一种高强度MPP电缆保护管及其制备方法与流程

本发明涉及改性聚丙烯管材及电力电缆保护管，具体涉及一种兼具较高管体强度、热熔接头等强性和长期连接可靠性的高强度mpp电缆保护管及其制备方法。

背景技术：

1、改性聚丙烯电缆保护管具有质量轻、耐化学腐蚀、绝缘性能良好、耐热性较高、施工方便以及能够进行热熔连接等特点，适用于道路、铁路、建筑物、河床和地下综合管廊等区域的电缆敷设。

2、在非开挖施工过程中，mpp电缆保护管需要承受轴向牵引、弯曲、扭转、砂石刮擦、土体挤压以及局部冲击等复合载荷。为提高管材的轴向拉伸强度、环刚度及抗压能力，现有技术通常在聚丙烯基体中加入短切玻璃纤维、短切玄武岩纤维、针状硅灰石、镁盐晶须等增强相，并加入成核剂提高聚丙烯的结晶速率和结晶度。

3、然而，增强相和成核剂在提高管体强度的同时，会对管材的热熔连接性能产生不利影响。无机增强相不能跨越热熔界面进行分子扩散，并可能在热熔挤压过程中富集于熔合面附近，从而减少参与界面互扩散的聚丙烯分子链数量。成核剂会加快熔融界面的冷却结晶，缩短聚丙烯链段处于可运动和可扩散状态的时间。

4、随着增强相和成核剂含量增加，热熔界面中的聚丙烯分子链互扩散、相互缠结和再结晶程度下降，容易形成管体强度较高而热熔接头强度明显偏低的现象。热熔接头因而成为非开挖牵引、长期土压力和电缆热循环条件下的薄弱区域。

5、若单纯降低整根管材中的增强相和成核剂含量，虽然能够改善热熔连接性能，却会降低管材的轴向拉伸强度、环刚度和抗牵引性能。若仅通过增加管端壁厚、设置变径段或安装独立连接套筒提高管端承载面积，则不能从材料层面提高热熔界面的分子链扩散程度，还可能在变径根部、机械套接面或不同材料交界处产生新的应力集中。

6、另一种可能的方案是在增强管体端部设置低增强含量的热熔连接区域。但是，如果增强区域与低增强连接区域之间采用组分突变方式连接，两者在弹性模量、结晶度、结晶收缩率及热膨胀系数方面仍存在明显差异，在长期温度变化和持续载荷条件下容易从组分突变界面产生微裂纹。

7、此外，两种不同配方的聚丙烯熔体在普通挤出系统中进行切换时，容易因熔体黏度不同、流道滞留和挤出背压变化而产生组分拖尾，使实际形成的轴向过渡区域偏离设定长度。若挤出机输出量、计量泵转速及模头压力之间缺少联动控制，还会引起管径、壁厚、过渡段长度和组分梯度重复性下降。

8、对于采用不同冷却条件形成的各轴向管段而言，生产过程中的瞬时冷却速率难以仅根据成品外观进行判断。因此，若仅采用冷却介质温度、冷却介质流量或者平均冷却速率等过程参数限定不同管段，可能不利于成品质量检验和产品结构识别。

9、聚丙烯管材的冷却历史会直接影响其结晶程度。通过对热熔连接区实施相对较强的冷却，可以抑制该区域在挤出后的进一步结晶，使热熔连接段形成比增强承载段更低的初始结晶度。因此，可以将不同管段之间的结晶度差作为分区冷却产生的直接产品结果。

10、所述结晶度差能够通过从最终管材的增强承载段和热熔连接段分别取样，并采用差示扫描量热法测定其熔融焓而客观获得，不需要获知或者反向推定管材生产过程中的冷却介质流量、冷却介质温度或瞬时冷却速度。

11、因此，需要提供一种新的高强度mpp电缆保护管，使增强相和成核剂主要分布于承担机械载荷的增强承载段，使管端热熔连接段具有较低的增强相和成核剂含量以及较多的可扩散聚丙烯链段，并在增强承载段与热熔连接段之间形成连续的组分和结晶度梯度，从而兼顾管体强度、接头等强性及长期连接可靠性。

12、同时，还需要提供一种能够稳定形成上述轴向连续梯度结构的制备方法，使两种熔体在连续挤出过程中按照预定比例稳定切换，并通过计量泵、挤出机及模头压力之间的闭环控制降低熔体总流量和压力波动。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高强度mpp电缆保护管及其制备方法，以解决在加入增强相和成核剂提高mpp管体强度时，增强相和成核组分阻碍热熔界面聚丙烯分子链互扩散，造成热熔接头强度低于增强管体强度的问题。

2、本发明的另一目的在于通过沿管材轴向连续一体形成的梯度过渡段，降低增强承载段与热熔连接段之间的增强相含量、成核剂含量、弹性模量、结晶度和热收缩率突变，提高热熔接头的初始等强性和热老化可靠性。

3、本发明的再一目的在于提供一种可调配比熔体分配器及其闭环控制方法，使增强mpp熔体与可熔接mpp熔体在连续挤出过程中实现稳定的比例切换，并将进入环形挤出模头的熔体总质量流量波动和模头入口压力波动控制在预定范围内。

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高强度mpp电缆保护管，包括沿轴向连续一体成型的增强承载段、位于所述增强承载段两端的热熔连接段以及分别位于所述增强承载段与热熔连接段之间的梯度过渡段，各段均贯穿管壁厚度；所述增强承载段由增强mpp组合物形成，所述增强mpp组合物按100重量份聚丙烯基体计包括8～25重量份增强相、0.05～0.30重量份成核剂、2～10重量份聚烯烃弹性体和0.3～2重量份相容剂；所述热熔连接段由可熔接mpp组合物形成，所述可熔接mpp组合物按100重量份聚丙烯基体计包括不高于2重量份增强相、不高于0.02重量份成核剂和10～35重量份丙烯-乙烯无规共聚物；所述增强mpp组合物与可熔接mpp组合物分别含有相同牌号的丙烯均聚物和丙烯-乙烯嵌段共聚物，在230℃、2.16kg载荷下，可熔接mpp组合物与增强mpp组合物的熔体质量流动速率之比为0.65～1.35；所述梯度过渡段中增强相和成核剂的含量沿朝向热熔连接段的方向连续降低，丙烯-乙烯无规共聚物的含量连续升高。

5、优选地，所述增强相选自短切玻璃纤维、短切玄武岩纤维、针状硅灰石和镁盐晶须中的一种或两种以上，所述增强相的平均长度为0.15～2.50mm、长径比为8～60；所述增强相经硅烷偶联剂和马来酸酐接枝聚丙烯进行表面处理，所述马来酸酐接枝聚丙烯包覆层的质量为增强相质量的0.5%～3.0%。

6、优选地，所述增强mpp组合物和可熔接mpp组合物中的聚丙烯基体均由40～70重量份丙烯均聚物和30～60重量份丙烯-乙烯嵌段共聚物组成，二者合计为100重量份；所述丙烯均聚物的等规指数不低于95%，所述丙烯-乙烯嵌段共聚物中的乙烯质量含量为5%～15%；所述成核剂为取代芳基磷酸盐类α晶型成核剂，所述聚烯烃弹性体选自乙烯-辛烯共聚物和烯烃嵌段共聚物中的一种或两种。

7、优选地，所述丙烯-乙烯无规共聚物中的乙烯质量含量为1.5%～4.5%，熔融峰温度为135～150℃，在230℃、2.16kg载荷下的熔体质量流动速率为0.3～2.0g/10min；每一热熔连接段的轴向长度为所述高强度mpp电缆保护管公称外径d的0.3～1.2倍且不小于50mm，每一梯度过渡段的轴向长度为所述公称外径d的0.1～0.5倍。

8、优选地，按照差示扫描量热法分别检测所述增强承载段、梯度过渡段和热熔连接段时，所述热熔连接段的结晶度比增强承载段的结晶度低5～15个百分点，所述梯度过渡段的结晶度沿朝向热熔连接段的方向连续降低；所述热熔连接段与增强承载段的熔融峰温度之差不超过12℃。

9、优选地，两个相同规格的所述高强度mpp电缆保护管通过各自的热熔连接段进行热熔对接后，热熔接头的轴向拉伸强度不低于增强承载段轴向拉伸强度的90%，拉伸破坏位置位于热熔熔合面之外；所述热熔接头在80℃空气环境中老化1000h后，其轴向拉伸强度保持率不低于85%，且老化后的热熔接头轴向拉伸强度不低于老化后增强承载段轴向拉伸强度的85%。

10、优选地，一种高强度mpp电缆保护管的制备方法，包括以下步骤：

11、s1、分别配制增强mpp物料和可熔接mpp物料，所述增强mpp物料按100重量份聚丙烯基体计包括8～25重量份增强相、0.05～0.30重量份成核剂、2～10重量份聚烯烃弹性体和0.3～2重量份相容剂，所述可熔接mpp物料按100重量份所述聚丙烯基体计包括不高于2重量份增强相、不高于0.02重量份成核剂和10～35重量份丙烯-乙烯无规共聚物；

12、s2、将所述增强mpp物料和可熔接mpp物料分别送入第一挤出机和第二挤出机进行塑化，获得增强mpp熔体a和可熔接mpp熔体b，并将所述增强mpp熔体a和可熔接mpp熔体b送入可调配比熔体分配器；所述可调配比熔体分配器包括分别输送增强mpp熔体a和可熔接mpp熔体b的第一计量流道和第二计量流道、分别设置于第一计量流道和第二计量流道上的第一伺服计量泵和第二伺服计量泵、与两个计量流道连通的汇流腔以及设置于汇流腔下游的静态混合流道，所述静态混合流道与环形挤出模头连通；

13、s3、在连续挤出过程中，通过第一伺服计量泵和第二伺服计量泵控制增强mpp熔体a与可熔接mpp熔体b的质量流量比例，使可调配比熔体分配器依次输出增强mpp熔体a、两种熔体比例连续变化的混合熔体、可熔接mpp熔体b以及两种熔体比例反向连续变化的混合熔体，以使连续管坯沿轴向周期性形成增强承载区、梯度过渡区和热熔连接区；

14、s4、连续管坯中每一完整热熔连接区的轴向长度为成品管材单端热熔连接段长度的2倍；在该完整热熔连接区的轴向中点切割后，分别形成相邻两根管材的一个热熔连接端，对所述连续管坯进行定径、分区冷却和牵引，并以相邻两个热熔连接区的轴向中点之间作为一个切割单元进行切割，获得两端均具有热熔连接段的高强度mpp电缆保护管。

15、优选地，所述可调配比熔体分配器还包括分配器壳体、设置于第一计量流道入口的第一熔体压力传感器、设置于第二计量流道入口的第二熔体压力传感器以及设置于环形挤出模头入口的模头压力传感器；所述第一计量流道和第二计量流道的出口沿周向交替连通于环形汇流腔，所述静态混合流道内设置有2～6级分流叠合式混合单元；以所述静态混合流道出口处的熔体总体积流量为q，第一计量流道出口至静态混合流道出口之间的内部容积为v，v/q为0.5～3.0s，以减少熔体配比切换过程中的轴向拖尾。

16、优选地，所述第一伺服计量泵、第二伺服计量泵、第一挤出机和第二挤出机与控制器连接，所述控制器根据预设的可熔接mpp熔体b质量流量占比曲线r(t)、熔体总质量流量设定值以及环形挤出模头入口压力设定值执行比例控制、总流量控制和供料压力控制；其中，比例控制根据可熔接mpp熔体b的实际质量流量与两种熔体实际总质量流量之比调节第一伺服计量泵和第二伺服计量泵的转速比，总流量控制通过同步调节两个伺服计量泵的转速维持两种熔体的总质量流量，供料压力控制根据第一熔体压力传感器、第二熔体压力传感器和模头压力传感器的检测值调节第一挤出机和第二挤出机的螺杆转速，使熔体总质量流量相对于设定值的波动不超过3%，环形挤出模头入口压力相对于设定值的波动不超过5%。

17、优选地，所述控制器根据可调配比熔体分配器的熔体配比切换信号、环形挤出模头出口至分区冷却装置的距离以及连续管坯的牵引速度，确定增强承载区、梯度过渡区和热熔连接区到达分区冷却装置的时间，并分别控制对应冷却区的介质流量和介质温度；所述热熔连接区从140℃降低至100℃过程中的平均冷却速率为增强承载区平均冷却速率的1.5～3.0倍，使制得的高强度mpp电缆保护管中热熔连接段的结晶度比增强承载段的结晶度低5～15个百分点，且热熔连接段与增强承载段的熔融峰温度之差不超过12℃。

18、本发明所称连续降低或连续升高，是指在梯度过渡段沿轴向至少选取5个等距取样位置时，相邻取样位置的增强相和成核剂含量依次不增加，丙烯-乙烯无规共聚物含量依次不降低，且不存在独立的组分突变界面。

19、与现有技术相比，本发明提供了一种高强度mpp电缆保护管及其制备方法，具备以下有益效果：增强相和成核剂主要集中于增强承载段，能够保持较高的管体轴向拉伸强度和环刚度；热熔连接段中的增强相和成核剂含量较低，有利于热熔界面聚丙烯分子链的互扩散、相互缠结和再结晶。

20、增强mpp组合物与可熔接mpp组合物采用相同牌号的聚丙烯基体，并将两种组合物的熔体质量流动速率之比控制为0.65～1.35，能够减少两种熔体的流动失配及局部富集。

21、梯度过渡段使增强相、成核剂和丙烯-乙烯无规共聚物的含量沿轴向连续变化，降低增强承载段与热熔连接段之间的模量、结晶度及热收缩率突变。

22、增强承载段、梯度过渡段和热熔连接段采用连续一体挤出方式形成，不存在粘接面、机械套接面或二次成型界面，可降低独立连接结构产生的界面剥离风险。

23、可调配比熔体分配器具有较小的熔体滞留体积，并配合闭环流量和压力控制，能够减小配比切换拖尾，提高轴向梯度长度、管径和壁厚的稳定性。

24、分区冷却使热熔连接段的结晶度比增强承载段低5～15个百分点。该结晶度差是分区冷却形成的直接产品结果，可以通过最终产品的dsc测试客观测得，无须根据最终产品反推生产时的冷却介质流量、冷却温度或瞬时冷却速率。

25、热熔连接段较低的初始结晶度提高了该区域在热熔过程中的有效链段扩散能力；增强承载段较高的结晶度则有利于保持管体强度、环刚度和尺寸稳定性。

26、所形成的热熔接头初始轴向拉伸强度能够达到增强承载段轴向拉伸强度的90%以上，在80℃老化1000h后仍能够保持较高的接头强度和非熔合面破坏特征。