專利名稱：用于供水和供熱系統(tǒng)的多層塑料管的制作方法
用于供水和供熱系統(tǒng)的多層塑料管本發(fā)明涉及用于供水和供熱系統(tǒng)的多層塑料管，其屬于工業(yè)和住房中使用的設(shè)備，包括用于供水和供熱建筑及結(jié)構(gòu)、商店，等等。用聚丙烯、聚丁烯制成的管子用于熱水和冷水供應(yīng)系統(tǒng)，如規(guī)格為PN10、PN16、PN20 (政府標(biāo)準(zhǔn)P 52134-2003 “適于供水和供熱系統(tǒng)的熱塑性塑料制成的壓力管的一般技術(shù)說(shuō)明”)。它們的缺點(diǎn)是有較高的線性熱膨脹系數(shù)Ce = O. 15mm/m.T(C, gr)。熱膨脹補(bǔ)償通過(guò)系統(tǒng)中多種結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)如“Π”型、圓形或波紋管等。補(bǔ)償裝置的使用使得冷水、熱水和熱的供應(yīng)系統(tǒng)的費(fèi)用較高，增加了這些供應(yīng)工作和服務(wù)的難度，并增加了系統(tǒng)的體積和重量，使得這些系統(tǒng)不能在現(xiàn)有的居住環(huán)境或工業(yè)建筑上安裝。
另一種減少溫度膨脹的方法是降低Ce，一個(gè)選擇是加強(qiáng)管子。加強(qiáng)的聚丙烯管子的Ce主要由該加強(qiáng)材料的線性熱膨脹系數(shù)決定。對(duì)應(yīng)的加強(qiáng)材料的選擇取決于管子所需的物理機(jī)械、經(jīng)濟(jì)、美學(xué)和衛(wèi)生條件。例如，用鋁箔加強(qiáng)的塑料管用于供熱和供水系統(tǒng)。該鋁箔靠近管子表面設(shè)置，然后再涂覆塑料層，從而防止鋁箔的機(jī)械損壞，并使得產(chǎn)品的外表美觀。這種管子的線性熱膨脹系數(shù)Ce要比規(guī)格為PN10、PN16、PN20、沒(méi)有加強(qiáng)的聚丙烯管低5倍，為O. 03mm/m. T (gr)。另夕卜，鋁箔作為保護(hù)屏障，能防止氧氣從環(huán)境擴(kuò)散到所輸送的介質(zhì)中。不過(guò)，聚丙烯管的鋁加強(qiáng)層使得用該管的供水和供熱系統(tǒng)的安裝復(fù)雜。在安裝前，這些管子必須在安裝的地點(diǎn)進(jìn)行剝皮，除去鋁箔，因?yàn)榘惭b塑料的、特別是聚丙烯管和由相同材料制成的配件，需要通過(guò)熔接完成。如果在鋁箔加強(qiáng)管中，通過(guò)加深使得鋁箔層進(jìn)一步離開(kāi)表面(如，Dizayn Oxy Plus管通過(guò)這種方式完成)，然后,在安裝供水和供熱系統(tǒng)時(shí)，剝?nèi)ド蠈泳筒皇潜仨毜?，但是必須剝?nèi)ス茏幽┒说匿X。即，在所有的情況下，安裝時(shí)，必須對(duì)用鋁箔加強(qiáng)的管子進(jìn)行清除。而且，需要?jiǎng)兤さ募訌?qiáng)鋁管在生產(chǎn)過(guò)程中也需要將膠水層用于聚丙烯上，以固定管內(nèi)的鋁，從而熔接鋁箔的接縫處。這些操作也使得加強(qiáng)的聚丙烯管的生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜，從而增加了產(chǎn)品的缺陷的可能性。本發(fā)明的技術(shù)效果由管子的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其中安裝和生產(chǎn)技術(shù)，以及基于此的供水和供熱系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，并且獲得所需的物理機(jī)械參數(shù)，如機(jī)械壽命、抗氧氣擴(kuò)散能力和管子的線性熱膨脹系數(shù)。根據(jù)政府標(biāo)準(zhǔn)P 52134-2003 (DIN 8077，16968)，提供了符合標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)尺寸的聚丙烯配件。通過(guò)擠制加工型的管子獲得上述效果，該擠制加工型的管子用于供水和供熱系統(tǒng)，由三層組成，其中內(nèi)層和外層由聚丙烯構(gòu)成，而中間層由聚丙烯的組合物組成，該組合物中不少于一種添加劑，從而穩(wěn)定管子的線性熱膨脹，該組合物是纖維的形式，比例如下穩(wěn)定線性熱膨脹的添加劑的質(zhì)量百分比為15-29%，剩下的是聚丙烯；中間層的厚度占管子的厚度O. 4-0. 86。管子中間層的聚丙烯是必須的。這是因?yàn)?，一方面，其為填充?類(lèi)似于建筑混凝土中的鋼筋)，并允許纖維展開(kāi)，和中間層中的單一加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形成材料時(shí)結(jié)合纖維中的添加齊U，該層性能穩(wěn)定；另一方面，其使得管子中所有的三層間形成穩(wěn)定的結(jié)合。管子線性熱膨脹系數(shù)的重復(fù)性和穩(wěn)定性在其生產(chǎn)和應(yīng)用中是重要的。因?yàn)楣茏佑娩X箔加強(qiáng)而獲得的系數(shù)使得管子在應(yīng)用時(shí)具有滿意的特征，技術(shù)問(wèn)題必須在本發(fā)明中得到解決，和沒(méi)有用加強(qiáng)層的管子的安裝相比，本發(fā)明加強(qiáng)的聚丙烯管及其加強(qiáng)層不會(huì)使得系統(tǒng)的安裝過(guò)程復(fù)雜。但同時(shí)，以這種方式加強(qiáng)的管子的線性熱膨脹系數(shù)的值必須和用鋁箔加強(qiáng)的管子的該系數(shù)的值接近。圖I顯示的是聚丙烯管(K3)、用鋁帶加強(qiáng)的管子(Kl)和用纖維加強(qiáng)的管子(K2)的線性膨脹曲線。具體型號(hào)的添加劑的選擇取決于其線性熱膨脹系數(shù)，因?yàn)槠錄Q定了管子中間層的Ce，并最終決定管子的Ce。除了目前的已知物質(zhì)，熱膨脹系數(shù)Ce最低的有玻璃纖維(Ce =O. 003mm/m. T (C, gr))和玄武巖纖維(Ce = O. 004mm/m. T (C, gr))。相應(yīng)的,用玻璃纖維或玄武巖纖維或它們的混合物作為添加劑穩(wěn)定管子和其中間層的線性熱膨脹是合適的。鑒于此，和不用添加劑的聚丙烯管子的安裝相比，中間層由該種添加劑和聚丙烯組成的管子的安裝不需要更多的步驟。用于供水和供熱系統(tǒng)的管子的尺寸由政府標(biāo)準(zhǔn)制定(政府標(biāo)準(zhǔn)Ρ52134-2003 “適于供水和供熱系統(tǒng)的熱塑性塑料制成的壓力管和它們的連接件的一般技術(shù)要求”)。尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化，包括管子的厚度，導(dǎo)致需要解決穩(wěn)定添加劑含量最優(yōu)化的問(wèn)題，以及管子中間層的厚度和其內(nèi)層、外層厚度的比例的問(wèn)題。管子的內(nèi)層和外層不必含有玻璃纖維或玄武巖纖維，理由如下對(duì)于內(nèi)層，需要提供必要的衛(wèi)生安全(玻璃纖維或玄武巖纖維用供應(yīng)的水浸潰除外)、化學(xué)穩(wěn)定性、抗撕裂，其必須確保供熱和供水系統(tǒng)指定的使用壽命。例如，根據(jù)政府標(biāo)準(zhǔn)P 52134-2003，在溫度20°C、PN對(duì)應(yīng)的壓力的情況下，管子的壽命是50年；以及對(duì)于外層，要確保不會(huì)破壞中間層，并能提供足夠的韌性熔接聚丙烯管和聚丙烯配件。圖2顯示的是用纖維加強(qiáng)的用于供水和供熱系統(tǒng)的管子的三層剖面圖，圖中I-管子；2-管子內(nèi)層；3-管子中間層；4-管子外層。管子的各種參數(shù)定義如下Λ X-管壁的厚度；α-管I的內(nèi)徑
β -管I的直徑(或DN)Y-內(nèi)層2的厚度δ-中間層3的厚度ε -外層4的厚度從對(duì)管子勻稱和重復(fù)性的要求來(lái)看，特別是不同管徑的線性膨脹，其符合δ / ( y + ε ) = const = K根據(jù)政府標(biāo)準(zhǔn)P 52134-2003 :β /ΔΧ = SDR，對(duì)于 PN 25，SDR = 5 ；PN20, SDR = 6 ；PN10, SDR = 7. 4，等等。
定義Λ X = δ + y + ε ,BP δ == ΔΧ X Κ/(1+Κ) = β /SDR χ Κ/(1+Κ) = DN/SDR χ Κ/(1+Κ)下面定義內(nèi)層Y厚度的限制條件。根據(jù)可得到的聚丙烯的測(cè)試數(shù)據(jù)，水和沙子的混合物對(duì)聚丙烯的磨損在1000個(gè)測(cè)試周期中小于O. 2mm。而且,在50年內(nèi)，脫落物質(zhì)的磨損不能超過(guò)O. 5mm。管子橢圓度的誤差可以是0.5mm。內(nèi)層得到的最小的厚度是O. 9mm。接受內(nèi)層為Imm是得當(dāng)?shù)摹Ｔ摵穸冗m于不同直徑和PN的管子?，F(xiàn)在定義厚度ε的限制條件。以DN20、ΡΝ20的管子作為一具體實(shí)例。 對(duì)于DN20、PN20的管子，管壁總厚度為3. 4+0. 6mm。配件內(nèi)徑Dl為19mm。相應(yīng)的，外層的厚度必須不小于O. 5mm。根據(jù)政府標(biāo)準(zhǔn)52134-2003，管子DN20的最大直徑為20. 3mm。其表明，外層的厚度必須不小于O. 65mm?？紤]到配件和管子的軸對(duì)準(zhǔn)誤差值(接近3度)，有必要要求外層的厚度誤差達(dá)到O. 5mm(管座熔接帶的長(zhǎng)度乘以sin3° )。考慮到上述所說(shuō)，DN20、PN20的管子的外層的最小厚度為I. 15mm。采用這種方法，我們將管子的外層厚度定義為20mm至160mm之間(表2的政府標(biāo)準(zhǔn)P 52134和表3的“管子末端和配件承口的尺寸”)。中間層的最大厚度為ε = O. 28x DN+0. 6, Y = I ；δ = ΔΧ-(0. 028χ DN+0. 6-1 = ΔΧ-0. 028χ DN-1. 6 =DN/SDR-0. 028χ DN-1. 6 = DN(1/SDR_0. 028)-I. 6因此，常數(shù)δ/(Υ+ε) =Const = K，穩(wěn)定的玻璃纖維含量百分比是有效的δ = ΔΧ χ K/(l+K) = β /SDR χ Κ/(1+Κ) = DN/SDR χ Κ/(1+Κ)。用中間層最大厚度得到方程式δ = DN (1/SDR-0. 28) -I. 6 或(δ +1. 6) / Λ X = 1-0. 028xSDR,變量 δ / ( γ + ε )和玻璃纖維、玄武巖纖維或它們的混合物的含量的變化是有效的。定義δ/ΛΧ的范圍。對(duì)于SDR = 5，是最吸引消費(fèi)者的，δ/ΛΧ = 0.4，SDR = 0，貝丨J δ/ΛΧ = O. 86 ; δ/ΛΧ的范圍為O. 4-0. 86。SDR =7. 4和更大時(shí)，δ/ΛΧ的范圍如上所述。通過(guò)擠壓制成型的方法制成的管子中的加強(qiáng)纖維和聚丙烯的比例取決于多種因素。該比例有上限，因?yàn)榛旌衔锉仨毻ㄟ^(guò)擠壓機(jī)。另一方面，混合物的量必須具有所需的線性熱膨脹系數(shù)值。圖3和4顯示的是管子的線性熱膨脹系數(shù)的曲線，其中中間層含有聚丙烯和纖維的混合物，纖維可以是玄武巖或玻璃纖維，δ /ΛΧ = O. 5。圖4中的相關(guān)性分析顯示，功能曲線上反映的第二衍生物標(biāo)志的改變發(fā)生在對(duì)應(yīng)混合物中玻璃纖維的含量約為20%的點(diǎn)。進(jìn)一步降低線性膨脹系數(shù)受制于大量的玻璃纖維含量。同時(shí)，由于這些層中聚丙烯分子的結(jié)合，中間層、內(nèi)層和外層之間的結(jié)合可能僅僅是技術(shù)性的。這種結(jié)合的壽命和中間層表面S上的聚丙烯的表面呈比例S = Sl-k χ S2，其中SI是中間層和外層或內(nèi)層的結(jié)合表面，
S2是結(jié)合面上玻璃纖維的表面，K是中間層和外層或內(nèi)層的結(jié)合壽命系數(shù)，即中間層的聚丙烯和其它層的聚丙烯的結(jié)合壽命。為了獲得這種情況下這些層之間結(jié)合的最大壽命，解決這個(gè)問(wèn)題的方法必須確保滿足下述條件全部管子的壽命必須能保持在最長(zhǎng)的水平，也就是說(shuō)，有必要考慮中間層中含量為15-30%的玻璃纖維，即圖4中顯示第二衍生物附近的點(diǎn)顯示值為零。玻璃纖維的含量為這些值(15-27% )時(shí)，有可能獲得線性熱膨脹系數(shù)的范圍為O. 03-0. 05mm/mT(gr. C)。類(lèi)似的，圖3中相關(guān)性分析顯示，功能曲線上反映的第二衍生物標(biāo)志的改變發(fā)生在對(duì)應(yīng)混合物中玄武巖纖維的含量約為23%的點(diǎn)。玄武巖纖維的含量為16% -29%時(shí)，線性熱膨脹系數(shù)的范圍為O. 03-0. 05mm/mT(gr. C)。 相應(yīng)的，一方面，可以通過(guò)改變中間層中穩(wěn)定添加劑的含量百分比獲得三層管子所需的線性熱膨脹系數(shù)；另一方面，也可以通過(guò)改變管子中間層(完全由聚丙烯和添加劑制成)和管子外層和內(nèi)存的厚度比獲得三層管子所需的線性熱膨脹系數(shù)。通過(guò)調(diào)換圖4中坐標(biāo)軸δ /ΛΧ和中間層中穩(wěn)定線性熱膨脹的添加劑的百分比含量，獲得層厚和玻璃纖維含量的變化與線管子性熱膨脹系數(shù)的關(guān)系曲線圖5(玻璃纖維作為穩(wěn)定管子線性熱膨脹系數(shù)的添加劑)和圖6 (玄武巖纖維作為穩(wěn)定管子線性熱膨脹系數(shù)的添加劑)。從圖5和圖6擬等勢(shì)曲線可知，管子線性熱膨脹系數(shù)區(qū)域在所需的范圍Ce =
O.03-0. 05mm/mxK(gr)內(nèi)，并通過(guò)數(shù)值范圍為O. 4-0. 86的δ / Δ X、中間層中穩(wěn)定管子熱膨脹系數(shù)的添加劑玻璃纖維的質(zhì)量百分比范圍為13% -30%和添加劑玄武巖纖維的質(zhì)量百分比范圍15%-33%進(jìn)行限制(如上所述)。因此，排除極限值，如SDR = 0，優(yōu)選考慮范圍內(nèi)的數(shù)值，可以認(rèn)為玻璃纖維能用作穩(wěn)定添加劑，在中間層中優(yōu)選的質(zhì)量百分比范圍為15-27%，剩下的為聚丙烯。對(duì)于玄武巖纖維，在中間層中優(yōu)選的質(zhì)量百分比范圍為18-29%，剩下的為聚丙烯。將玄武巖纖維和玻璃纖維的混合物用作穩(wěn)定添加劑時(shí)，在中間層中優(yōu)選的質(zhì)量百分比范圍為15-29%，剩下的為聚丙細(xì)。為了擴(kuò)展供水和供熱系統(tǒng)的運(yùn)用范圍，其以防止氧氣從外圍環(huán)境擴(kuò)散到聚丙烯管子內(nèi)的聚丙烯管為基礎(chǔ)進(jìn)行安裝，這些管子用含有不少于一層的防擴(kuò)散層的物理機(jī)械性能改性的聚丙烯制成，如通過(guò)PP-R聚丙烯和乙烯-乙烯醇的相互作用進(jìn)行改性。用于供水和供熱系統(tǒng)的聚丙烯是PP-R(3型)，即丙烯和乙烯的無(wú)規(guī)、共混共聚物。當(dāng)處理管子的聚丙烯層表面，或以纖維方式穩(wěn)定管子線性膨脹的添加劑和聚丙烯的混合物組成的層、并用于擠壓獲得管子的任何層或加熱狀態(tài)時(shí)，乙烯-乙烯醇和聚丙烯(PP-R)中的聚乙烯反應(yīng)。由此，一層的密度超過(guò)了聚丙烯的密度，晶格中原子的間距也小于丙烯中的原子間距。由于這些性能，管子中任一層的表面形成的阻擋層防止了氧氣的擴(kuò)散。
權(quán)利要求
1.一種用于供水和供熱系統(tǒng)的多層塑料管，其通過(guò)擠壓制成，不少于三層，其中的一層由聚丙烯和不少于一種的纖維形式的穩(wěn)定線性熱膨脹的添加劑組成的混合物制成，該添加劑的質(zhì)量百分比為15-29%，剩下的是丙烯，相應(yīng)的另外兩層，即由聚丙烯制成的內(nèi)層和外層和由聚丙烯和至少一種穩(wěn)定線性熱膨脹的添加劑組成混合物制成的一層的厚度，及外層(ε)、中間層(δ )和內(nèi)層(y)的厚度比例δ /(γ+ ε )的范圍為O. 4_0. 86。
2.權(quán)利要求I所述的用于供水和供熱系統(tǒng)的多層塑料管，其中由聚丙烯制成的內(nèi)層和外層和由聚丙烯和一種穩(wěn)定線性熱膨脹的添加劑組成混合物制成的一層中使用一種添加齊U，該添加劑選自玻璃纖維，其質(zhì)量百分比為15-27%，剩下的是聚丙烯。
3.權(quán)利要求I所述的用于供水和供熱系統(tǒng)的多層塑料管，其中由聚丙烯制成的內(nèi)層和外層和由聚丙烯和一種穩(wěn)定線性熱膨脹的添加劑組成混合物制成的一層中使用一種添加齊U，該添加劑選自玄武巖纖維，其質(zhì)量百分比為18-29%，剩下的是聚丙烯。
4.權(quán)利要求I所述的用于供水和供熱系統(tǒng)的多層塑料管，其中由聚丙烯制成的內(nèi)層和外層和由聚丙烯和一種穩(wěn)定線性熱膨脹的添加劑組成混合物制成的一層中使用兩種添加齊U，該兩種添加劑選自玻璃纖維和玄武巖纖維，其合并的質(zhì)量百分比為15-29%，剩下的是聚丙烯。
5.權(quán)利要求I所述的用于供水和供熱系統(tǒng)的多層塑料管，其中進(jìn)一步包括不少于一層的防擴(kuò)散層。
6.權(quán)利要求5所述的用于供水和供熱系統(tǒng)的多層塑料管，其中的防擴(kuò)散層通過(guò)已經(jīng)制成的層中的聚丙烯、或者是穩(wěn)定線性熱膨脹添加劑混合物制成的層中的聚丙烯與乙烯-乙烯醇的相互作用形成。
全文摘要
本發(fā)明提供用于供水和供熱系統(tǒng)的多層塑料管，該塑料管屬于工業(yè)和住房中使用的設(shè)備，包括用于供水和供熱建筑和結(jié)構(gòu)、商店，等等。本發(fā)明的技術(shù)效果由管子的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其中安裝和生產(chǎn)技術(shù)，以及基于此的供水和供熱系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，而所需的物理機(jī)械參數(shù)，如機(jī)械壽命、抗氧氣擴(kuò)散能力和管子的線性熱膨脹系數(shù)有所降低。通過(guò)引入不少于三層的管子獲取所述的技術(shù)效果，其中管子的一層由玻璃纖維或玄武巖纖維制成的穩(wěn)定管子熱膨脹系數(shù)的添加劑組成，添加劑的質(zhì)量百分比為15-29％，剩下的是聚丙烯。含有穩(wěn)定添加劑的層的厚度與由聚丙烯制成的內(nèi)層和外層總厚度的比的范圍為0.4-0.86，該比例取決于穩(wěn)定添加劑的百分比含量。用于通過(guò)擠壓制成的層的乙烯-乙烯醇和聚丙烯相互作用，該聚丙烯含有不同密度的聚丙烯形式，防止氧氣擴(kuò)散到管內(nèi)。
文檔編號(hào)F16L9/12GK102947634SQ200980159576
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者A·V·特里譜紐夫, P·V·伯格莫洛夫, A·V·伯格莫洛夫, O·V·庫(kù)左洛夫 申請(qǐng)人:奧布徹斯托夫有機(jī)化學(xué)公司