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耐熱聚乙烯(PE-RT )管材性能與 加工工藝的探索

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瀏覽: 發布日期:2020/8/27 8:33:17【

0 引言

耐熱聚乙烯作為塑料類管材,其與鋼管、鐵管等傳統金屬管材相比,不僅具有良好的穩定性、耐腐蝕性以及連接可靠性,同時還具有節能、不結垢、安裝簡單和施工方便的特點,能夠滿足地板采暖系統內部管道的各方面要求。由此可見,未來耐熱聚乙烯管材在城市采暖工程中的廣泛應用已經 成為必然趨勢,而對于耐熱聚乙烯管材性能與加工工藝的研 究,也是非常必要且具有現實意義的。耐熱聚乙烯


1 耐熱聚乙烯


耐熱聚乙烯又稱 PE-R(Polyethylene of raised temperature resistance),是一種由乙烯單體與辛烯單體經過茂金屬催化聚 合而成的非交聯聚乙烯材料,屬于可控制的支鏈分布結構, 通常被用于制作地熱管材或冷熱水供水管道[1]。從材料結構 上來看,由于乙烯單體與辛烯單體在聚合時均能夠形成較長 的支鏈,且支鏈上存在6個碳原子C (支鏈長為6C),因此耐 熱聚乙烯材料的鏈段數目會比較多,支鏈化程度也非常高, 很容易在長支鏈相互纏繞的狀態下形成立體網狀結構,與聚 乙烯材料的常規結構相比,立體網狀結構的材料具有更好的 力學性能,能夠有效提高自身對外應力的抵抗能力,而耐熱 聚乙烯材料也因此具備了良好的熱穩定性以及抗裂紋能力。

    PE-RT原料的供應商主要來自歐洲和韓國幾個知名化工企業。Dow化學上世紀八十年代最早研發出PE-RT材料,1991年推出經過論證的Dowlex2344E,是PE-RTⅠ型材料的典型代表。隨后經過論證的材料品牌和標號相繼由其他化學巨頭研發面世,如SK DX800、LG SP980、大林 XP9000等。經歷二十余年的發展,強度更高,長期耐熱性能更佳的原料PE-RTⅡ型投放市場,主要牌號有陶氏化學Dowlex2388、利安德巴塞爾Hostalen 4731B、歐洲道達爾XRT70 、LG SP988等。

 


     按照材料發展的階段和材料性能等級,相關材料標準也不斷完善和發展,從早期的單一定義PE-RT到現行不同等級的PE-RTⅠ型(Ⅰ型耐熱聚乙烯)和PE-RTⅡ型(Ⅱ型耐熱聚乙烯)。

與PE-RT材料的相關的國外標準,最早的關于PE-RT的權威標準是德國標準DIN 16833:2001(2007)《耐熱聚乙烯管道(PE-RT)一般質量要求檢驗》;DIN 16834:2001《耐熱聚乙烯管道(PE-RT)一尺寸》和DIN 4721:2001《高溫地板采暖系統及散熱器采暖系統用塑料管道一耐熱聚乙烯(PE-RT)》。2009年,DIN 16833-2009(替代2007版)《耐熱聚乙烯管(PE-RT)Ⅰ型PE-RT及Ⅱ型PE-RT一般質量要求及試驗》,之前涉及的PE-RT僅相當于Ⅰ型,2009年版增加了PE-RTⅡ型內容。

而最早提出將PE-RTⅠ型與PE-RTⅡ型進行區分的國外標準是奧地利標準ONORM B 5159:2004,將PE-RT材料分為兩類PE-RT 80(即PE-RTⅠ)、 PE-RT95(即PE-RTⅡ)。

對于歐洲普遍適用的ISO國際標準也同樣經歷了不同發展階段ISO/DIS 22391-1:2008(替代ISO/DIS 22391-1 :2007,2004)《冷熱水塑料管道系統—耐熱聚乙烯(PE-RT)》內容涉及了Ⅰ型和Ⅱ型PE-RT材料,早期的版本涉及的PE-RT僅相當于Ⅰ型。

國內涉及到PE-RT的相關標準,早年有城鎮建設行業標CJ175-2002《冷熱水用耐熱聚乙烯(PE-RT)管道系統》、JGJ142-2004《地面輻射供暖技術規程》。今年3月1日,新的國家標準GB/T28799—2012《冷熱水用耐熱聚乙烯(PE-RT)管道系統》正式開始實施,修編后的JGJ142-2012《輻射供暖供冷技術規程》也于今年6月1日開始實施。新頒布的兩個標準都涵蓋了Ⅰ型和Ⅱ型PE-RT材料的相關內容。


2 耐熱聚乙烯(PE-RT)管材性能特點


2.1 柔韌性


受結構特點的影響,耐熱聚乙烯管材通常都具有著很 高的柔韌度,不僅能夠輕易進行彎曲、盤卷,彎曲半徑小最 高可達管外徑的5倍,同時在彎曲狀態下,其外部應力也能 夠被分散到管材的各個部位上,基本不會出現應力集中的情 況。憑借這一特點,耐熱聚乙烯管材在地熱采暖系統建設中 的鋪設十分簡單、方便,施工人員只需按照管道線路長度要 求及管材質量要求準備足夠的耐熱聚乙烯管材即可,而無需 考慮管道線路轉彎、管道銜接等問題,能夠極大地提高管道 鋪設施工效率。另外,由于耐熱聚乙烯管材能夠長期保持彎 曲、盤卷狀態而不會損壞,因此鋪設時對于管材的使用量也 會大大減少,管材浪費現象很少出現,這對于施工成本控制 有著很大的幫助。


2.2 長期熱穩定性


耐熱聚乙烯管材作為地熱供暖管道的常用管材,其經常 會用于輸送熱水,因此長期熱穩定性是非常好的。常規管材 在長期接觸熱水且處于高溫環境的情況下,通常都會出現熱 老化現象,具體可表現為拉伸屈服強度下降、斷裂標稱應變 就降低,這樣就很容易導致管道損壞。而耐熱聚乙烯管材即 使處于100T左右的高溫環境下上千小時,其斷裂標稱應變 也能夠保持在較高水平,拉伸屈服強度則會有所增加,這正 是耐熱聚乙烯管材具有長期熱穩定性的表現。


2.3 散熱性


耐熱聚乙烯管材不僅具有良好的長期熱穩定性,能夠作 為熱水長期運輸管道,同時還擁有較強的散熱性,能夠將管 道內部的熱量迅速傳遞到外部空間,從而實現室內有效供暖, 而這也正是耐熱聚乙烯管材能夠用于地面供暖系統的重要原 因之一。管材散熱性能主要由材料導熱系數決定,當前常見 聚乙烯塑料管材的導熱系數一般在0.15 wt/m-k~0.25 wt/m-k, 而耐熱聚乙烯管材的導熱系數則可以達到0.4 wt/m-k,這意味 著在同等條件下,耐熱聚乙烯管材內熱水的散熱速度要遠快 于交聯聚乙烯管材等其他同類管材,如果應用到地面采暖系 統中,室內采暖效果必然會大大提升[2]。


2.4 可回收性


從加工過程上來看,耐熱聚乙烯管材的加工流程雖然比 較復雜,但并未添加任何有毒助劑,同時無論是聚乙烯單體 還是辛烯單體、茂金屬催化劑,都屬于無毒害物質,這使得 耐熱聚乙烯管材具有良好的可回收性,在廢棄后仍可以回收 加工并進行再利用,不僅不會對環境造成污染,同時還可以 實現資源的有效節約。


2.5 熔體強度高


熔體強度是指聚合物在熔融狀態下支持自身質量的能 力,是決定材料加工成型的關鍵因素,如果材料熔體強度過 低,那么加工時就很可能在高速牽引狀態下變形,而耐熱聚 乙烯管材的熔體強度通常在0.2 N ~ 0.25 N,與其他同類管 材相比較高,基本能夠滿足加工時的高速牽引生產需求,管 材加工后的尺寸也比較穩定。



3 耐熱聚乙烯(PE-RT)管材的加工工藝


3.1 加工工藝原理與流程


耐熱聚乙烯管材的加工通常會先以中密度聚乙烯單體 與辛烯單體為材料,加入茂金屬作為催化劑將二者聚合,形 成特殊的線型中密度乙烯共聚物,之后加入一定劑量的助 劑,就可以將乙烯共聚物塑化,并在模具中擠出圓形斷面的 熱塑性加熱管,得到加熱管后按照設計標準尺寸將其放入相 應的定徑套中灑水冷卻,就可以得到成型的耐熱聚乙烯管 材。從加工流程上來看,耐熱聚乙烯管材的加工可以大致分 為原料添加、擠出、真空定徑、噴淋冷卻、高速牽引、切割 和質檢幾個步驟,在質檢階段,如管材尺寸規格、質量性能 均符合相關標準要求,可以將其盤卷打包入庫,如質檢不合 格,則應將管材粉碎并作為回制料加入到原料之中。


3.2 原料選用


耐熱聚乙烯管材的原料生產技術難度較高,其產品主要包 括美國陶氏、韓國SK、歐洲道達爾等,不同品牌的產品在整 體質量上并不存在太大差異,加工時可以根據實際情況進行選 擇,但在原料的物理性能控制上,需要重點關注熔融指數、密 度、拉伸屈服度、拉伸斷裂應力、斷裂伸長率、導熱系數和熱 膨脹系數等幾項指標,并按照相關標準對原料的多項物理性能 指標參數進行嚴格把關。例如原料密度通常應在0.93以上,導 熱系數與熱膨脹系數分別應穩定保持在0.4 wt/m-k, 1.85 10-4/Ko

     PERT材料介紹 PERT-Ⅰ是由低密度聚乙烯(LDPE)或中密度聚乙烯(MDPE)來聚合生成 ,PERT-Ⅱ是由高密度聚乙烯(HDPE )來聚合生成 II型耐熱聚乙烯的。

預測靜液壓強度曲線出現拐點的為PERT一代,未出現拐點的為PERT二代。通俗講就是二代管的耐壓強度高于一代管,二代管的允許使用壓力比一代管高。(拐點即環應力的急劇下降)

項目PERT-ⅠPERT-Ⅱ
原料低密度聚乙烯
中密度聚乙烯
高密度聚乙烯
預測靜液壓強度曲線出現拐點未出現拐點
壁厚相對厚相對薄


二代管可以在壁厚更薄的條件下達到更強的耐壓性,并且熱損失更小。

目前還沒有國內企業自主研發出PERT二代原料,而二代原料以陶氏2388最為著名。

3.3 廢料處理

在耐熱聚乙烯管材的加工生產過程中,不可避免地會產 生下線廢料(不合格管材),這些下線廢料雖然因質量、規格 等方面問題而無法直接投入使用,但由于耐熱聚乙烯管材本 身具有可回收特點,因此可在生產管材的同時對潔凈的下線 廢料進行收集,并定期統一進行粉碎處理,處理后的粉碎材料可極少量地加入到加工生產原料中,具體添加量應控 制在原料總量的10%以內,以保證管材的長期安全性。


3.4 下料操作


耐熱聚乙烯管材雖然加工環節較多,但加工生產速度卻 比較快,因此為保證管材的成型穩定性,必須要在下料階段 采用強制進料系統,對下料段進行強制冷卻與開槽處理,這 樣一來,擠出機的進料速度與進料密實度能夠保持穩定,下 料段溫度也可以控制在80℃- 100℃,基本不會出現管材內 壁厚度不均、管材與定徑套黏連的情況。


3.5 溫度與主機速度控制


經過強制冷卻處理后,耐熱聚乙烯管材原料雖然在下 料時溫度比較穩定,但在之后的加工過程中,其溫度卻很容 易出現變化,因此加工時必須要對直接與原料接觸的加工設 備進行嚴格的溫度控制,以免因溫度變化過大而影響管材成 型。例如在原料塑化階段,料筒溫度應控制在190℃- 205℃, 并根據加熱段數對溫度進行緩慢提升;而在管材擠出階段, 則需要將擠出機連接體的溫度控制在200℃- 205℃; 口模溫 度需要根據管材成型情況及外觀亮度決定,但通常應控制在 190℃- 215℃。另外,對于主機的設計應采用獨立襯套結構, 同時以高效率變頻電機為動力,提升主機運行的平穩性,轉 速一般應達到150 RPM,這樣才能夠保證管材的穩定、高速 擠出。


3.6 熔體壓力控制


受耐熱聚乙烯材料的分子量分布的特點影響,管材加工 時對于熔體壓力同樣有非常嚴格的要求。一方面,由于耐熱 聚乙烯材料的分子量較為密集,彈性模量也比較高,因此在 熔體壓力較大的情況下,一旦管材變形幅度過大,那么在材 料彈性恢復程度小、恢復速度快的情況下,管胚就很容易出 現表面粗糙、離模膨脹和表面開裂等情況,因此必須要將熔 體壓力控制在35 MPa以下[3]。另一方面,熔體壓力與耐熱聚 乙烯管材的融合線消除度、密實度、擠出穩定性密切相關, 如果熔體壓力不足,那么管材同樣容易出現融合線明顯、密 實度不足等問題,因此熔體壓力還需在20 MPa以上。


3.7 真空度控制


在耐熱聚乙烯管材的加工中,真空度通常與管材的公稱 外徑標準與管系列值相關,因此加工時必須要提前對管材的 公稱外徑與管系列值進行了解,在確定參數標準后,再選擇 合適的真空度進行加工。一般來說,耐熱聚乙烯管材加工的 真空度都會保持在-0.02 MPa - 0.04 MPa,如果管材公稱外 徑較大或管系列值較小,可以適當提升真空度,反之應適當 降低真空度。


3.8 管材焊接


耐熱聚乙烯管材的常用焊接工藝主要分為熱熔承插焊 接與熱熔對接焊接2種,其中,熱熔承插焊接需要注意對熱 熔機溫度進行控制(通常應在250℃- 260℃),并把握好管 材承插時間、承插速度以及從模頭中的拔出時機,其中拔出 時機應以達到承插深度為準。而熱熔對接焊接則需要先將需 要對接的管材準確固定在指定位置,之后銑平管材端面并進 行焊機加熱板的預熱,開始熱熔對接后需要注意觀察焊接處 的管材卷邊情況,控制好卷邊厚度以及兩端的融合程度。達到焊接要求后,則可移開加熱板加力,待兩端完全成為一體, 再解開固定裝置,完成焊接。


4 結語



耐熱聚乙烯管材與其他聚乙烯管材相比,其散熱性、長期熱穩定性、可回收性、柔韌性等各方面管材性能都具有明顯的優勢,未來只要能夠在生產過程中掌握好肥料處理、溫度控制、真空度控制和熱熔焊接等加工工藝要點,就必然能夠使這種新型管材得到更為廣泛的應用,并發揮出更好的應 用效果。



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