高光洁聚烯烃塑料管材生产技术研究探讨

郑建旭，毛福望，陈浩，夏勇(河南聚塑管道科技股份有限公司，河南 漯河 462000)



高光洁聚烯烃塑料管材生产技术研究探讨

郑建旭，毛福望，陈浩，夏勇
(河南聚塑管道科技股份有限公司，河南 漯河 462000)

摘要：通过对聚烯烃塑料管材挤出技术的分析研究，针对实际生产中出现的质量问题，从配方、模具和模具处理时出现的问题等方面分析了“氟”处理技术，提出了改进意见并进行了可行性分析，能够把“氟”处理技术运用到聚烯烃管材模具中，实现了挤出技术的突破，聚烯烃塑料管材外观质量有了显著提高。

关键词：聚烯烃；塑料管材；聚四氟乙烯喷涂；聚苯酯

聚烯烃塑料管材主要包括聚乙烯和聚丙烯等，聚乙烯管材包括给水排水实壁管、单壁双壁波纹管、钢带增强波纹管、燃气管、矿粉砂石淤泥输送管、农业灌溉滴灌管及其他复合改性交联管。聚丙烯管材包括冷热给水管和工矿企业输送管。随着国家建设的不断加大和深入，聚烯烃塑料管材产量和质量都有了飞速的发展和提高，应用领域涉及到城乡供排水、农业灌溉、可燃性气体、矿山企业、旧网改造维修等各个方面。聚烯烃塑料管材新技术不断得到创新发展，

1　聚烯烃塑料管材的挤出技术

闪立新[1]从原料、设备、生产工艺等方面比较系统地论述了聚乙烯管材的挤出技术，王建国[2]等从设备结构方面研究了Φ32 mm以下小规格管材如何达到30 m/min以上的“高速”“高效”生产，总结了单纯完善设备来实现“高速”“高产”而存在的问题。比如物料混炼塑化不均，物料急剧升温和热分解，辅机的控制系统精度须提高，螺杆和机筒磨损加剧，减速器与轴承在高速运转下如何提高使用寿命。对于高速挤出而言，物料的塑化效果很关键，使用屏蔽式单螺杆挤出效果较好，由于屏蔽式螺杆特有的双螺旋线结构，可以确保物料均匀塑化[3]，既提高了产量又降低了能耗。沈华[4]等在研究聚乙烯压力管材生产过程控制时，对熔体过滤装置和重力计量系统做了深入研究，使生产过程中辅机控制系统精度有了明显提高和改善。根据聚乙烯物料在高速挤出时易出现的问题，郦华兴[5]等分别从原料选型、改性、配方设计、工艺控制等方面进行了分析研究，对HDPE和LLDPE的混合物的流动性及系统“内外润滑平衡”做了深入研究，从而实现了聚乙烯电缆料的高速挤出。郑建旭[6]等比较系统地论述了聚乙烯管材的高速挤出技术，重点提出对挤出模具进行聚四氟乙烯喷涂处理的研究。原材料生产企业积极开发出更适合市场要求的聚乙烯原料，满足管材物理性能和卫生性能的要求。张宁[7]对聚乙烯原料的生产工艺做了系统的研究，生产出可以满足PE80等级的管材原料。齐姝婧[8]等对国内外聚乙烯管材专用的生产技术做了系统分析和总结。国内研究人员根据生产设备情况在配方、设备、生产工艺等方面做了大量深入研究。避免了聚乙烯管材挤出时的物料黏模、离模膨胀、水纹、麻点、橘子皮、鲨鱼皮等不良现象。

2　“氟”处理技术

2.1有机氟加工助剂的应用

研究人员早期选择在模具上涂抹脱模剂满足生产需要，常用的脱模剂有硅油、有机硅类、有机氟类等，硅油是比较常见的橡塑脱模剂也是最传统的一种脱模剂。1988年美国道康宁公司推出了一种有机硅系列添加剂，对聚乙烯类热塑性塑料，只加入1%就可以提高产品的滑动性、耐腐蚀性、脱模性以及树脂本身的成型加工性能等[9]。

周立新[10]等在对聚乙烯管材加工过程中出现的熔体破裂问题研究时建议添加一种含氟聚合物为基础的加工助剂，消除溶体破裂对管材外观的影响，能改善HDPE挤出物的表面光洁度并消除口模积料，有效地降低转矩值和挤出压力。PPA是以含氟聚合物为基础的一系列聚合物加工助剂产品,它可用来改善LDPE、LLDPE、HDPE、PP等树脂的加工性能而不会对基体树脂的物理机械性能产生影响的一类加工助剂。PPA分子中的氟原子与金属表面的氧化层的氧原子由于分子间作用力而结合，使得PPA分子紧紧贴附在金属壁表面，形成一层含氟的润滑层即脱模层，由于这层脱模层的存在，改变了口模出口处的熔体流变性能，降低了临界剪切速率，从而消除了出口膨胀和熔体破裂现象。

朱慧红[11]通过详细的研究发现，自制的含氟弹性体加工助剂AF和BF添加剂可以改善聚烯烃的加工性能，降低能耗，提高产量，扩大了加工范围。用于XHDPE配方中，使硅烷交联聚乙烯管材表面亮而有光泽；用于LLDPE配方中，使聚合物熔体/金属界面的剪切应力减少，消除了口模积垢，消除了LLDPE鲨鱼皮状的熔体破裂现象，扭矩减少并提高了挤出量，经国家卫生部门对添加剂进行检测，符合国家食品包装卫生标准。尹文艳[12]等利用不同长径比的毛细管流变仪，研究了加入不同份数的氟碳弹性体对HDPE挤出性能的影响，得到了剪切速率与剪切应力的关系曲线和180℃时表观黏度与剪切速率的关系曲线。结果表明，分别在HDPE5000S中加入0.125份氟碳弹性体和HDPE6098中添加0.1份氟碳弹性体后，挤出物表面的光洁度的到改善。

成卫戍[13]等通过对氟聚合物加工助剂在PPR管材料中的实验室和在挤压造粒系统中的工业应用的研究，发现氟聚合物加工助剂对降低混炼机功率，齿轮泵电流和电压都有帮助，能够达到提高挤压造粒系统负荷的目的。

王金明[14]等通过实验自制含氟光亮润滑剂在PVC管材生产线的应用情况，说明该含氟光亮润滑剂可使挤出效率提高，管材外观光滑平整，物理性能检测合格。

含氟类加工助剂使用添加量很少，为了方便控制使用量，加工助剂母粒应运而生，价格一般在25～30 元/kg，按照1%～2%的建议添加量，综合配方成本增加250～600元/t，成本增加量相对大，这也是含氟类加工助剂不能完全被市场接受的主要原因。

2.2聚四氟乙烯塑料环的应用

聚四氟乙烯塑料俗称“塑料王”，具有优良的耐磨性和耐低温特性，一般在250～260℃之间可以连续使用，短时间可以耐高温300℃，具有显著的热稳定性，可以在冷冻温度下不脆化，在高温条件下不融化；具有优良的低表面能，高负载下有优良的耐磨损性和不黏性的双重优点，可以满足聚烯烃塑料的加工条件，其中耐磨性和不黏性可以减少或避免聚烯烃塑料在挤出过程中产生的缺陷。吴思啸[15～16]等在生产研究提高聚乙烯管材光洁度时，发现在芯模和口模端面物料经过处安装合适的聚四氟乙烯塑料环，可以有效地解决现有金属模具生产聚乙烯管材时内外壁光洁度低，制品收缩率尺寸变化大的问题。我们经过试验研究了聚四氟乙烯塑料环的使用情况，发现提高聚乙烯管材外壁光洁度效果明显，可以减少或避免外观缺陷，但发现更换模具或者二次加热开机时聚四氟乙烯塑料环会发生变形，而且变形是不规则的。不规律变形直接影响管材的外径和壁厚尺寸，必须再加工才可以使用。聚四氟乙烯材料的选择及其本身的性质决定了聚四氟乙烯塑料环在聚烯烃管材挤出模具上的使用是有不可控的因素存在的，生产的连续性存在风险。

2.3聚四氟乙烯不黏涂层的应用

邹德荣[17]通过聚四氟乙烯防黏涂层的制备和应用，分析了配方、工艺等因素对涂层性能的影响和要求，当45#钢和硬铝模具上使用了聚四氟乙烯防黏涂层后，脱模方便，制品表观质量光洁，可长期使用，不仅制品质量良好，而且涂层自身质量良好。邹德荣[18]研究了含氟防黏涂料在金属模具中的应用，通过分析比较采用含氟防黏涂料作为金属模具的防黏涂层，可以应用于聚氨酯、环氧树脂、丁晴橡胶、三元乙丙橡胶、PVC等高分子材料，是一种较好的金属模具用防黏涂层。侯根良[19]等制备了以45#钢为基体的聚四氟乙烯涂层，利用自制的高载荷条件下摩擦系数测试装置研究了涂层的摩擦学性质，表明在4～90 MPa范围内具有良好的摩擦性能，最低摩擦因数为0.032。正压力与摩擦因数服从负指数衰减模式(Fit Exponential Decay)，随着载荷的增加，静摩擦因数和滑动摩擦因数先迅速降低然后趋于定值。李晶[20]研究了聚四氟乙烯复合涂层，非常细致地对涂覆工艺和涂层性能做了分析和阐述。杨军[21]等选用聚四氟乙烯悬浮液为主要原料，通过添加一些助剂制得具有优良耐磨性、不黏性、耐蚀性等性能的“自分层梯度涂料”，涂装在造纸设备表面防止纸页黏附。朱东[22]等通过不同的表面助剂和硅粉、蜡粉的选择，发现表面粗糙度和表面助剂的共同作用可以有效防止记号笔对涂层的黏结，从而获得较好的防涂鸦涂层。陈利萍[23]等研究了特氟龙涂料在轮胎模具上的喷涂应用，解决了长期困扰轮胎模具开模不易和清洗困难等问题，降低了生产成本，轮胎成品外观合格率大大提高。朱帅[24]等用杜邦420-703底漆与不黏面漆杜邦875N-210配合喷涂在高光度聚乙烯管材模具表面，所生产的聚乙烯管材表面光滑，粗糙度由原来的0.009提高到0.004。郑建旭[25]等在研究处理聚乙烯管材挤出过程中出现的问题时，对原来模具进行聚四氟乙烯喷涂处理后，实现了聚乙烯管材的高速挤出技术。聚乙烯管材挤出模具喷涂聚四氟乙烯不黏涂层，管材外观质量有了极大提高，口模积料消失。模具更换或二次开机对管材外径和壁厚没有影响。但聚四氟乙烯不黏涂层的磨损率相对较大。

3　聚苯酯改性聚四氟乙烯技术在管材挤出模具中的应用

针对TPFE环及喷涂TPFE存在的问题，比如PTFE环不耐高温易变型和喷涂PTFE磨损率高的的问题，国内研究人员通过各种方法来提高TPFE的性能，填料包括玻璃纤维、碳纤维、石墨、二硫化钼、青铜粉以及一些耐热性好的聚合物，其中高性能聚合物如聚全氟丙烯、聚苯酯（POB）、聚酰亚(PI)和聚醚醚酮（PEEK）等用于填充改性PTFE以克服PTFE的缺陷。其中添加聚苯酯改性TPFE是比较成熟的方法。

聚苯酯，又称聚对羟基苯甲酯或芳香族聚酯。它是全芳香族的聚酯树脂，其分子结构如下：

聚苯酯的分子结构看似链状的线型分子，但结晶度很高，使它难以熔融流动。在聚苯酯的分子结构中，氢原子的数目比主链中碳原子的数目少，而且所有原子的π电子都能实现共轭结构，整个分子排列在同一个平面上，因此具有及好的稳定性。聚苯酯可在315℃下长期使用，短期使用温度可高达370～425℃。据称它是目前所有已知高分子材料中热稳定性、热容量、自润滑性、硬度、电绝缘性、耐磨耗性等综合性能最好的品种，聚苯酯在很宽的温度范围内有很高的刚性，有很高承受负荷的能力，具有良好的自润滑性。

陈思强[26]研究发现聚苯酯可与任何比例的PTFE共混，共混料使用冷压烧结成型，其成型制件既可以保持两种聚合物耐热、耐磨、自润滑等一系列优良性能，又可以在性能上互相弥补不足，成为性能更加优异的耐高温、耐磨耗、自润滑材料。贺晔红[27]等在对聚苯酯填充聚四氟乙烯复合材料物理性能深入详细研究时，发现POB质量分散在16%～27%范围内摩擦因数为0.20～0.24，磨损率则呈现下降趋势。含有16%、20%和27%聚苯酯的PTFE/POB复合材料磨损率仅为PTFE磨损率的1%和8%和0.4%，POB质量分散率超过25%后，继续添加其含量复合材料磨损率降低幅度逐渐变小。孙小波[28]等通过对聚四氟乙烯/聚苯酯耐磨自润滑保持架材料中聚苯酯添加量和烧结工艺中降温速率对复合材料力学性能和摩擦、磨损性能的影响做了大量研究，发现延长降温时间有助于消除保持架复合材料内应力和增加结晶度。聚苯酯可以有效地改善聚四氟乙烯的耐磨性，添加20%的聚苯酯，保持架复合材料的力学性能、摩擦磨损性能和经济效益比达到最价值。陈思强[29]对聚苯酯性能研究时发现聚苯酯的等离子喷涂成型与其他塑料基本相似，集采可以是钢、铁、铝、钛等金属，也可以是塑料、陶瓷等，可以在基材上形成坚实致密的涂层。

研究发现可以通过对聚四氟乙烯进行改性，克服聚四氟乙烯塑料环加热变形和喷涂聚四氟乙烯涂层磨损率高的缺点，对聚烯烃塑料管材挤出模具进行处理，可以满足生产使用的要求。

4　结论

（1）通过对聚烯烃塑料管材配方添加氟加工助剂、挤出模具增加聚四氟乙烯塑料环和挤出模具喷涂聚四氟乙烯不黏涂层等提高管材外观质量技术的分析研究，阐述了各自不足。

（2）通过分析“氟”处理技术在聚烯烃塑料管材挤出技术中应用的缺陷，引进聚苯酯对聚四氟乙烯进行改性从而优化“氟”处理技术，实现了高光洁聚烯烃塑料管材的规模化生产。

（3）聚苯酯改性聚四氟乙烯不黏涂层在聚烯烃塑料管材挤出模具上的应用需要更加系统地深入研究。

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Research for high bright polyolefi n plastic pipe production technology

中图分类号：TQ325.1

文章编号：1009-797X(2016)12-0005-04

文献标识码：B

DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2016.12.002

作者简介：郑建旭(1975-)，男, 助理工程师, 主要从事化学工程设计和高分子材料加工工艺的研究及管理工作，已发表多篇论文。

收稿日期：2016-01-07