PE-RT耐高温非交联聚乙烯管材高速高效生产技术
刘伯元1王宝泰2  徐新2
(1中国化学建材专业信息网塑料管道委员会副秘书长100000
2宁波国荣基康润机械有限公司315000)
摘要:本文主要介绍了耐高温的非交联PE-RT管的生产技术,及其设备情况
关健词:交联聚乙烯 管材

 

1 耐热聚乙烯PERT简介
耐热聚乙烯英文名称为Polyethylene of Raised Temperature resistance,缩写为PE—RT。是一种可以用于热水管的非交联的聚乙烯,它是一种采用特殊的分子设计和合成工艺生产的一种新型聚乙烯产品。
其生产背景为:
1)、普通PE管材耐热性较差,通常只适用于常温冷水的输送。PPI(美国塑料管材协会)规定最高使用温度为140℉(60℃);
2)、为提高PE的耐热性能所开发的交联聚乙烯PEX管材,存在着加工困难、维修困难、卫生性差(细菌滋生高),在环保上存在不能回收利用等缺点;
3)、PP—R管由于其硬度及低温脆性其应用受到一定限制;
其发展过程为:
1)、2002年3月陶氏公司DOWLEX2344E率先通过BODYCOTE的认证,正式宣告PE管材只能使用于冷水领域历史的结束;
2)、2003年5月韩国SK株式会社的YUCLAIR DX800正式通过国际认证机构BODYCOTE的认证,成为世界上第二个合格的PE—RT管材专用料;
其主要特点:
1)、可用于ISO10508中所用级别的热水领域,尤其适用于地板采暖;
2)、不需交联但耐热程度高,加工方便可以回收利用。
1.1  PERT耐热性能解释——PERT结构分析
普通聚乙烯仅适用于45℃以下的高温范围,而SK开发的PE—RT DX800产品生产出的管材可以在80℃的条件下使用,其耐热能力达到了交联聚乙烯的水准。为什么PE—RT会有如此优异的耐高温性能?
首先来看聚乙烯分子的破坏过程:第一阶段中,连接晶格的共聚单体被拉长;第二阶段中,晶格受较大的剪切应力而互相分离;第三阶段中,共聚单体被破坏。由此看来共聚单体的类型和数目以及分布情况是聚乙烯材料抗破坏能力的关键因素。
再来看看PE—RT(SK的DX800)的结构特点:它是乙烯和辛烯的共聚产物。在分子结构上它的主链是由线性聚乙烯构成,而辛烯的较短,分子链构成其支链,在聚合反应中对聚乙烯分子链上支链的数目和分布进行适度控制,使其具有耐热性能和优良的耐长期静压能力。DX800采用C8(辛烯)分子做共聚单体,保证了足够长度,当聚合物分子在高温高压下承受较大应力时,C8分子的延展吸收了部分能量,防止晶格破坏。通过合理的分子设计使用C8单体在聚合物分子内均匀分布,使聚合物分子受力均匀并且通过控制其数量提高了热稳定性和长期耐压性能,这就是PE—RT耐热性能的根本原因。
1.2  PERT与其他塑料管材性能比较
1)、长期耐压性能:仅从设计应力上讲,PB的耐压性能最佳,但由于各方面的因素,地板采暖管的实际壁厚通常为2mm。而在这个壁厚下各类管材均能满足地板采暖的要求,PB管耐压优势体现不出来;
2)、柔软性:PB、PE—RT和PEX较为柔软,施工时不需要特殊的工具,因此加工成本相对较低,而PP—R较硬,加工成本相对较高;
3)、导热性:用于地板采暖的管材需要有好的导热性,PE—RT和PEX导热性能较好,其导热系数为PP—R和PP—B管材的两倍,比较适合地板采暖使用;
4)、低温耐热冲击性:PE—RT、PB和PEX的耐低温冲击性能比较好,冬季施工时管材不易受到冲击而破裂,增加了施工安排的灵活性,而PP—R耐低温性能较差给冬季施工增加困难;
5)、环保性:PE—RT、PB和PP—R可以回收利用,不污染环境,而PEX不能回收会产生二次污染;
6)、加工性能稳定性:PEX存在控制交联度和交联均匀度等问题,加工复杂且加工直接影响管材性能,而PE—RT、PB和PP—R加工简便,管材性能基本上由原料来决定,性能比较稳定(表1)。
表1  PE—RT等各类管材性能比较

 

PE—RT

PEX

PP—R

PB

耐压性能

+

+

+ +

柔软性

+

+

+

导热性

+ +

+ +

+

+

耐低温性

+

+

加工性能

+

+

+

熔接性能

+

+

+

环保性能

+

+

+

性能稳定性

+

+

+

综合成本

+

+

 
1.3  SKDX800管材专用料的技术指标
表2  DX800管材专用料的技术性能指标


项    目

单  位

测试方法

性能指标

熔融指数(190℃,2.16kg)

g/10min

ISO1133

0.631

密    度

g/cc

ISO1183

0.933

维卡软化点

ISO306-A

119.2

屈服拉伸强度

kg/cm2

ISO527

154

断裂伸长强度

kg/cm2

ISO527

419

断裂伸长率

%

ISO527

730

弯曲模量

kg/cm2

ISO178

4740

邵氏硬度

ShoreD

ISO868

53

氧化诱导期OIT(210℃)

min

ISO11357-6

108

熔    点

ISO11357

124.4

杜邦冲击强度(23℃)

kg·cm/cm

ASTMD2749

1250

耐环境开裂(ESCR)

hr

ASTMD1693-B

﹥12000

1.4 DX800PERT认证
测试由欧洲知名测试机构BODYCOTE负责进行,于2003年5月完成,测试依据为ISO/WD24033及DIN16833。
ISO/WD24033:要求97.5%以上的实验点在标准曲线止方,PE—RT只有德国标准,目前正在拟定国际标准。
DIN16833:要求全部实验点在标准曲线的上方,规定了部分指定温度和环应力下管材最小破坏时间(表3)。
表3  管材试验标准


测试温度

标准要求

测试结果

环应力

最小破坏时间

环应力

实际破坏时间

Mpa

hr

Mpa

hr

20

10.0

1

10.05

﹥80

95

3.6

165

3.61

﹥9000

95

3.5

1000

3.52

﹥9000

110

1.9

8700

1.90

﹥10730

1.5  PERT管材的中国标准
1)、PE—RT管材的中国标准,名为中华人民共和国城乡建设行业标准GJ/T175-2002《冷热水用耐热聚乙烯(PE—RT)管道系统》,由建设部标准定额研究所提出,于2002年11月9日首次发布,2003年1月1日实施。
2)、本标准修改采用德国标准DIN61833:2001《耐热聚乙烯管道(PE—RT)——一般质量要求检验》。
3)、本标准明确指出,冷热水用耐热聚乙烯(PE—RT)管道系统具有耐热、耐低温和可热溶接性。
1.6  DX800的加工指南
1)、熔体温度:250℃;
2)、挤出机温度设定:180—230℃;
3)、口模到定径段间隔:2—10cm;
4)、管材通过定径段时,为防止粘连需要对管材喷淋;
5)、低压缩比的屏障式螺杆,压缩比为2.2—2.5;
6)、口模间隔=管材厚度×1.7;
7)、浸泡式冷却方式。
1.7 PERT管材生产情况
国内已有上海乔治菲尔管业、山东陆宇塑料管业、金德铝塑复合管等公司使用耐热聚乙烯(PE—RT)生产耐热聚乙烯管材的铝塑复合管。国内宁波国荣基康润机械公司研制开发生产PE—RT的专用设备,已问世。需要进一步详细了解的厂家请联络该公司。
    1)、PE—RT是一种新研制开发的耐热聚乙烯材料,它是乙烯和辛烯共聚物,具有很强的耐热性和耐
长期静压力能力,由这种专用料生产的管材适合于热水输送是一种优良的管材。
2)、由韩国SK生产的DX800专用料是世界上除陶氏公司以外第二个通过国际认证的产品,具有性能优良、价格适中的优点,值得推广。
PE-RT管材是90年代初开发应用的新型塑料管道,有人称其为第五代新型管材,主要用于建筑的热水系统,饮用水系统及地板采暖系统,在输送70度热水,长期内压为1Mpa时使用寿命可达50年。在国内正在逐步淘汰PEX管,PE-RT由于管无毒卫生,耐热保温,连接安装方式简单可靠,耐磨损,防冻裂,废料可回收等优点,成为良好的替代产品。
1.8 阻氧型PERT管道
在暖通空调领域,PERT管道虽具备其他塑料管材所无法比拟的优越特性,但其稍高的透氧率会带来两方面的负面影响。一是,热水管路中如果含有较多的氧,容易对系统中的金属管件等构件产生腐蚀,这对于联接金属暖气片的高温采暖系统尤为不利;二是,虽然PERT管道内壁光滑,不易结垢,但实践证明,在使用3~5年后,管材的内壁会附着一层很薄的生物粘泥。当这层粘泥完全覆盖管内壁后,管壁会很快缩径,造成水流阻力加大,水流量锐减,天长日久,还会堵塞管道。粘泥的产生,是因为水中富含的氧导致了微生物大量繁殖,微生物死去经过堆积就形成了生物粘泥。
为了克服高透氧率给PERT管道带来的负面影响,目前市场上出现了两种阻氧型PERT管道,它们均采用很薄(只有0.1mm左右)的乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)树脂层作阻氧层。其中一种是3层结构的阻氧PERT管,即在PERT管道外均匀涂覆一层热熔胶和EVOH树脂层,其从外向内的结构是阻氧层/热熔胶/PERT树脂,20×2.0管材的3层壁厚设计尺寸通常为0.10/0.05/2.0㎜。由于EVOH树脂较易吸潮且吸潮后它的阻氧能力会大大降低。另外,施工时易划伤管材表面,这也会降低管材的阻氧性。因此,这种3层结构的PERT管并不能称其为“真正意义的阻氧管”;另一种是5层共挤阻氧PERT管,其中,内层PERT较厚,起承压作用,外层PERT较薄,起保护和熔接作用,结构为PERT树脂/热熔胶/阻氧层/热熔胶/PERT树脂,20×2.0管材的5层壁厚设计尺寸通常为0.60/0.05/0.10/0.05/1.40mm。从层结构不难看出,5层PERT管道的阻氧性较为理想,但加工难度大,设备成本高。根据测试结果,阻氧层的存在可将PERT单层管的透氧量减少99.6%,从而满足了德国标准 DIN 4726 对采暖用塑料管道的阻氧性要求。
阻氧型PERT管道的生产比较复杂,对三层结构的阻氧管,可以选择1次共挤工艺或2次共挤涂覆工艺。2次共挤涂覆工艺的控制比较容易,模具的设计和制造比较简单,而且废品率也较低。因此,2次共挤涂覆工艺目前是生产三层结构阻氧型PERT管道的首选工艺,但该工艺也存在缺点,相对1次共挤工艺,2次共挤涂覆管材的涂覆层要厚一些。由于EVOH的价格还要比PERT几乎高出1倍,因此,涂覆层越厚,管材的生产成本也越高。但是出于生产容易等方面的考虑,目前国内企业多数使用2次共挤涂覆工艺来生产3层结构管,而对于5层结构管则只能采用1次共挤涂覆工艺。

2PERT管材挤出机设备
PERT管材生产要求把原料良好的性能“复制”到管材上,并且希望实现连续快速挤出,以达到生产出优质产品和较好的经济效益。
PERT管材生产线一般有以下几部分组成:
自动加料干燥系统                    
高效单螺杆挤出机             
PERT管材专用模具
定径,冷却系统
高速牵引机
进口打印机
(7)无屑切割机
(8)KRSJ双工位收卷机
(9)PLC智能电脑控制系统
在PERT管材加工过程中,随着原料的熔融,管坯的成型,冷却定径等过程中,由于原料的分解、分子链的取向或冷却过程中的结晶造成管材力学性能下降。所以,原料的塑化及管坯的冷却定径是控制挤出质量的关键,即如何将原料的性能更好的转移到管材,对挤出设备而言,应满足以下几点:
(1)实现低熔温度,最大程度地减少原料在熔融和塑化过程中的分解。
(2)使熔体具有优良均匀的性能,在管坯成型过程中保证聚合物分子链不延纵向取向。
(3)实现均匀冷却,减少管材内应力。
2.1、螺杆机筒设计
根据PERT管材料特点。螺杆长径比要求相对较大,宁波国荣基康润机械公司设计33:1,在螺杆结构上采用双阶混炼型螺杆,在螺杆的中和头部各有一段混炼元件,避免对材料的过度剪切,下料段机筒采用独立衬套结构,,冷却介质冷却,内表面轴向开槽,这些结构设计有助于提高加料段的输送效率,螺杆机筒材料选用优质合金,表面进行特殊的处理,在动力的配置上采用高效率,运行平稳的变频电机,转速可达150RPM,在传动结构上,挤出机采用高扭矩输出,进口推力轴承,齿轮为特殊合金特殊热处理而成,降低了噪音的热损耗,挤出操作采用先进的控制系统,保证了PE-RT的稳定安全高速挤出。
在此我们强调主机的设计非常重要,否则产量和质量都难以达到要求,例如同为Φ65螺杆,产量可达250kg/h,稳定生产先速度可达25m/min以上, 以上安装力求从技术与经济的角度将各过程完美的组合,力求达到最佳性能和价格比。
2.2PE-RT专用机头设计
普通挤管机头——支架芯棒式模头由于料流的熔合缺陷,难以保证PERT管材的生产。目前国内外大多用螺旋式模头。我公司在实践中设计了一种较适合PE-RT挤出的模头,称之为PERT式专用模头。来自挤出机的料流进入模头时,首先通过梅花形分流梭,分成多股,而后又汇合通过螺旋分流体形成环形管状料流,此料流经环形过滤装置,汇合后逐渐压缩,最后进入由芯棒与此同时口模组成的环表流道,形成管坯挤出,料流在多次的分流和汇合中,达到高度均质塑化。实践证明,该模头可实现国外先进生产线所提倡的PERT“低温低压”挤出,从设计上保证了材料不会因过度剪切而导致降解,更适合高速生产。
3、高效定径冷却系统
PERT管道生产线与一般聚烯烃管道生产线基本构成是一样的,主要区别在于冷却定径部分。聚丁烯熔体粘度大,为使管坯顺利进入定径套,一般在定径套前增加一个预冷环。另外,由于聚丁烯热焓大,为了加快冷却速度,可以采用套管式和碟片式组合冷却定型装置。定径套的结构、加工精度及冷却方式对加工PERT管材的质量非常很需要,碟片水环定径套(冷却水对定径水套进行循环冷却,但却不接触管材)可在短时间内生产薄壁(冷水)管,但由于物料进入定径套时温度较高,粘度较大,采用水不式定径套在长时间生产中,会造成管材外表逐渐粗糙甚至拉断,所以,PE-RT管的生产,采用水帘碟片式定径套,在管材进入定径套前对其进行预冷却,另外,也防止物料粘附在定径套入口,造成阻塞。PERT材料热容量较大,尤其是高速做管,为满足较快的挤出速度需配置较长的定径冷却长度,可满足高速生产情况下冷却和定型的需要。PERT管道生产线与一般聚烯烃管道生产线基本构成是一样的,主要区别在于冷却定径部分。聚丁烯熔体粘度大,为使管坯顺利进入定径套,一般在定径套前增加一个预冷环 。
国家对塑料管材政策的倾斜,使PERT管材的应用前景和市场潜力巨大。选择好的原料和适宜的加工设备、正确的加工工艺能生产出优质的产品,我们也不断推出新设备满足大家的要求,希望通过努力共同促进塑料建材业的发展。

 

 
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