耐熱聚乙烯（PE-RT）管材性能與加工工藝的探索

黃 彥

（四川多聯實業有限公司，四川 成都 610200）

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。

1 耐熱聚乙烯

耐熱聚乙烯又稱PE-RT（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。

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100℃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/K。

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，處理后得到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。