内镶贴片式薄壁滴灌带生产工艺研究
摘要: 内镶贴片式薄壁滴灌带性能优异,相对于厚壁滴灌带价格便宜,有效降低了滴灌系统的运行成本。
但薄壁滴灌带由于生产工艺要求严格,工艺控制对产品的性能影响较大,直接影响着滴灌系统的质量和推广应用。
因此,着重研究了生产工艺对薄壁滴灌带产品质量和性能的影响。
关键词:滴灌带;聚乙烯;工艺;性能
1实验材料及设备
1.1主要原料
高密度聚乙烯,由独山子石化或燕山石化、茂名石化生产;低密度聚乙烯,由兰州石化、齐鲁石化或俄罗斯生产;线性低密度聚乙烯,由独山子石化或兰州石化生产;黑色聚乙烯色母料,美国或韩国进口;壬基酚聚氧乙烯醚,淄博海杰化工有限公司生产。
1.2试验设备与测试仪器
内镶扁平滴头滴灌管(带)生产机组,西班牙;塑料干燥混合机,张家港市松本塑胶机械有限公司;电子万能试验机,AG-201,日本岛津公司;滴灌带耐水压试验装置,自制;耐环境应力开裂试验装置,自制。
1.3样品制备
开启干燥混合机前,应将混料斗内各部位粘的碎料末清理干净,并将烘干温度设定为80 ℃,待温度升至80 ℃后再启动;按生产成熟配方比例,称量高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、黑色聚乙烯色母料,将称量好的各种料倒入混合机中,干燥混合15～20min后放出;将干燥混合均匀的料加入滴灌带生产机组中,在不同的生产工艺条件下生产规格为φ16×e0.18mm滴灌带,而后对其进行检验测试。
1.4性能测试项目
1.4.1拉伸强度测试
拉伸强度测试参照标准GB/T 528-1998进行,用日本岛津公司生产的AG-201型电子万能试验机,拉伸速率为60mm/min。
1.4.2耐环境应力开裂性能测试
将试样侧边涂上自制的壬基酚聚氧乙烯醚活性溶液,放入专用实验夹具中加紧,放入烘箱中在50±2 ℃下恒温,每隔24h取出试样,观察试样的表面是否出现可见裂纹,尤其是被折叠部位,应展开仔细观察。
1.4.3耐水压性能(爆破压,下同)测试
抽取至少8m的试样,安装在滴灌带耐水压试验台支架上,堵上末端。
开启水泵,待其运行稳定后,慢慢开启进水阀(观察压力表,压力不得超过0.10 Mpa),向试样内充水,排尽滴灌带内空气后,在20～30s内加压至试样破裂,读取试样破裂时的压力值为试验结果。
2结果与讨论
2.1生产工艺对滴灌带表观质量的影响
滴灌带的表观质量随挤出机温度、生产速度、冷却水温度(定型箱水温,下同)及冷却水环水流量等工艺参数的影响十分明显。
2.1.1温度对表观质量的影响
试验表明:随着挤出温度的升高,聚合物链段的活动能力增强,分子间相互作用力减弱,致使聚合物的流动性增大,物料的加工性提高,但是当挤出温度过高时,对于温度敏感性较差的聚乙烯,即使温度升高100 ℃,其表观黏度的下降也不到一个数量级,而过高的温度会造成能耗的增加,资源的浪费。
但过低的温度,也会使物料不能良好塑化,塑化不均匀,挤出物料容易形成鲨鱼皮、冷斑等缺陷;且在过低的温度下,物料表观黏度较大,塑化扭矩较大,会加重挤出机螺杆负荷,增加了能耗的同时加大了对设备的磨损,减少挤出设备的使用寿命。
经试验确定,通常情况下生产薄壁滴灌带,挤出机各段温度范围设定如表1。
2.1.2生产速度对滴灌带表观质量的影响
生产速度要与挤出机的挤出量、螺杆转速、冷却水环水流量及冷却水温度相匹配,方能生产出优质的产品。
试验表明:生产速度太低,物料在料筒中停留时间过长,物料表观黏度降低,熔体强度过低,一则容易断管,成品率降低,二则对滴灌带壁厚均匀度的控制造成一定的影响,容易造成壁厚偏差大等质量缺陷;而且过低的生产速度,降低了生产效率,增加了生产成本。
生产速度过高,会出现物料塑化不良,且受到挤出机挤出量的制约,当挤出量接近设备的最大允许挤出量时,会产生挤出量不稳定,从而造成滴灌带壁厚不均匀,容易出现针眼、烂洞等质量问题,并容易造成断管,影响成品率,同时,设备长时间满负荷运转会大大减少其使用寿命。
2.1.3冷却水环水流量和冷却水温度对滴灌带表观质量的影响
定型套中冷却水量各部位不均匀,会使滴灌带表面形成细小的收缩麻点;定型套冷却水量过小,在真空的作用下易漏气,导致壁厚不均匀,表面光泽度不均匀;冷却水量过大则容易断管,且水滴飞溅到机头口模上,导致口模温度不均匀,致使滴灌带表面易出现鲨鱼皮、光泽不均等质量问题。
2.2生产工艺对滴灌带纵向拉伸强度的影响
在选定原料及配方条件下,滴灌带纵向拉伸强度的影响主要体现在挤出机温度和冷却速度两方面。
2.2.1挤出温度对纵向拉伸强度的影响
挤出温度低则物料塑化不良,在产品中容易形成缺陷而影响纵向拉伸强度,随着温度的升高,产品纵向拉伸强度随着提高,原因是温度升高有利于聚乙烯组分的充分混合,提高体系的塑化度,从而使体系力学性能提高;当温度升高到一定程度后其纵向拉伸强度趋于一个定值,而温度继续升高,其纵向拉伸强度反而下降,因为过高的温度会导致物料的降解,从而其拉伸强度有所下降。
如表2所示,随着挤出温度的升高,其最大拉伸负荷及最大拉伸强度呈现先增后降的趋势。
2.2.2冷却速度对纵向拉伸强度的影响
如图1所示,为规格φ16×e0.18mm的滴灌带在生产速度为110m/min时不同冷却水温度下的纵向拉伸性能。
由图1-a)可见,当冷却水温度在20 ℃以下时,滴灌带纵向拉伸强度有缓慢增大的趋势,分析是因为在较快的生产速度下,挤出物料呈现高度的纵向拉伸取向,而在较低的冷却水中聚乙烯形成的球晶小而多,结晶程度较低,故而其纵向拉伸强度不高;随着温度的升高聚乙烯球晶可以充分生长,可以达到适宜的结晶度,从而使其有所升高;而超过20 ℃时明显下降,从而滴灌带纵向拉伸强度明显降低,而横向拉伸会不断提高,从图1-b)也可看出,随着冷却水温的升高其断裂伸长率随之升高,说明冷却水温的升高降低了挤出物料的取向度。
因此,当冷却水温在20 ℃附近时滴灌带纵向拉伸强度及断裂伸长率最为适合。
2.3生产工艺对滴灌带耐环境应力开裂性能的影响
实验及应用表明,聚乙烯是对环境应力开裂极为敏感的材料,然而滴灌带主要原料便是聚乙烯。
当滴灌带在长期承受内压和环境因素影响情况下发生的应力开裂现象,将直接影响着滴灌带的使用寿命和性能。
无论聚乙烯本身还是滴灌带生产过程中引起的任何变化,都会通过滴灌带耐环境应力开裂性能的改变反映出来。
而国标GB/T19812〔1〕.3-2008对薄壁滴灌带的耐环境应力开裂性能没有规定,经应用证明应力开裂性能也是影响滴灌带使用寿命的一项重要指标,若按滴灌管规定的检验方法和结果评定,是很难确定此性能是否合格,所以必须重视滴灌带应力开裂性能的改进。
经反复试验确定一定比例的高压、低压聚乙烯的混合料性能可满足滴灌带耐环境应力开裂性能,但因外界因素的应力作用,如成型过程中因热骤变在聚乙烯晶态和非晶态的边缘产生内应力,以及在使用过程中受到的应力作用,都会使球晶面
及径向引起开裂。
另外因某些环境介质的作用,如热、氧、溶剂及表面活性剂等物质的作用,降低了聚乙烯表面能量,从而使制品出现开裂现象。
滴灌带在挤出成型过程中,挤出机温度过高,聚乙烯易受破坏,所以产品耐环境应力开裂性能就会变差。
滴灌带成型时,冷却速度将影响到聚乙烯的结晶状态,所以应严格控制。
当冷却速度适中时,可使滴灌带内壁生成结晶度高的聚集态,对滴灌带其它性能及耐环境应力开裂性能均有利。
当然,在滴灌带生产中,牵引速度应与挤出速度相协调。
表3为其他工艺相同时不同冷却水温下生产的滴灌带耐环境应力开裂实验结果,由表3可见,滴灌带耐环境应力开裂性能随冷却水温的升高而提高。
注:表中“-”表示试样在2月内均无出现开裂现象。
2.4生产工艺对滴灌带耐静水压性能的影响
凡影响滴灌带表观质量和可能造成滴灌带内部缺陷的因素都会影响滴灌带耐静水压性能。
过高的加工温度会导致较高的取向度,虽在一定程度上提高了其纵向拉伸强度,同时也降低了其耐静水压性能。
如图2所示为冷却水温度对滴灌带耐静水静压性能的影响,在相同的加工温度下,随着冷却速度的加快,其耐静水压性能随之下降,因为滴灌带在挤出成型中
被高度轴向拉伸取向,而较高的冷却速度则使高度取向的大分子链段尚未来得及回缩便已冷却定型,高度的轴向取向度定会降低环向的强度,从而降低了耐静水压性能。
3结论
3.1薄壁滴灌带的生产应针对不同的生产设备、原料配方、产品规格,试验确定最佳工艺。
3.2当生产速度控制在110m/min时,对其他工艺设定一般要求为:挤出机料筒温度控制在200～255 ℃, 模具温度控制在220～280 ℃,冷却温度控制在20～25 ℃, 冷却水环各部位应保持出水量均匀。
3.3在3.2要求的工艺条件下:可有效确保薄壁滴灌带表观质量;使滴灌带纵向拉伸强度提高20%左右;断裂伸长率、耐静水压性能达最佳值,达到GB/T19812〔1〕.3-2008标准要求;使滴灌带耐环境应力开裂性能优良。
参考文献
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