張偉嬌 ，盧鋼鋒 ，劉亮 ，靳鐵標(biāo)

（1.浙江偉星新型建材股份有限公司，浙江 臨海 317000；2.上海偉星新型建材股份有限公司，上海 201404）

0 前言

近年來，中央空調(diào)系統(tǒng)在建筑系統(tǒng)中得到大量普及，給人們營造了良好的居家及工作環(huán)境?？照{(diào)系統(tǒng)一般是由冷/熱源機組、輸送管路、終端設(shè)備3大部分組成，管路將風(fēng)機盤管連接到支管，支管連接主管，主管連接到動力站。

傳統(tǒng)的水媒空調(diào)管路使用的是鍍鋅鋼管或銅管，金屬管外做防腐和保溫處理。使用中，鍍鋅鋼管出現(xiàn)了大量的問題，主要表現(xiàn)為：由于電化學(xué)、氧化腐蝕作用，鍍鋅鋼管在較短的時間里腐蝕，“跑、冒、滴、漏”嚴(yán)重。管道因腐蝕、結(jié)垢容易造成支管堵塞，使空調(diào)的運行效率大大降低。由于以上2個原因，很多空調(diào)公司已開始采用新型塑料管道，如鋁塑復(fù)合管、塑襯鋼管、PPR管、PPR塑鋁穩(wěn)態(tài)管，較好地解決了管道腐蝕性的問題[1-2]。

雖然PPR等管道解決了鋼管的腐蝕問題，但由于PPR管道的膨脹系數(shù)較大，管道安裝時需設(shè)置密集支架，施工較為繁瑣，市場迫切需要開發(fā)一種高剛性、低膨脹的管道產(chǎn)品對現(xiàn)有的管網(wǎng)進(jìn)行升級換代。

1 預(yù)制保溫MF-PPR管材的制備

1.1 主要原料

無規(guī)共聚聚丙烯（PPR）：利安德巴賽爾HOSTALEN PP H5416；纖維增強PPR材料：偉星自制；聚氨酯：亨斯邁聚氨酯（中國）有限公司；高密度聚乙烯（HDPE）：北歐Borealis HE3490LS。

1.2 工藝流程

預(yù)制保溫MF-PPR復(fù)合管采用一步法連續(xù)發(fā)泡技術(shù)，主要分為MF-PPR復(fù)合管的擠出和在線發(fā)泡2個步驟。先將纖維增強PPR材料進(jìn)行干燥處理（80℃，4 h），接著將PPR、纖維增強PPR材料分別通過各自單螺桿擠出機熔融，經(jīng)3層共擠模頭成型MF-PPR復(fù)合管。MF-PPR復(fù)合管經(jīng)冷卻定徑后，在線進(jìn)行聚氨酯的澆注發(fā)泡，再在發(fā)泡層外擠出包覆HDPE外護層，管材經(jīng)冷卻、定長切割即為成品。具體工藝流程見圖1。

圖1 預(yù)制保溫MF-PPR管材的生產(chǎn)工藝流程

1.3 結(jié)構(gòu)與性能

根據(jù)中央空調(diào)系統(tǒng)對管網(wǎng)的性能要求，對傳統(tǒng)PPR管道進(jìn)行改性，開發(fā)了纖維增強型MF-PPR復(fù)合管，并在此基礎(chǔ)上，采用工廠預(yù)制聚氨酯（PUR）發(fā)泡技術(shù)，開發(fā)了全新的預(yù)制保溫層的MF-PPR一體化管道產(chǎn)品。該管道具有線膨脹系數(shù)小、剛性高、連接可靠、保溫性好等特點。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 預(yù)制保溫MF-PPR管的結(jié)構(gòu)

1.3.1 內(nèi)工作管

內(nèi)工作管為MF-PPR管，該管道采用3層共擠技術(shù)，在熔融態(tài)一次擠出成型，有效規(guī)避了金屬/塑料復(fù)合管常見的界面分層問題。3層結(jié)構(gòu)由外至內(nèi)依次為外層PP-R層、纖維改性聚丙烯層（功能層）和內(nèi)層PP-R層，外中內(nèi)3層壁厚比值為 2∶5∶3，已成功申請專利（ZL201320023406.2）。內(nèi)、外層采用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口PP-R原材料，確保管道內(nèi)壁光滑，同時可實現(xiàn)與管件的電、熱熔連接。纖維改性聚丙烯層是一種高性能玻璃纖維改性材料，其理化性能指標(biāo)見表1。

PPR管的軸向線膨脹系數(shù)為1.6×10-4m/（m·℃），為了有效降低管道的軸向線膨脹系數(shù)，采用玻璃纖維增強是最有效、最經(jīng)濟的手段。由于玻璃纖維的線膨脹系數(shù)低，其纖維狀的結(jié)構(gòu)在取向以后可以有效束縛樹脂的膨脹，從而很好地降低PPR的線性膨脹系數(shù)[3]。資料表明，當(dāng)基體樹脂中的玻纖長度達(dá)到0.4 mm以上時，才能顯著提高材料彎曲強度和抗沖擊強度[4]。玻璃纖維材質(zhì)較脆，在擠出過程中，極易因螺桿剪切而發(fā)生斷裂。為了保持玻纖在擠出塑化過程中保持較高的長徑比，不僅需進(jìn)行必要的偶聯(lián)處理以改善其與基體PPR樹脂的相容性，同時還須采用專用螺桿以保障玻纖不易發(fā)生剪切斷裂行為。通過光學(xué)顯微鏡觀測（見圖3），MF-PPR管中間層的玻纖長度約為0.6～0.8 mm，且較好地分散在PPR樹脂中。此外，通過DSC分析（見圖4），中間層材料的熔融峰值為154.6℃，說明纖維層不僅提高了管材的剛性，也改善了管材的耐熱性能。實測MF-PPR管材的軸向線膨脹系數(shù)為0.26×10-4m/（m·℃），為PPR管道的1/6左右。MF-PPR管材各項理化性能指標(biāo)見表2。

表1 纖維增強PPR復(fù)合材料的理化性能

圖3 顯微鏡觀察纖維的長度與分布

圖4 纖維增強PPR復(fù)合材料的DSC曲線

表2 MF-PPR管材的理化性能

1.3.2 保溫層和外護層

外護管為薄壁PE100材質(zhì)的夾克管，主要對保溫層提供有效防護。中間保溫層為硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡材料，是一種集防水、保溫、隔熱于一體的新型材料，采用無氟發(fā)泡技術(shù)，在一定狀態(tài)下發(fā)生熱反應(yīng)，產(chǎn)生閉孔率不低于95%的硬泡體化合物，是一種良好的保溫材料[5]，導(dǎo)熱系數(shù)為0.026～0.033 W/（m·K），達(dá)到中央空調(diào)系統(tǒng)中防結(jié)露的要求；另一方面，聚氨酯發(fā)泡材料的穩(wěn)定性、耐久性和效果方面具有優(yōu)異的性能。發(fā)泡采用“管中管”發(fā)泡工藝，外護管與工作管用支架支撐、對中，并采用高壓發(fā)泡機注射填充PUR發(fā)泡劑。整個發(fā)泡過程需要對內(nèi)工作管進(jìn)行表面處理，同時控制發(fā)泡溫度、填充密度和發(fā)泡時間。保溫層的性能指標(biāo)見表3。

表3 MF-PPR復(fù)合管保溫層的性能指標(biāo)

1.4 預(yù)制保溫MF-PPR復(fù)合管的規(guī)格尺寸

預(yù)制保溫MF-PPR復(fù)合管內(nèi)工作管規(guī)格尺寸執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 258—2014《纖維增強無規(guī)共聚聚丙烯復(fù)合管》，管材按尺寸分為S5、S4、S3.2、S2.5等4個系列。保溫層的厚度設(shè)計參考《高密度聚乙烯外護管聚氨酯發(fā)泡預(yù)制直埋保溫復(fù)合塑料管》城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)報批稿，同時依據(jù)GB 11790—1996《設(shè)備及管道保冷技術(shù)通則》采用防結(jié)露的方法進(jìn)行校核，確定最小保溫層厚度。根據(jù)復(fù)合管外徑，產(chǎn)品現(xiàn)有實際保溫層厚度大于理論計算最小壁厚，具體尺寸規(guī)格參考表4。

表4 預(yù)制保溫MF-PPR管的尺寸規(guī)格 mm

2 預(yù)制保溫MF-PPR復(fù)合管的優(yōu)點

（1）全新的管道預(yù)制保溫理念，提高空調(diào)系統(tǒng)運行效率

傳統(tǒng)的空調(diào)保溫工序，保溫材料通過膠水粘結(jié)在工作管上，再在保溫材料外表面纏裹8 cm左右寬專用保溫扎帶。由于人為和現(xiàn)場條件受限等原因，經(jīng)常出現(xiàn)空鼓，松動不嚴(yán)實。輸送冷氣時，保溫材料和管道之間的空氣遇冷凝結(jié)，產(chǎn)生冷凝水，造成滲漏現(xiàn)象。另一方面，保溫材料厚度的選用不當(dāng)或偷工減料，也使得管道的保溫效果大打折扣，許多工程2～3年就需要進(jìn)行維護[6]。管道工廠預(yù)制保溫解決了現(xiàn)場保溫出現(xiàn)的人為因素的影響，現(xiàn)場安裝更加方便快捷，縮短了工期。采用工廠預(yù)制保溫的復(fù)合管，保溫層厚度嚴(yán)格按照空調(diào)水防結(jié)露的要求，從設(shè)計源頭上杜絕了結(jié)露。外護套管對內(nèi)工作管有一定的防護作用，耐候、抗老化，延長了整個管道系統(tǒng)的使用壽命。

（2）無腐蝕，免維護，使用壽命長

全新的預(yù)制保溫層MF-PPR一體化管道，內(nèi)工作管采用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口PP-R原材料，徹底解決了傳統(tǒng)鋼管的腐蝕問題，確保管道內(nèi)壁光滑，不易結(jié)垢，不會因管道腐蝕造成系統(tǒng)堵塞，屬于免維護的中央空調(diào)系統(tǒng)。

（3）軸向線膨脹系數(shù)低

纖維增強無規(guī)共聚聚丙烯復(fù)合管（MF-PPR）的軸向線性膨脹系數(shù)為0.26×10-4m/（m·℃），約為PP-R管的1/6，略大于鍍鋅鋼管的0.12×10-4m/（m·℃），可按照空調(diào)系統(tǒng)傳統(tǒng)鋼管進(jìn)行安裝連接。圖5為不同管材的軸向線膨脹系數(shù)對比。

（4）管材的剛性好

工作中間層纖維增強PPR彎曲模量大于2100 MPa，較普通的PPR彎曲模量提高了120%。允許更大的定位跨度，節(jié)省空間和材料成本。尺寸穩(wěn)定性好，安裝時平直美觀，既適于用作室內(nèi)水平管，也適用于立管安裝。

圖5 不同管材的軸向線膨脹系數(shù)對比

（5）更加安全可靠

內(nèi)工作管MF-PPR復(fù)合管的耐壓強度較傳統(tǒng)的PPR管道提高25%以上，有效地提高了運行期間管路系統(tǒng)的安全性。

（6）連接更加靈活

相比金屬管和襯塑鋼管，連接更加靈活，水平支管可選用熱熔承插連接（見圖6），方便可靠；立管段可采用電熔管件進(jìn)行連接（見圖7），在局促的操作空間仍然可以保證焊接過程便捷牢靠，且安裝工作強度低。

圖6 管材熱熔承插連接

圖7 管材電熔連接

3 預(yù)制保溫MF-PPR管道的選用與安裝

3.1 管道的選用

ISO 10508—2006《冷熱水裝置用塑料管道系統(tǒng)分類和設(shè)計指南》中將塑料管道分為5個使用級別，空調(diào)系統(tǒng)冷水管供回水溫度一般為7～12℃，熱水供回水溫度一般為60～50℃，屬于使用級別4的范疇。預(yù)制保溫MF-PPR復(fù)合管按照內(nèi)工作管MF-PPR復(fù)合管的規(guī)格進(jìn)行選用，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 258—2014使用條件級別4對應(yīng)的設(shè)計應(yīng)力和空調(diào)管道的設(shè)計壓力，便可計算出應(yīng)選用的管系列和規(guī)格。

3.2 管道的安裝要點

（1）直管道連接：預(yù)制保溫MF-PPR復(fù)合管連接時，需采用專用工具將端部保溫層去掉，內(nèi)管裸露的長度大于承插深度的規(guī)定值，接著按照施工技術(shù)規(guī)范CECS337：2013《建筑給水纖維增強無規(guī)共聚聚丙烯復(fù)合管道工程技術(shù)規(guī)程》的要求進(jìn)行內(nèi)工作管的熱熔、電熔連接。

（2）接頭保溫：管道接頭處的保溫需在安裝現(xiàn)場進(jìn)行，施工質(zhì)量好壞直接影響使用壽命，必須引起足夠重視。保溫管現(xiàn)場接頭保溫須在試壓合格后方可進(jìn)行，保溫層有現(xiàn)場發(fā)泡施工和保溫瓦施工2種方法。保護層的做法有多種：電熔套筒、電熱熔帶、專用管套等，但都必須保證接頭的整體性、嚴(yán)密性、防水性。

（3）管道安裝：采用預(yù)制保溫MF-PPR管道進(jìn)行空調(diào)管道安裝時，可以不考慮管道的熱脹冷縮，只需在穿越樓板時，采取必要的固定措施即可。比較合理的方案應(yīng)為：對整根管道用固定支架進(jìn)行合理分割，利用自由臂補償?shù)姆椒ń鉀Q，既方便、經(jīng)濟，又安全可靠。

4 結(jié)語

MF-PPR管是PPR管道的升級產(chǎn)品，與傳統(tǒng)PPR管材相比具有剛性高、線膨脹小、耐熱、耐壓、使用壽命長、免維護等優(yōu)點，完全滿足中央空調(diào)管網(wǎng)的使用要求，已為越來越多的設(shè)計師、用戶和施工單位所接受。在MF-PPR管道的基礎(chǔ)上，采用工廠預(yù)制發(fā)泡工藝生產(chǎn)的預(yù)制保溫MF-PPR管道，具有保溫性能好、施工便捷等優(yōu)點，可克服工地現(xiàn)場制作保溫層這一傳統(tǒng)保溫措施的弊端，值得大力推廣。

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