工业系统(中国)有限公司；微机控制静液压试验机，MTSH-6，天津市美特斯试验机厂。1.3样品制备用真空吸料机将PP-R管材专用料输送到管材挤出生产线的料斗中，通过调整加工温度、螺杆转速及冷却水温等工艺条件，制备出dn20×en2.8规格的管材。将不同工艺条件下制备的PP-R管材样品，放置在(23±2) ℃恒温室调节24 h，制备成测试用样品管。1.4性能测试与表征拉伸性能测试：按GB/T 1040.1—2018进行测试。测试温度(23±2) ℃，速度50 mm/min。静液压性能测试：按GB/T 18742.2—2017进行测试。测试温度20℃，静液压应力16 MPa；测试温度95 ℃，静液压应力4.3 MPa，介质为水时的静液压。2结果与讨论2.1挤出工艺参数对PP-R管材性能的影响2.1.1加工温度加工温度是促进物料塑化和熔体流动的必备条件，加工温度对原材料的塑化程度起到较为重要的作用。如果加工温度过高，材料在挤出过程容易造成分子链的断裂，严重时可能导致碳化分解。加工温度过低，容易导致树脂熔体黏度过大，造成塑化差，不利于成型加工，这些均会对PP-R管材造成不利影响[8]。本次挤出试验，将螺杆转速设定为96.5 r/min，冷却水温设定为20 ℃，通过改变加工温度，不同温度条件下挤出制备dn20×en2.8规格管材，并进行性能检测。表1为不同加工温度条件的挤出工艺参数。图1为不同加工温度条件的管材挤出情况。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.015.T001表1不同加工温度条件的挤出工艺参数Tab.1Extrusion process parameters under different processing temperature conditions样品编号工艺参数加工温度/℃螺杆转速/（r‧min-1）挤出速度/（m‧min-1）扭矩/%熔体压力/MPa水温/℃真空/MPa套筒机筒模头熔体1#6218018019596.520.838019.020-0.0242#6319019020596.520.837618.520-0.0203#6320020021096.520.847417.620-0.0184#6321021021796.520.837217.820-0.0145#6322022023196.520.827017.120-0.01410.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.015.F001图1不同加工温度条件的管材挤出情况Fig.1Extrusion of pipes under different processing temperature conditions从图1可以看出，在螺杆转速、冷却水温不变的情况下，随着加工温度的升高，物料的流动性提高，挤出量增加，出模膨胀变大，在没有提升牵引速度的条件下，只能增加水环与口模之间的距离，减少因膨胀导致的堵料情况。但是由于物料本身重力，口模离水环的距离不能过大，否则容易导致管材壁厚不均等问题，一旦出现抖动容易堵料，从而不能保障其长期稳定生产。因此，工艺参数对管材的正常生产稳定性至关重要。在加工温度升高的情况下，出模膨胀较大，需要调节牵引速度、水环冷却水的流量、螺杆转速等参数，才能保障管材正常的生产。图2和图3分别为加工温度对PP-R管材拉伸性能和静液压性能的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.015.F002图2加工温度对PP-R管材拉伸性能的影响Fig.2The influence of processing temperature on the tensile properties of PP-R pipe10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.015.F003图3加工温度对PP-R管材静液压性能的影响Fig.3The influence of processing temperature on the hydrostatic performance of PP-R pipe从图2可以看出，在螺杆转速及冷却水温恒定的情况下，随着模头加工温度由180 ℃升至200 ℃，管材的拉伸强度和断裂伸长率呈现上升趋势，当加工温度从200 ℃提升至220 ℃，管材的拉伸强度和断裂伸长率出现下降趋势。从图3可以看出，随着加工温度的增加，管材的耐压时间呈现增加趋势，当加工温度在200 ℃时，达到峰值后出现下降趋势。主要是因为加工温度较低的情况下，树脂塑化较差，材料的性能变差。随着温度的升高，熔体压力逐渐变小，材料塑化更加均匀，材料的力学性能得到提高。但随着加工温度超过一定值后，容易导致过热分子链断裂，反而造成材料强度及耐压性能降低。从表1可以看出，熔体压力随着加工温度的升高而降低。当加工温度为180 ℃时，熔体压力为19.0 MPa，随着温度的升高，其熔体压力逐渐降低，当加工温度为220 ℃时，熔体压力只有17.1 MPa，一般情况下熔体压力不能低于15 MPa。从生产的稳定性和产品性能来看，加工温度最好控制在200 ℃左右为宜。2.1.2螺杆转速对PP-R管性能的影螺杆转速是控制产品的产量和质量的重要参数。一般情况下，螺杆转速增加，产能提升，剪切速率加快，熔体黏度会下降，有利于物料的塑化[9]。在加工温度设定为200 ℃，冷却水温设定为20 ℃条件下，通过调整螺杆转速，不同的螺杆转速条件下挤出规格dn20×en2.8的管材，进行性能测试。表2为不同螺杆转速下的工艺参数。图4和图5分别为螺杆转速对PP-R管材拉伸性能和静液压性能的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.015.T002表2不同螺杆转速下的工艺参数Tab.2Process parameters under different screw speeds样品编号工艺参数加工温度/℃螺杆转速/（r‧min-1）挤出速度/（m‧min-1）扭矩/%熔体压力/MPa水温/℃真空/MPa套筒机筒模头熔体1#7020020020571.715.537015.720-0.0172#7220020020984.618.047216.520-0.0193#7020020021096.520.847417.620-0.0184#71200200215106.922.467518.120-0.0185#70200200220117.825.237618.920-0.0210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.015.F004图4螺杆转速对PP-R管材拉伸性能的影响Fig.4The influence of screw speed on the tensile properties of PP-R pipe10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.015.F005图5螺杆转速对PP-R管材静液压性能的影响Fig.5The influence of screw speed on the hydrostatic performance of PP-R pipe从图4可以看出，随着螺杆转速的增加，管材的拉伸强度增加，当螺杆转速超过96.5 r/min后，拉伸强度基本保持不变。而断裂伸长率也有类似趋势变化，随着螺杆转速增加，断裂伸长率呈现先增加，超出一定值后有所下降。从图5可以看出，随着螺杆转速的增加，管材的耐压性能快速提高，当超出一定值后，耐压性能也出现轻微的降低。主要是因为物料在挤出熔融塑化过程中，除了外部加热传递的能量外，自身与螺杆的剪切摩擦也会产生热量，物料在设备中的停留时间也需要考虑。在加工温度保持恒定的情况下，随着螺杆转速的提高，物料在螺杆中停留的时间减少，被加热的时间会缩短。但是由物料之间、物料与螺杆及机筒之间的剪切加快，所产生的热量得到补偿，物料仍然可以得到较好的塑化，从而使分子间的作用力增大，机械强度提高。当螺杆转速超出一定范围后，由剪切摩擦产生的热量，不足以补偿因停留时间变短所需的能量，反而会使物料不能够充分塑化，从而导致管材性能下降。图6为不同螺杆转速条件下生产的管材静液压性能外观。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.015.F006图6不同螺杆转速条件下生产的管材静液压性能外观Fig.6Appearance of hydrostatic performance of pipes produced with different screw speeds从图6可以看出，管材性能的差异性。由此可见，在螺杆转速为96.5 r/min条件下，管材的综合性能最优。2.1.3冷却水温对PP-R管性能的影响在塑料管的生产过程中，定型冷却决定塑料管生产线的长度和产品的质量。冷却水温的控制对管材的加工及性能起到非常重要的作用[10-11]。水温过低，容易导致管材冷却过快，产生内部应力，定型困难。水温过高，管胚冷却不下来，造成膨胀不稳，容易导致管道波动。在生产PP-R管材时，第一段真空箱水温可以稍高，后段水温可以稍低，从而形成温度梯度。本次实验螺杆转速设定为96.5 r/min，加工温度设定在200 ℃，通过调节冷冻机控制水温，在不同的冷却水温条件下，制备出PP-R管材，并对管材进行测试。表3为不同冷却水温的挤出工艺参数。图7和图8分别为冷却水温对PP-R管材拉伸性能和静液压性能的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.015.T003表3不同冷却水温的挤出工艺参数Tab.3Extrusion process parameters with different cooling water temperature样品编号工艺参数加工温度（℃）螺杆转速/（r‧min-1）挤出速度/（m‧min-1）扭矩/%熔体压力/MPa水温/℃真空/MPa套筒机筒模头熔体1#7020020021096.520.857317.410-0.0172#7020020021096.520.837417.515-0.0183#7020020021296.520.847517.720-0.0194#7020020021096.520.857217.625-0.0205#7020020021196.520.847417.830-0.01810.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.015.F007图7冷却水温对PP-R管材拉伸性能的影响Fig.7The influence of cooling water temperature on the tensile properties of PP-R pipe10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.015.F008图8冷却水温对PP-R管材静液压性能的影响Fig.8The influence of cooling water temperature on the hydrostatic performance of PP-R pipe从图7可以看出，在保证挤出温度和螺杆转速恒定的条件下，随着冷却水温的增加，管材的拉伸性能呈现下降趋势，断裂伸长率呈现上升趋势。从图8可以看出，随着冷却水温的增加，静液压性能呈现先增加后无明显变化的趋势。主要是因为冷却水温对PP-R的结晶及晶型产生一定影响。当物料熔体从机头口模挤出后，进入真空箱的冷却水中，如果冷却水温过低，容易导致材料的分子链冷却过快，分子链段来不及延展，容易形成内应力。另一方面，水温过冷，材料的结晶度越大，晶型相对较大，从而导致材料的刚性较大，韧性稍差。随着水温的升高，分子链有充足的时间得到延展，其内部应力得到释放，结晶更为充分，晶型更小，导致刚性降低，韧性提高。因此，水温需控制在20~25 ℃。2.2正交试验分析为进一步确定加工温度、螺杆转速、冷却水温三个因素对管材性能的影响程度，采用正交试验法考察各个因素对管材性能的影响。表4为正交试验因素水平设计表。表5为正交试验结果。表6为极差分析结果。通过极差值分析，加工温度A是静液压性能最大影响因素，螺杆转速B是拉伸强度最大影响因素，冷却水温C是断裂伸长率最大影响因素。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.015.T004表4正交试验因素水平设计表Tab.4Orthogonal test factors and levels design水平因素加工温度（A）/℃螺杆转速（B）/（r‧min-1）冷却水温（C）/℃118071.810220096.5203220117.93010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.015.T005表5正交试验结果Tab.5Orthogonal test results实验编号因素拉伸强度/MPa断裂伸长率/%冷水静液压时间/h热水静液压时间/hABC111123.204521.92895212223.604732.36986313323.504622.021056421223.564862.351046522323.725003.431210623123.954322.641124731323.244562.28965832223.854232.52868933123.654862.39101510.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.015.T006表6极差分析结果Tab.6Range analysis results性能拉伸强度/MPa断裂伸长率/%冷水静液压时间/h热水静液压时间/hABCABCABCABCk123.4323.3323.67462.33464.67435.672.102.182.36979.00968.67962.33k223.7423.7223.60472.67465.33481.672.812.772.371126.671021.331015.67k323.5823.7023.49455.00460.00472.672.402.352.58949.331065.001077.00极差R0.310.390.1817.675.3346.000.710.590.22177.3396.33114.67优方案A2B2C1A2B2C2A2B2C3A2B3C3通过综合平衡法分析，加工温度(A)取A2时，在各指标中均为最优。螺杆转速(B)对各项性能指标的影响：对于拉伸强度，螺杆转速极差最大，为最大影响因素，且以取B2水平最好，其次为B3。对于冷水静液压时间，螺杆转速极差值居中，为次要影响因素，取B2水平最好，B3次之。对断裂伸长率和热水静液压时间，螺杆转速极差值最小，其为最小影响因素。对于断裂伸长率，螺杆转速取B2最好，B1次之。对于热水静液压时间，螺杆转速取B3水平最好，其次为B2。对于四个性能综合考虑，螺杆转速取B2水平为好。冷却水温(C)对各项性能指标的影响：对于断裂伸长率，冷却水温的极差值最大，为最大影响因素，取C2水平最优。对于拉伸强度和冷水静液压性能，冷却水温的极差值最小，是最小影响因素。对于拉伸强度，冷却水温取C1最好，其次为C2；对于冷水静液压，冷却水温取C3最好，其次为C2。对于热水静液压，优先选择C3水平，其次为C2。对于四个性能指标综合考虑，冷却水温取C3水平为好。通过综合分析，得出较好的水平组合是：A2B2C3。此水平组合的断裂伸长率最大，为500%。3结论(1) 生产dn20×en2.8规格的PP-R给水管材，最佳工艺条件为加工温度为200 ℃，螺杆转速为96.5 r/min，冷却水温20~25 ℃。在此工艺条件下，生产出的PP-R管材性能优异，生产稳定性较好。(3) 从正交试验结果可以看出：加工温度是管材静液压性能最大影响因素，螺杆转速是拉伸强度的最大影响因素，冷却水温是断裂伸长率的最大影响因素。通过各因素对各指标影响的综合分析，得出较好的水平组合是：A2B2C3。即：加工温度为200 ℃，螺杆转速为96.5 r/min，冷却水温30 ℃。