燃气用埋地耐开裂聚乙烯（PE100-RC）管材的挤出工艺分析

代营伟

（河南联塑实业有限公司，河南 周口 466700）

1 引言

第四代聚乙烯通过分子结构设计，进一步提高耐慢速裂纹增长性能。在有外部划伤和点载荷的作用下，仍能够达到100年的设计使用寿命，即耐开裂聚乙烯PE100-RC。

PE100-RC继承了PE管材的技术优点，并可用于管道更新、非开挖安装和管道快速敷设技术。在德国、波兰、奥地利、比利时和邻近国家越来越多的使用，如德国规定：在直接回填、非开挖管道施工、老旧管道修复中，必须使用PE100-RC管道。

由于PE100-RC燃气管材的的生产包括原料选型、工艺、设备、模具等要素，所以制品难免出现各种各样的问题，为了避免出现质量问题，就要从影响因素入手，科学合理的制度处理方案。

2 PE100-RC燃气管材的质量要求

外观质量：管材内外表面应清洁、光滑，不允许有气泡、明显的划伤、凹陷、杂质、颜色不均匀及切口截面不允许有气泡等缺陷。管端头应切割平整，并与管轴线垂直。

规格与公差：某一规格的PE100-RC燃气管材，其平均外径、壁厚、不圆度、长度等要符合GB15558.1-2003.

物理力学性能：PE100-RC燃气管材的静液压强度、断裂伸长率、耐快速裂纹扩展、熔体流动速率、纵向回缩率、耐慢速裂纹增长、热稳定性等要满足GB15558.1-2003的要求，还应符合以下额外要求.

3 影响PE100-RC燃气管材的成型质量的因素

3.1 原料选择

目前有多家公司能够商业化生产PE原料，如道达尔石化、北欧化工、巴塞尔以及英国的BP，选择原料主要考虑以下几个性能参数：

3.1.1 MFR（原料熔体流动速率）：PE的熔体流动速率越小（分子量越大），分子链愈长，晶片间的系带分子数愈多，ESCR（耐开裂）性能愈好。因为PE的分子量越大，表面能就越大，破裂强度也越大，所以ESCR性能就愈好。

3.1.2 选用己烯共聚的双峰分子量分布的聚乙烯。以己烯共聚单体生成的HDPE树脂，较1-丁烯共聚树脂具有更好的拉伸强度、耐慢速和快开裂性、抗冲击性、耐环境应力开裂性也大大提高。双峰聚乙烯可通过特有的分子量分布和共聚单体分布来同时满足耐慢速开裂增长和耐快速开裂增长性能。

3.2 生产设备

3.2.1 干燥机

原料中水分的含量直接影响管材产品的表面质量，原料中的水分含量高，管材表面会出现气泡、凹陷，严重时会影响到管材的耐压强度。因此生产前要对原料进行烘干处理。目前，干燥方式有热风干燥和除湿干燥两种，热风干燥机的原理是利用热风吹走原料中的水分，仅能去除原理表面的水分。

3.2.2 PE100-RC燃气管材挤出生产线

为了确保PE100-RC燃气管材的质量，挤出生产线应满足以下要求：

（1）应有重力计量系统和在线壁厚测量装置。重力计量系统和在线壁厚测量装置不仅能够带来显著的经济效益，另一方面可保证管材各个点的壁厚均达到标准。

（2）螺杆是挤出机的核心部分，它决定了管材的生产速度并对管材的质量有重要影响，欧洲设备加强塑化效果较好。螺杆必须达到高扭矩、合理的螺杆直径、理想的混炼效果、严格控制剪切作用、较大的加工适应性等要求。

（3）应有自动换网过滤装置。过滤装置不仅可以去除杂质，还可以对设备增加背压，加强原料塑化性能。

（4）模具主要是使熔融塑化的树脂在一定的压力下成型为所需的截面形状，它决定着产品的外形尺寸和表观质量，影响制品的物理力学性能。所以模具必须达到以下要求：

a.物料在模头里可以得到进一步充分的混合以均匀的熔体挤出口模。b.能确保物料在机头内保持较低熔体压力和挤出稳定的平衡。c.能确保物料在机头内维持较低的料温，以防止物料在机头挤出时产生横向流动和过早的产生氧化效应。

（5）定型装置的要求：

a.良好的导热性能提供熔融物料在短距离内快速得到充分的表面冷却，冷却速度能保证管材表面迅速形成固体相得表层。b.高耐磨性能。c.内表面应具备较高的光洁度。

（6）真空定型和冷却装置的要求：

a.提供强力的冷却能力。b.具有各种生产条件下的稳定真空度。c.具有稳定的水温水位控制系统。d.具有长期的防腐蚀性能。e.能提供环绕管材均匀的冷却能力。f.能够满足管材足够的冷却长度，使管材通过牵引后不会破坏管材的圆度。

（7)牵引装置的要求：

a.能够提供足够的牵引力保证管材前进。b.能够稳定、匀速的运转。

3.3 工艺控制：

3.3.1 水分控制

原料中水分的含量直接影响管材的质量，生产过程中，应控制水分含量<200mg/kg。

3.3.2 挤出温度

挤出机的温度直接影响成型过程和管材质量。温度过低，物料塑化不好，成型产品表面粗糙；温度过高，塑料易与模具、定径套表面黏结，使制品表面有划痕。因此，适合的加工温度很重要。

(1)机筒温度

根据原料性能和设备结构，一般选择从喂料区到模头的温度平坦分布。

(2)机头温度

为了获得较好的外观及力学性能，以及减小熔体出口膨胀，一般控制机身温度较低，机头温度较高。机头温度偏高，可使物料顺利进入模具，但挤出物的形状稳定性差，收缩率增加。机头温度低，则物料塑料不良，熔体粘度大，机头压力上升。虽然这样会使制品太得较密实，后收缩率小，产品形状稳定性好，但是加工较困难，离模膨胀较大，产品表面粗糙。

(3)口模温度

口模和芯模的温度对管子表面光洁度有影响，在一定的范围内，口模与芯模温度高，管子表面光洁度高。通常来讲，机头入口和出口熔体温差不应超过20度。因为熔体与金属间较高的温度差将导致鲨鱼皮现象。过高的熔体温度导致口模积料。

(4)熔体温度

在螺杆未端测得的熔体实际温度，因而是因变量。主要决定于螺杆转速和机筒设置温度。聚乙烯管材挤出的熔体温度上限一般规定为230度。

3.3.3 挤出速度

挤出机螺杆转速低时，物料在机筒内停留时间长，PE易受破坏，生产出的管材ESCR性能差。转速增加，产量提高。剪切速率增加，熔体表观粘度下降。有利于物料的均化。同时由于塑化良好，使分子间的作用力增大，机械强度提高。

3.3.4 冷却速度

PE管材成型时，当冷却能快速越过最佳的结晶温度时，管材表面就形成结晶度较低的聚集态，而中间层和内表层则因PE传热慢，致使在较高温度下停留时间延长，而获得晶核数量及生长速度较为有利的结晶层。所以，如果挤出温度适当低些，配合适宜的冷却速度，可使PE管材内部生产球晶细小且结晶度高的聚集态，对PE管材其他性能和ESCR性能均有利。

3.3.5 牵引速度

在生产PE管材时，牵引速度与挤出速度应协调，若牵引速度大于挤出速度，则PE分子链沿着牵引方向取向，在牵引力作用下，弹性还没恢复就被冷却成型，易在轴线上产生裂纹，影响产品耐开裂性能。

结束语

正确选择挤出工艺、控制挤出温度、冷却速度、牵引速度将对PE管材的ESCR性能有很大影响；正确选择PE树脂牌号、分子量、熔体流动速率等对PE管材性能产生极大影响，而PE组合物成分的合理选配也关系到ESCR性能。

[1]倪立营，孔凡河，张超.一种聚乙烯管材专用抗老化改性母料.曲阜市东宏实业有限公司，2011-08-24.

[2]张玉川.聚乙烯管材的发展前景[J].中国塑料，2000-02-28.