燃氣用埋地耐開裂聚乙烯（PE100-RC）管材的擠出工藝分析

代營偉

（河南聯塑實業有限公司，河南 周口 466700）

1 引言

第四代聚乙烯通過分子結構設計，進一步提高耐慢速裂紋增長性能。在有外部劃傷和點載荷的作用下，仍能夠達到100年的設計使用壽命，即耐開裂聚乙烯PE100-RC。

PE100-RC繼承了PE管材的技術優點，并可用于管道更新、非開挖安裝和管道快速敷設技術。在德國、波蘭、奧地利、比利時和鄰近國家越來越多的使用，如德國規定：在直接回填、非開挖管道施工、老舊管道修復中，必須使用PE100-RC管道。

由于PE100-RC燃氣管材的的生產包括原料選型、工藝、設備、模具等要素，所以制品難免出現各種各樣的問題，為了避免出現質量問題，就要從影響因素入手，科學合理的制度處理方案。

2 PE100-RC燃氣管材的質量要求

外觀質量：管材內外表面應清潔、光滑，不允許有氣泡、明顯的劃傷、凹陷、雜質、顏色不均勻及切口截面不允許有氣泡等缺陷。管端頭應切割平整，并與管軸線垂直。

規格與公差：某一規格的PE100-RC燃氣管材，其平均外徑、壁厚、不圓度、長度等要符合GB15558.1-2003.

物理力學性能：PE100-RC燃氣管材的靜液壓強度、斷裂伸長率、耐快速裂紋擴展、熔體流動速率、縱向回縮率、耐慢速裂紋增長、熱穩定性等要滿足GB15558.1-2003的要求，還應符合以下額外要求.

3 影響PE100-RC燃氣管材的成型質量的因素

3.1 原料選擇

目前有多家公司能夠商業化生產PE原料，如道達爾石化、北歐化工、巴塞爾以及英國的BP，選擇原料主要考慮以下幾個性能參數：

3.1.1 MFR（原料熔體流動速率）：PE的熔體流動速率越小（分子量越大），分子鏈愈長，晶片間的系帶分子數愈多，ESCR（耐開裂）性能愈好。因為PE的分子量越大，表面能就越大，破裂強度也越大，所以ESCR性能就愈好。

3.1.2 選用己烯共聚的雙峰分子量分布的聚乙烯。以己烯共聚單體生成的HDPE樹脂，較1-丁烯共聚樹脂具有更好的拉伸強度、耐慢速和快開裂性、抗沖擊性、耐環境應力開裂性也大大提高。雙峰聚乙烯可通過特有的分子量分布和共聚單體分布來同時滿足耐慢速開裂增長和耐快速開裂增長性能。

3.2 生產設備

3.2.1 干燥機

原料中水分的含量直接影響管材產品的表面質量，原料中的水分含量高，管材表面會出現氣泡、凹陷，嚴重時會影響到管材的耐壓強度。因此生產前要對原料進行烘干處理。目前，干燥方式有熱風干燥和除濕干燥兩種，熱風干燥機的原理是利用熱風吹走原料中的水分，僅能去除原理表面的水分。

3.2.2 PE100-RC燃氣管材擠出生產線

為了確保PE100-RC燃氣管材的質量，擠出生產線應滿足以下要求：

（1）應有重力計量系統和在線壁厚測量裝置。重力計量系統和在線壁厚測量裝置不僅能夠帶來顯著的經濟效益，另一方面可保證管材各個點的壁厚均達到標準。

（2）螺桿是擠出機的核心部分，它決定了管材的生產速度并對管材的質量有重要影響，歐洲設備加強塑化效果較好。螺桿必須達到高扭矩、合理的螺桿直徑、理想的混煉效果、嚴格控制剪切作用、較大的加工適應性等要求。

（3）應有自動換網過濾裝置。過濾裝置不僅可以去除雜質，還可以對設備增加背壓，加強原料塑化性能。

（4）模具主要是使熔融塑化的樹脂在一定的壓力下成型為所需的截面形狀，它決定著產品的外形尺寸和表觀質量，影響制品的物理力學性能。所以模具必須達到以下要求：

a.物料在模頭里可以得到進一步充分的混合以均勻的熔體擠出口模。b.能確保物料在機頭內保持較低熔體壓力和擠出穩定的平衡。c.能確保物料在機頭內維持較低的料溫，以防止物料在機頭擠出時產生橫向流動和過早的產生氧化效應。

（5）定型裝置的要求：

a.良好的導熱性能提供熔融物料在短距離內快速得到充分的表面冷卻，冷卻速度能保證管材表面迅速形成固體相得表層。b.高耐磨性能。c.內表面應具備較高的光潔度。

（6）真空定型和冷卻裝置的要求：

a.提供強力的冷卻能力。b.具有各種生產條件下的穩定真空度。c.具有穩定的水溫水位控制系統。d.具有長期的防腐蝕性能。e.能提供環繞管材均勻的冷卻能力。f.能夠滿足管材足夠的冷卻長度，使管材通過牽引后不會破壞管材的圓度。

（7)牽引裝置的要求：

a.能夠提供足夠的牽引力保證管材前進。b.能夠穩定、勻速的運轉。

3.3 工藝控制：

3.3.1 水分控制

原料中水分的含量直接影響管材的質量，生產過程中，應控制水分含量<200mg/kg。

3.3.2 擠出溫度

擠出機的溫度直接影響成型過程和管材質量。溫度過低，物料塑化不好，成型產品表面粗糙；溫度過高，塑料易與模具、定徑套表面黏結，使制品表面有劃痕。因此，適合的加工溫度很重要。

(1)機筒溫度

根據原料性能和設備結構，一般選擇從喂料區到模頭的溫度平坦分布。

(2)機頭溫度

為了獲得較好的外觀及力學性能，以及減小熔體出口膨脹，一般控制機身溫度較低，機頭溫度較高。機頭溫度偏高，可使物料順利進入模具，但擠出物的形狀穩定性差，收縮率增加。機頭溫度低，則物料塑料不良，熔體粘度大，機頭壓力上升。雖然這樣會使制品太得較密實，后收縮率小，產品形狀穩定性好，但是加工較困難，離模膨脹較大，產品表面粗糙。

(3)口模溫度

口模和芯模的溫度對管子表面光潔度有影響，在一定的范圍內，口模與芯模溫度高，管子表面光潔度高。通常來講，機頭入口和出口熔體溫差不應超過20度。因為熔體與金屬間較高的溫度差將導致鯊魚皮現象。過高的熔體溫度導致口模積料。

(4)熔體溫度

在螺桿未端測得的熔體實際溫度，因而是因變量。主要決定于螺桿轉速和機筒設置溫度。聚乙烯管材擠出的熔體溫度上限一般規定為230度。

3.3.3 擠出速度

擠出機螺桿轉速低時，物料在機筒內停留時間長，PE易受破壞，生產出的管材ESCR性能差。轉速增加，產量提高。剪切速率增加，熔體表觀粘度下降。有利于物料的均化。同時由于塑化良好，使分子間的作用力增大，機械強度提高。

3.3.4 冷卻速度

PE管材成型時，當冷卻能快速越過最佳的結晶溫度時，管材表面就形成結晶度較低的聚集態，而中間層和內表層則因PE傳熱慢，致使在較高溫度下停留時間延長，而獲得晶核數量及生長速度較為有利的結晶層。所以，如果擠出溫度適當低些，配合適宜的冷卻速度，可使PE管材內部生產球晶細小且結晶度高的聚集態，對PE管材其他性能和ESCR性能均有利。

3.3.5 牽引速度

在生產PE管材時，牽引速度與擠出速度應協調，若牽引速度大于擠出速度，則PE分子鏈沿著牽引方向取向，在牽引力作用下，彈性還沒恢復就被冷卻成型，易在軸線上產生裂紋，影響產品耐開裂性能。

結束語

正確選擇擠出工藝、控制擠出溫度、冷卻速度、牽引速度將對PE管材的ESCR性能有很大影響；正確選擇PE樹脂牌號、分子量、熔體流動速率等對PE管材性能產生極大影響，而PE組合物成分的合理選配也關系到ESCR性能。

[1]倪立營，孔凡河，張超.一種聚乙烯管材專用抗老化改性母料.曲阜市東宏實業有限公司，2011-08-24.

[2]張玉川.聚乙烯管材的發展前景[J].中國塑料，2000-02-28.