耐热聚乙烯（PE-RT）管材性能与加工工艺的探索

2020-11-28黄彦

中国新技术新产品 2020年1期

黄彦

（四川多联实业有限公司，四川成都 610200）

0 引言

耐热聚乙烯作为塑料类管材，其与钢管、铁管等传统金属管材相比，不仅具有良好的稳定性、耐腐蚀性以及连接可靠性，同时还具有节能、不结垢、安装简单和施工方便的特点，能够满足地板采暖系统内部管道的各方面要求。由此可见，未来耐热聚乙烯管材在城市采暖工程中的广泛应用已经成为必然趋势，而对于耐热聚乙烯管材性能与加工工艺的研究，也是非常必要且具有现实意义的。

1 耐热聚乙烯

耐热聚乙烯又称PE-RT（Polyethylene of raised temperature resistance），是一种由乙烯单体与辛烯单体经过茂金属催化聚合而成的非交联聚乙烯材料，属于可控制的支链分布结构，通常被用于制作地热管材或冷热水供水管道[1]。从材料结构上来看，由于乙烯单体与辛烯单体在聚合时均能够形成较长的支链，且支链上存在6 个碳原子C（支链长为6C），因此耐热聚乙烯材料的链段数目会比较多，支链化程度也非常高，很容易在长支链相互缠绕的状态下形成立体网状结构，与聚乙烯材料的常规结构相比，立体网状结构的材料具有更好的力学性能，能够有效提高自身对外应力的抵抗能力，而耐热聚乙烯材料也因此具备了良好的热稳定性以及抗裂纹能力。

2 耐热聚乙烯（PE-RT）管材性能特点

2.1 柔韧性

受结构特点的影响，耐热聚乙烯管材通常都具有着很高的柔韧度，不仅能够轻易进行弯曲、盘卷，弯曲半径小最高可达管外径的5 倍，同时在弯曲状态下，其外部应力也能够被分散到管材的各个部位上，基本不会出现应力集中的情况。凭借这一特点，耐热聚乙烯管材在地热采暖系统建设中的铺设十分简单、方便，施工人员只需按照管道线路长度要求及管材质量要求准备足够的耐热聚乙烯管材即可，而无需考虑管道线路转弯、管道衔接等问题，能够极大地提高管道铺设施工效率。另外，由于耐热聚乙烯管材能够长期保持弯曲、盘卷状态而不会损坏，因此铺设时对于管材的使用量也会大大减少，管材浪费现象很少出现，这对于施工成本控制有着很大的帮助。

2.2 长期热稳定性

耐热聚乙烯管材作为地热供暖管道的常用管材，其经常会用于输送热水，因此长期热稳定性是非常好的。常规管材在长期接触热水且处于高温环境的情况下，通常都会出现热老化现象，具体可表现为拉伸屈服强度下降、断裂标称应变就降低，这样就很容易导致管道损坏。而耐热聚乙烯管材即使处于100℃左右的高温环境下上千小时，其断裂标称应变也能够保持在较高水平，拉伸屈服强度则会有所增加，这正是耐热聚乙烯管材具有长期热稳定性的表现。

2.3 散热性

耐热聚乙烯管材不仅具有良好的长期热稳定性，能够作为热水长期运输管道，同时还拥有较强的散热性，能够将管道内部的热量迅速传递到外部空间，从而实现室内有效供暖，而这也正是耐热聚乙烯管材能够用于地面供暖系统的重要原因之一。管材散热性能主要由材料导热系数决定，当前常见聚乙烯塑料管材的导热系数一般在0.15 wt/m·k～0.25 wt/m·k，而耐热聚乙烯管材的导热系数则可以达到0.4 wt/m·k，这意味着在同等条件下，耐热聚乙烯管材内热水的散热速度要远快于交联聚乙烯管材等其他同类管材，如果应用到地面采暖系统中，室内采暖效果必然会大大提升[2]。

2.4 可回收性

从加工过程上来看，耐热聚乙烯管材的加工流程虽然比较复杂，但并未添加任何有毒助剂，同时无论是聚乙烯单体还是辛烯单体、茂金属催化剂，都属于无毒害物质，这使得耐热聚乙烯管材具有良好的可回收性，在废弃后仍可以回收加工并进行再利用，不仅不会对环境造成污染，同时还可以实现资源的有效节约。

2.5 熔体强度高

熔体强度是指聚合物在熔融状态下支持自身质量的能力，是决定材料加工成型的关键因素，如果材料熔体强度过低，那么加工时就很可能在高速牵引状态下变形，而耐热聚乙烯管材的熔体强度通常在0.2 N ～0.25 N，与其他同类管材相比较高，基本能够满足加工时的高速牵引生产需求，管材加工后的尺寸也比较稳定。

3 耐热聚乙烯（PE-RT）管材的加工工艺

3.1 加工工艺原理与流程

耐热聚乙烯管材的加工通常会先以中密度聚乙烯单体与辛烯单体为材料，加入茂金属作为催化剂将二者聚合，形成特殊的线型中密度乙烯共聚物，之后加入一定剂量的助剂，就可以将乙烯共聚物塑化，并在模具中挤出圆形断面的热塑性加热管，得到加热管后按照设计标准尺寸将其放入相应的定径套中洒水冷却，就可以得到成型的耐热聚乙烯管材。从加工流程上来看，耐热聚乙烯管材的加工可以大致分为原料添加、挤出、真空定径、喷淋冷却、高速牵引、切割和质检几个步骤，在质检阶段，如管材尺寸规格、质量性能均符合相关标准要求，可以将其盘卷打包入库，如质检不合格，则应将管材粉碎并作为回制料加入到原料之中。

3.2 原料选用

耐热聚乙烯管材的原料生产技术难度较高，其产品主要包括美国陶氏、韩国SK、欧洲道达尔等，不同品牌的产品在整体质量上并不存在太大差异，加工时可以根据实际情况进行选择，但在原料的物理性能控制上，需要重点关注熔融指数、密度、拉伸屈服度、拉伸断裂应力、断裂伸长率、导热系数和热膨胀系数等几项指标，并按照相关标准对原料的多项物理性能指标参数进行严格把关。例如原料密度通常应在0.93 以上，导热系数与热膨胀系数分别应稳定保持在0.4 wt/m·k、1.85 10-4/K。

3.3 废料处理

在耐热聚乙烯管材的加工生产过程中，不可避免地会产生下线废料（不合格管材），这些下线废料虽然因质量、规格等方面问题而无法直接投入使用，但由于耐热聚乙烯管材本身具有可回收特点，因此可在生产管材的同时对洁净的下线废料进行收集，并定期统一进行粉碎处理，处理后得到的粉碎材料可极少量地加入到加工生产原料中，具体添加量应控制在原料总量的10%以内，以保证管材的长期安全性。

3.4 下料操作

耐热聚乙烯管材虽然加工环节较多，但加工生产速度却比较快，因此为保证管材的成型稳定性，必须要在下料阶段采用强制进料系统，对下料段进行强制冷却与开槽处理，这样一来，挤出机的进料速度与进料密实度能够保持稳定，下料段温度也可以控制在80℃～100℃，基本不会出现管材内壁厚度不均、管材与定径套黏连的情况。

3.5 温度与主机速度控制

经过强制冷却处理后，耐热聚乙烯管材原料虽然在下料时温度比较稳定，但在之后的加工过程中，其温度却很容易出现变化，因此加工时必须要对直接与原料接触的加工设备进行严格的温度控制，以免因温度变化过大而影响管材成型。例如在原料塑化阶段，料筒温度应控制在190℃～205℃，并根据加热段数对温度进行缓慢提升；而在管材挤出阶段，则需要将挤出机连接体的温度控制在200℃～205℃；口模温度需要根据管材成型情况及外观亮度决定，但通常应控制在190℃～215℃。另外，对于主机的设计应采用独立衬套结构，同时以高效率变频电机为动力，提升主机运行的平稳性，转速一般应达到150 RPM，这样才能够保证管材的稳定、高速挤出。

3.6 熔体压力控制

受耐热聚乙烯材料的分子量分布的特点影响，管材加工时对于熔体压力同样有非常严格的要求。一方面，由于耐热聚乙烯材料的分子量较为密集，弹性模量也比较高，因此在熔体压力较大的情况下，一旦管材变形幅度过大，那么在材料弹性恢复程度小、恢复速度快的情况下，管胚就很容易出现表面粗糙、离模膨胀和表面开裂等情况，因此必须要将熔体压力控制在35 MPa 以下[3]。另一方面，熔体压力与耐热聚乙烯管材的融合线消除度、密实度、挤出稳定性密切相关，如果熔体压力不足，那么管材同样容易出现融合线明显、密实度不足等问题，因此熔体压力还需在20 MPa 以上。

3.7 真空度控制

在耐热聚乙烯管材的加工中，真空度通常与管材的公称外径标准与管系列值相关，因此加工时必须要提前对管材的公称外径与管系列值进行了解，在确定参数标准后，再选择合适的真空度进行加工。一般来说，耐热聚乙烯管材加工的真空度都会保持在-0.02 MPa ～0.04 MPa，如果管材公称外径较大或管系列值较小，可以适当提升真空度，反之应适当降低真空度。

3.8 管材焊接

耐热聚乙烯管材的常用焊接工艺主要分为热熔承插焊接与热熔对接焊接2 种，其中，热熔承插焊接需要注意对热熔机温度进行控制（通常应在250℃～260℃），并把握好管材承插时间、承插速度以及从模头中的拔出时机，其中拔出时机应以达到承插深度为准。而热熔对接焊接则需要先将需要对接的管材准确固定在指定位置，之后铣平管材端面并进行焊机加热板的预热，开始热熔对接后需要注意观察焊接处的管材卷边情况，控制好卷边厚度以及两端的融合程度。达到焊接要求后，则可移开加热板加力，待两端完全成为一体，再解开固定装置，完成焊接。