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螺旋鋁帶塑料復合管的研制探討

駱惠青1，駱光勤2

(1．義烏市計量測試檢定所，浙江義烏322000；2．義烏市潔康管業(yè)有限公司，浙江義烏322000)

    “以塑代鋼”是國家長期的方針政策，近幾年來，我國新型塑料管材的推廣應(yīng)用逐年攀升。以往所使用的鍍鋅鋼管被禁止用于給水管道已有七個年頭。這期間替代鍍鋅鋼管的新型塑料給水管材品種繁多，例如：不銹鋼管、銅管、鋁管、內(nèi)襯塑料的鍍鋅鋼管、聚乙烯管(PE)、交聯(lián)聚乙烯管(PEX)、三型無軌共聚聚丙烯管(PP—R)、耐熱增強聚乙烯管(PE— RT)、聚丁烯管(PB)、鋁塑復合管(PAP和XPAP)、內(nèi)層熔接型鋁塑復合管(又稱PP—R塑鋁穩(wěn)態(tài)管)、外層熔接型鋁塑復合管(又稱鋁塑PP—R復合管)，鋼塑復合管和銅塑復合管等等，這些新型塑料管材各有所長，但是各自也都存在一定的問題。

1.給水管材的發(fā)展方向

    上述列舉的各種給水管材中，概括起來可分為三大類：第一類為金屬類，例如不銹鋼管、銅管等，這類管材價格昂貴，不適合國情，難以普及推廣；第二類為純塑料管，最大的問題是線膨脹系數(shù)大，強度、剛性相對不高；第三類就是金屬和塑料的復合類管。因金屬材料的優(yōu)良特性塑料又具有質(zhì)輕耐腐蝕，衛(wèi)生安全，連接安裝方便，孔壁光潔，水流阻力小，生產(chǎn)能耗低(塑料僅為鋼管的i／5)，導熱系數(shù)小(塑料僅為鋼管的l／200)等特性。這對于應(yīng)用在熱水系統(tǒng)的管道將大為減少熱量的損失，因此集中金屬和塑料各自的優(yōu)點，形成最佳組合，開發(fā)研制復合類管材應(yīng)是今后的發(fā)展方向。

    金屬和塑料的復合結(jié)構(gòu)，具體體現(xiàn)在以塑料為主體材料，以金屬材料為骨架，好比“水泥和鋼筋”，連成一個有機的整體，為此首先要解決兩大問題：其一，選用什么金屬材料和選用什么塑料材料；其二，復合的結(jié)構(gòu)形式。

    1.1選用參與復合的金屬材料

    金屬材料和塑料復合的關(guān)鍵因素是兩種復合材料的線膨脹系數(shù)之差務(wù)求最小值，且看：

    塑料的線膨脹系數(shù)約為：130～150×10-6／℃

    鋼的線膨脹系數(shù)約為：l2．19 X 10-6／℃

    不銹鋼的線膨脹系數(shù)約為：l7．3 × 10-6／℃

    銅的線膨脹系數(shù)約為：l7．8 × 10-6／℃

    鋁合金的線膨脹系數(shù)約為：24 × 10-6／℃

    由上可知鋁合金比其它任何金屬的線膨脹系數(shù)都大。復合以后鋁合金和塑料之間的層面(界面)內(nèi)應(yīng)力最小，市場上現(xiàn)有的鋼塑復合管，銅塑復合管，內(nèi)襯塑料的鍍鋅鋼管等，從穩(wěn)定性和可靠性而言(包括連接件的因素)，其質(zhì)量均不及鋁合金和塑料復合的管材。

    1.2選用參與復合的塑料

    選用塑料參加復合的決定因素在于塑料的融熔特性�，F(xiàn)有具有融熔特性的塑料有PE(PEX不具有融熔特性)、PP-R、PE—RT和PB，相比之下PE的融熔性能差，PB的原材料依賴進口，因此選用PP-R或PE—RT參與復合是較為適宜的。

    在選擇上述兩種復合材料的基礎(chǔ)上，要實現(xiàn)理想的復合管材，關(guān)鍵要解決兩大問題：其一是復合管和管件的連接應(yīng)牢靠穩(wěn)定。在連接部位不能泄漏，而且連接安裝應(yīng)方便。其二是復合管的金屬層與塑料層之間的粘結(jié)必須牢固可靠，兩者之間不得產(chǎn)生“剝離”現(xiàn)象。上述兩大關(guān)鍵問題中，第一個問題由于選擇有融熔特性的塑料材料，可以實現(xiàn)牢固的管材連接，同時要保證連接方便。第二個關(guān)鍵問題要保證粘結(jié)層材料的質(zhì)量，金屬層和塑料層之間界面面積的大小等�？傊�，兩個關(guān)鍵問題歸結(jié)起來就是要有很好的復合結(jié)構(gòu)形式，這正是以下要探討的核心問題，先從現(xiàn)有的復合類管材分析人手。

2.剖析“鋁塑復合管”趨于淘汰的原因

    從上述提到的在現(xiàn)有鋁合金和塑料復合的管材中，主要有：

    鋁塑復合管(以下簡稱“PAP”)；內(nèi)層熔接型鋁塑復合管(以下簡稱“N—PAP”)；外層熔接型鋁塑復合管(以下簡稱“W—PAP”)。

    2.1鋁塑復合管(PAP)

    PAP是五層結(jié)構(gòu)。內(nèi)外層是聚乙烯層，中間是鋁合金層，界于內(nèi)外層和中間層之間的是兩個粘膠層。這種管材在市場上曾一度盛行，“日豐管，管用五十年”，以日豐牌PAP為典型代表品牌的廣告宣傳語，幾乎遍及全國各地，時至今日卻幾乎被淘汰消失，是什么原因制約了它的發(fā)展?原因之一是PAP的連接并非熱熔連接，采用夾緊式銅接頭，由于銅和塑料的線膨脹系數(shù)相差甚大，使用一定時間后，塑料產(chǎn)生“屈服”或者其中的橡膠密封件老化，造成夾緊失效，再加上受到銅管件的標準化、系列化水平的限制，配合尺寸的不穩(wěn)定性，即使在使用初期，夾緊質(zhì)量也不穩(wěn)定。另外這種連接結(jié)構(gòu)，在連接處還產(chǎn)生“縮頸”問題(即銅管件的內(nèi)孔小于PAP的內(nèi)孔)，造成管道流體壓力損失。

    原因之二是PAP存在致命的層間剝離問題。 PAP的兩個粘膠層是在管材擠出過程中，融熔狀態(tài)下粘結(jié)而成。粘接的機理是：膠粘劑在聚乙烯分子鍵上極性引入基因團，由于膠粘劑的主鍵是聚乙烯結(jié)構(gòu)，它們之間的融熔狀態(tài)具有很好的浸潤性(親和性好)。但是膠粘劑和鋁合金之間是通過在聚乙烯上所引入的極性基因再和鋁合金表面的氧化鋁膜中的羥基(一OH)形成化學鍵，它們之間的附著力不強，加上鋁合金和聚乙烯的線膨脹系數(shù)之差較大，隨著使用環(huán)境溫差的變化，不斷循環(huán)脹縮，在鋁合金層和聚乙烯層的界面之間就產(chǎn)生較大的相對位移，使得層與層之間實際上彼此“剝離”，這不僅影響有效復合，更嚴重的是這種層與層之間的“剝離”狀態(tài)并不在初期發(fā)生，經(jīng)使用一段時間后，表面既看不到也摸不到，即使采用先進的探測儀發(fā)現(xiàn)問題后也已難以補救，造成極大隱患。這些問題就是PAP在市場上趨于淘汰的致命原因

    2.2內(nèi)層熔接型鋁塑復合管(N—PAP)

    N—PAP是四層結(jié)構(gòu)。從里到外依次是PP-R層、粘膠層、鋁合金層及外敷著很薄的塑料層。該管材以內(nèi)層PP-R為主體。在和相同材料的PP-R管件熱熔連接時，被熱熔管材的端部圓柱面上，必須按熱熔深度先剝除最外部的三層，然后才能熱熔，因此安裝連接極不方便。而且如同PAP一樣，層與層之間的“剝離”狀態(tài)仍然難以避免。

    2.3外層熔接型鋁塑復合管(W—PAP)

    W—PAP結(jié)構(gòu)類似于上述的PAP，所不同的是內(nèi)外層由聚乙烯改為PP—R，由銅管件連接改為熱熔連接。而熱熔時，必須在W—PAP端部孔內(nèi)安插類似銅管件端部帶有橡膠密封件的塞子，不僅安裝極不方便，而且PAP所有存在的致命缺陷同樣在W。PAP上存在，該管材命運和PAP一樣。

3.螺旋鋁帶塑料復合管的研制探討

    綜上所述，以鋁合金為骨架，以PP—R或PE．RT為主體的復合類管材，應(yīng)是今后研發(fā)的方向。但是在現(xiàn)有的上述三種主要復合類管材中，都因為“骨架”和“主體”復合的結(jié)構(gòu)問題，不能有效實現(xiàn)復合類管材應(yīng)有的推廣應(yīng)用和發(fā)展。為此本文提出“螺旋鋁帶塑料復合管”(以下簡稱L-PAP)的研制，供業(yè)內(nèi)人士共同探討。“螺旋鋁帶塑料復合管”采用的技術(shù)方案是將 PAP中間的鋁合金管改為螺旋狀的鋁帶(類似于彈簧狀)，被嵌夾在整個塑料層(PP—R或PE—RT)內(nèi)部，形成以螺旋鋁帶為骨架，以塑料層為主體的復合結(jié)構(gòu)。

    圖1為螺旋鋁帶的示意圖；圖2為L—PAP的A— A截面示意圖。   

    為了敘述方便，在圖2中將管截面分為A(外層)，B(內(nèi)層)，c為螺旋鋁帶。由圖2可知，所謂的塑料外層A和塑料內(nèi)層B，是通過螺旋鋁帶c每相隔螺距t(圖1)的間隙而相互關(guān)聯(lián)的，螺旋鋁帶c完全被主體塑料(相連的A層和8層)所嵌夾封閉包容而起到整個復合管的骨架作用。由圖l和圖2可知，中間的骨架層是以螺旋鋁帶的形式完全被嵌夾包容在整個主體塑料層內(nèi)部，不存在內(nèi)層塑料和外層塑料之分，更不存在鋁合金帶相對塑料主體產(chǎn)生所謂的“剝離”問題。對比現(xiàn)行的PAP、N-PAP和w-PAP結(jié)構(gòu)，其中間的“鋁管”層將外層塑料和內(nèi)層塑料是完全分割開的，加上鋁合金和塑料線膨脹系數(shù)的懸殊之差，層與層之間難免產(chǎn)生剝離，每層之間似乎是空套的，這就大大降低了管材的強度等機械性能。除此之外，從PAP、N— PAP和W—PAP管材的橫截面分析，中間的“鋁管”截面是一圈整體，“鋁管”的內(nèi)、外兩個圓柱面就是金屬和塑料的界面，而相對于以上所述的L—PAP、金屬和塑料之間的界面比N—PAP和W—PAP要小得多，這從圖2的橫截面分析，被嵌夾的螺旋鋁帶C的截面積相對于主塑料層的截面積(塑料層A和塑料層8之和)，所占的面積比例也小得多，螺旋鋁帶和主體塑料各自所產(chǎn)生的線膨脹值(或線收縮值)幾乎接近。隨著整個復合管受熱伸長或受冷收縮，被嵌夾的螺旋鋁帶和主體塑料的界面幾乎不產(chǎn)生相對位移，或者說近似兩者同步脹縮。

    關(guān)于螺旋鋁帶的兩個面同樣也可以有粘膠層，但事先可以兩面帶膠粘劑的鋁帶進入生產(chǎn)線，而無須復合管擠出過程，另加膠粘劑的擠塑頭。帶有兩面膠粘劑的鋁帶結(jié)構(gòu)可以是平帶、帶網(wǎng)孑L的平帶，或者單邊或雙邊有鋸齒形的平帶等，根據(jù)管道使用的不同場合，機械性能(強度、剛性等)要求的不同，可以增減鋁帶的厚度，可以增減形成螺旋鋁帶的螺距t(圖1)，也可以是一條(頭)鋁帶或多條(頭)鋁帶。關(guān)于L。PAP的實現(xiàn)過程可以一次共擠形成，其生產(chǎn)線相對于PAP、N—PAP和W—PAP的生產(chǎn)線所不同的是，其中的芯模是旋轉(zhuǎn)的，并且芯模的過渡部分類似于“花鍵軸”(芯模的端部結(jié)構(gòu)和上述PAP、N— PAP和W．PAP生產(chǎn)線的芯模是相同的)，隨著花鍵軸芯模的旋轉(zhuǎn)，使L．PAP的鋁合金帶被輸出成螺旋狀繞在“花鍵軸”的外圓柱面上，圖2中的所謂外塑料層A是經(jīng)由螺旋鋁帶外表面與定徑套之間擠出形成；而圖2中的所謂內(nèi)塑料層8是經(jīng)由螺旋鋁帶內(nèi)表面與“花鍵軸”鍵槽之間擠出形成。該工藝過程如下所示：

    螺旋鋁帶塑料復合管和管件的連接方法，跟現(xiàn)行的純塑料管PP—R及PE。RT的連接方法完全相同。采用的管件就是現(xiàn)有的PP—R及PE—RT管件。即直接熱熔連接，N．PAP和管件連接，在熱熔部分要剝?nèi)∽钔獠康娜龑樱?/span>W—PAP和管件連接，必須在W- PAP端部孔內(nèi)安插“篩子”，因此連接方便可靠。

    通過以上技術(shù)方案的實施，真正實現(xiàn)了以螺旋鋁帶為骨架與以塑料為主體的有機復合連成一個整體，較好解決了PAP、N．PAP和W—PAP管材內(nèi)部層與層之間相互“剝離”的問題。并有效提高了管材的強度等各項機械性能。這是因為完全被封閉包容在主體塑料內(nèi)部的螺旋狀鋁合金帶，能有效且是緩沖地牽制著主體塑料的脹縮，從而使L—PAP的線膨脹系數(shù)能有效的下降。具體根據(jù)L．PAP鋁合金帶的厚度，螺旋鋁合金帶的螺旋t的不同，約下降了5％～l2％

4.結(jié)  語

    綜上所述，利用金屬和塑料各自的特性所研制的復合類管材，必優(yōu)于純金屬管和純塑料管。本文從剖析PAP、N—PAP和w-PAP存在的問題人手，運用了“優(yōu)化組合”技術(shù)、“包容”技術(shù)和“螺旋插層”技術(shù)，實現(xiàn)了復合管材的“連接、結(jié)構(gòu)和功能”的三大創(chuàng)新。通過技術(shù)方案的完成，是對現(xiàn)有新型塑料管材的一次改革和升級換代，為我國新型塑料管材的推廣應(yīng)用，為落實國家“以塑代鋼”和節(jié)能減排政策，為促進我國建材工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，加快新型塑料建材的發(fā)展進行了有意義的探索。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)