硅烷交聯(lián)聚乙烯管道系統(tǒng)質量控制

姚水良 杜治波 鄭立克

(愛康企業(yè)集團上海有限公司，上海, 201314)

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硅烷交聯(lián)聚乙烯管道系統(tǒng)質量控制

姚水良 杜治波 鄭立克

(愛康企業(yè)集團上海有限公司，上海, 201314)

摘要：從原材料、生產工藝、生產設備、使用條件、連接可靠性、施工設計方面分析了影響交聯(lián)聚乙烯(PE-X)管道系統(tǒng)質量的因素。重點討論了配方以及固化工藝對硅烷交聯(lián)聚乙烯(PE-Xb)管材交聯(lián)度的影響，提出了使用條件、連接可靠性、施工設計是確保PE-X管道系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要影響因素的觀點。

關鍵詞：硅烷交聯(lián)聚乙烯管道系統(tǒng)連接可靠性質量控制

交聯(lián)聚乙烯(PE-X)管道在制造過程中不需要添加增塑劑，衛(wèi)生性能好，耐熱耐寒性能好，耐化學品腐蝕，抗蠕變強度高，安裝施工方便等特點[1]受到市場的青睞。PE-X管道的實際應用中發(fā)現(xiàn)，管材本身質量事故率極低，大部分事故往往是由管材連接部分或其他因素引起。目前應用較多的管道為硅烷交聯(lián)聚乙烯(PE-Xb)。

PE-Xb管道系統(tǒng)質量應該包含2個方面：PE-Xb管材本身品質和PE-Xb管道系統(tǒng)質量可靠性。傳統(tǒng)的觀點僅認為只是前一部分，而忽略了后一部分。因而加強引導人們對PE-Xb管材本身以及應用系統(tǒng)的質量控制的正確認識，對于規(guī)范PE-Xb管材市場和維護該行業(yè)的健康發(fā)展極為重要。

下面將從PE-Xb管材生產、應用等6個方面分析PE-Xb管道系統(tǒng)的整個質量控制環(huán)節(jié)，這6個方面缺一不可，每一個環(huán)節(jié)的欠缺都可能給最終用戶造成不可避免的損失。

1原材料

原材料是保障PE-X管道質量的根本。GB/T 18992—2003《冷熱水用交聯(lián)聚乙烯(PE-X)管道系統(tǒng)》對用以生產PE-X管材的原料選用作了嚴格的限制，要求選用經(jīng)嚴格認證的材料。該標準對管材原材料提出2點基本要求：要求主料為高密度聚乙烯(HDPE)；將該材料制成PE-X管材后，按照GB/T 18252—2000標準方法作出該材料的蠕變破壞曲線，該材料的蠕變破壞曲線與標準中給出的PE-X管預測靜液壓強度參照曲線相比較，試驗結果的бLcl(長期靜液壓強度的置信下限值)在整個溫度及時間范圍內均應高于參照曲線上的對應值。

對于應用于飲用水系統(tǒng)的PE-Xb管材，還要求原材料符合GB/T 17219衛(wèi)生性要求。此外，輔料中催化劑應選用無毒的二月桂酸二辛基錫，不宜用二月桂酸二丁基錫；應采用分解后殘留氣味小的引發(fā)劑。

2生產工藝

目前國內市場上的PE-X管材主要為3類：輻射PE-X管材、過氧化物PE-X管材和硅烷PE-X管材。硅烷交聯(lián)是目前全球大多數(shù)廠家選擇的工藝方法，所生產的產品結構為由硅氧鍵聯(lián)接的網(wǎng)絡結構，在高溫下可保持較高的液壓強度[2]。一般先在擠出機中完成接枝反應，而后接枝聚乙烯管材在溫水或蒸汽中蒸煮完成固化交聯(lián)。由于其擠出過程中不發(fā)生固化反應，僅發(fā)生接枝反應，接枝后的聚乙烯可溶可熔，具有良好流動性，因而其生產過程易于控制，產品質量穩(wěn)定，產量高，該工藝又稱溫和的交聯(lián)工藝，適合大規(guī)模工業(yè)化生產。PE-Xb管材的品質主要從如下方面進行控制。

2.1配方

生產PE-Xb管材主體原料為HDPE，但HDPE的交聯(lián)度低，為了解決這一矛盾,一般采用HDPE與低密度聚乙烯(LDPE)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)共混的方式[3]。

一般一步法選用甲氧基硅烷，二步法則選用乙氧基硅烷作為硅烷接枝劑，合理用量范圍為1.5～2.5 份。較常用的引發(fā)劑是過氧化二異丙苯(DCP)，一般隨著引發(fā)劑用量增加，交聯(lián)度會隨之增加，但在加工過程中，交聯(lián)度過高容易導致加工困難，因此引發(fā)劑合理用量范圍為0.01～0.10 份。催化劑的選擇與用量要恰當，合理用量范圍為0.1～1.0 份，一般含催化劑的試樣經(jīng)1 h后就可達到50%交聯(lián)度，而不含催化劑的試樣大約在180 h后才能達到50%的交聯(lián)度。

此外，在配方中應加入足夠份量的抗氧母料(含抗銅劑)以確保PE-X管在預期的使用年限內不出現(xiàn)化學降解破壞。

2.2材料預處理

為避免在生產過程中出現(xiàn)預交聯(lián)，必須要對基料進行干燥預處理，處理后的物料含水量應低于200 mg/kg。硅烷是極易吸潮結晶的物質，因而整個系統(tǒng)必須保持良好的密封性。干燥程度和系統(tǒng)密封性直接影響生產能否正常進行以及管材的質量(含有凝膠塊)。

2.3螺桿轉速

螺桿轉速的控制對于PE-Xb管材的順利生產與質量影響都較大。螺桿轉速慢，物料在擠出機內停留時間長，則可能會產生預交聯(lián)或形成過多的C─C交聯(lián)結構；螺桿轉速太快，物料在擠出機內停留時間太短，反應不充分，將最終導致交聯(lián)度不夠。一般螺桿轉速控制不允許低于15 r/min，正常應控制在40～80 r/min。在生產過程中不允許停機時間超過5 min，否則需拆卸并清理螺桿、模具。此外，剛開機1 h內的產品最終很難達到交聯(lián)度要求。

2.4擠出工藝溫度

一步法PE-Xb在擠出過程中主要化學反應分為過氧化物分解、聚乙烯脫氫原子、硅烷接枝、自由基轉移4個反應過程。一般料筒分6段式溫度控制，根據(jù)化學反應過程來設定各段溫度。第1，2段為物料輸送段及預熱段，為確保高的輸送效率，控制溫度應較低；第3，4段為熔融段并伴隨著過氧化物分解以及脫氫反應，溫度控制極為重要，控制過低將會導致交聯(lián)度偏低，控制過高則容易形成過氧化物交聯(lián)工藝中典型的C—C結構，該種結構表現(xiàn)為二維網(wǎng)狀結構，而不是硅烷交聯(lián)工藝要求的三維網(wǎng)狀結構，這對產品質量以及生產的順利進行是不利的；第5,6段主要發(fā)生硅烷接枝，自由基轉移反應以及物料均化，料筒模具溫度一般控制為130～225 ℃，螺桿溫度控制在130 ℃。

當然，物料在料筒中所發(fā)生的反應比上述描述復雜得多，各種反應并不是按照料筒分段嚴格區(qū)分，而是在某一階段同時進行幾種反應，還伴隨著許多副反應。

2.5固化工藝

PE-Xb管材在擠出過程中交聯(lián)程度很低，通常將接枝的聚乙烯管材浸泡在85 ℃以上熱水或置于低于105 ℃的蒸汽中，使其在催化劑作用下，通過水解縮合反應，得到三維立體網(wǎng)狀分子結構的交聯(lián)聚乙烯成品，時間一般為8～12 h。

以HDPE 80份，LLDPE 20份，乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)3份，DCP 0.2份，二月桂酸二丁基錫(DBTDL)0.25份，抗氧劑(1010)0.1份為配方生產的PE-Xb管材，分別置于25，85 ℃水浴中，交聯(lián)度與交聯(lián)時間之間的關系，見圖1。

圖1　 不同水溫條件下交聯(lián)度與時間的關系

圖1中2條曲線的前8個點均分別對應1，2，3，4，5，6，9，12，24 h的交聯(lián)度。由圖1可以看出，在85 ℃條件下，交聯(lián)度上升很快，6 h便可達到65%的交聯(lián)度。而在25 ℃條件下，交聯(lián)度要達到65%需要很長時間。

國內剛引進一步法PE-Xb管材生產線時，部分廠商認為該道工序可在客戶的使用過程中來完成，對該道工序并不重視，因而出廠的管材交聯(lián)度往往不夠，這會導致在應用中出現(xiàn)問題。首先，不經(jīng)固化處理的管材，其在使用過程中縱向回縮率達5%以上，容易發(fā)生連接處拉脫；其次，由于該種管材交聯(lián)度不夠，若客戶前期使用溫度和壓力同時在較高的(設計范圍內)情況下，往往容易爆管。

3生產設備

據(jù)生產廠家的生產經(jīng)驗以及檢測機構的測試結果，很多使用進口料生產的PE-X管，通常會因為設備、模具的影響導致管材的某些指標不達標。

PE-X管材的生產需要專用的擠出設備，以確保組分充分塑化、完成化學反應及較窄的停留時間分布，從而確保管材微觀交聯(lián)點的均勻分布和宏觀交聯(lián)度。

就一步法PE-Xb管材生產而言，目前國內引進了瑞士麥拉菲爾公司的Monosil技術以及加拿大INTECK公司的INSILTECK技術。它們的特點：螺桿為4段式反應型螺桿且螺桿恒溫控制；硅烷、物料的計量輸送采用PLC自動控制以及相配套的材料預處理系統(tǒng)，生產速度快，產品質量穩(wěn)定。目前國內已研制成功一步法PE-Xb管材生產設備。

4使用條件

塑料冷、熱水管的使用壽命與其使用條件(溫度、壓力)密切相關。脫離使用條件，就無法預測管材壽命。通過科學的統(tǒng)計、分析，預測了PE-X管材使用溫度和使用時間之間的關系。GB/T 18992—2003中規(guī)定了管材使用條件級別。

各廠家應對經(jīng)銷商、用戶加強使用條件級別這方面的知識培訓，引導人們正確認識、使用新型冷熱水管；此外生產廠家也應該加強標識的規(guī)范性，引導人們正確使用。例如，某品牌PE-X管標示使用溫度“-80～130 ℃”，無理論依據(jù)地擴大使用范圍，并留下安全隱患。

5連接可靠性

在國內剛引進PE-X管時，由于忽略了管材管件連接可靠性，PE-X用于熱水系統(tǒng)甚至冷水系統(tǒng)出現(xiàn)多起滲水、拉脫等事故，嚴重影響了PE-X管材的推廣。在GB/T 18992—2003中引進了系統(tǒng)適應性這一重要概念。系統(tǒng)適應性試驗包括靜液壓、冷熱水熱循環(huán)、循環(huán)壓力沖擊，耐拉拔、彎曲、真空試驗共6種。為確保連接可靠性，管材廠家所生產管材與所配套管件連接起來應通過該6項試驗。通常，以下兩方面會直接影響PE-X管材在系統(tǒng)中連接可靠性。

5.1 管件結構及材質

經(jīng)實踐證明，卡箍式銅管件是PE-X管材理想的配套管件?？ㄌ资?鋁塑管)結構管件，由于國內加工技術水平以及所用材料(銅，密封橡膠)與國外相比存在較大差距，建議慎用。

5.2管材質量

a)管材壁厚控制。考慮到目前管材廠家成套供應性差，而市場上管件尺寸大都按照鋁塑管接頭尺寸來控制管材壁厚。如國標中φ16,φ20管材壁厚為1.8,1.9 mm，但實際生產應按2.0 mm上偏差來控制，這樣才能與目前市場上的管件尺寸相配套。

b)管材縱向回縮率控制。為確保低的縱向回縮率，PE-X管出廠前，在高溫熱水式蒸汽中應充分蒸煮，以消除管材在生產過程中由于牽引而引起的縱向應力。

c)交聯(lián)度控制。交聯(lián)度必須達到標準所要求的最低限度。這樣管材在長期使用受熱過程中，應力作用下的蠕變值就相對較小。通常只需將管材放入烘箱，200 ℃下烘2 h即可鑒別交聯(lián)度高低。交聯(lián)度足夠的管材變透明，但仍保持管狀，并具有良好的彈性；低交聯(lián)度的管材表現(xiàn)為坍塌，管材變形后不能恢復。

交聯(lián)聚乙烯管材廠家、供應商應充分認識到系統(tǒng)連接可靠性的重要性，并加強對消費者指導，有條件的管材廠家應盡量做到成套供應或指定配套管件供應商，避免出現(xiàn)前幾年鋁塑管由于在工程中出現(xiàn)大量滲水拉脫事故而導致市場停滯不前的狀況。

6施工設計

塑料冷熱水管施工、設計必須按相應規(guī)范進行。設計者應分析客戶的使用條件級別，并查出各種使用系統(tǒng)級別下的設計應力，根據(jù)相應設計應力，選擇合適壁厚的管材。

水管明裝場合，熱水管的主干立管不宜采用PE-X管。PE-X采用卡箍式連接時，卡鉗的調節(jié)、使用，卡環(huán)的位置都有相應要求，必須重視細節(jié)。由于在施工中PE-X管容易受損，因而對工人施工操作水平有一定要求，且必須按規(guī)程進行安裝、試壓和驗收。

7結語

對于PE-X管道系統(tǒng)來說，產品的品質與用戶的正確使用，是確保管道系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的必要條件。因此，需要做好如下三方面工作。

1)廠商加強產品質量控制，原材料的使用、生產工藝，都應確保管材的品質能符合相應的使用要求；2)廠家、經(jīng)銷商應該加強GB/T 18992—2003的宣傳工作，讓消費者正確的認識、使用PE-X管道；3)管件的選擇以及施工應遵照相關的規(guī)范，保障PE-X管道系統(tǒng)正常運行，達到預期使用效果和使用壽命。

在國內地板輻射采暖方式的大面積推廣的環(huán)境下，PE-Xb管材因其杰出的耐熱耐壓性能、衛(wèi)生性能，親民的價格以及良好的導熱性能等優(yōu)點，在冷熱水系統(tǒng)中應用量將有可能超過其他任何管材。因此，為保障該新型管材的健康發(fā)展，切切實實地做好每一個控制環(huán)節(jié)尤為重要。

參考文獻

[1]李雪婷.PE-X管的性能特點及其在低溫熱水地板輻射采暖上的應用[J]. 遼寧建材,2004,(1):24-27.

[2]胡發(fā)亭,郭奕崇. 聚乙烯交聯(lián)改性研究進展[J]. 現(xiàn)代塑料加工應用,2002,14(2):61-64.

[3]張廣成,何慶龍.硅烷交聯(lián)聚乙烯的研究[J].西北工業(yè)大學學報,2003,21(2):140-143.

收稿日期：2015-10-13;修改稿收到日期:2016-03-17。

作者簡介：姚水良,愛康企業(yè)集團(上海)有限公司總工程師。E-mail:yaoshuiliang@shina.com。

DOI:10.3969/j.issn.1004-3055.2016.03.008

The Quality Control of Silane Crosslinked Polyethylene Pipe System

Yao ShuiliangDu Zhibo Zheng Like

(Akan Enterprise Group(Shanghai)Co.Ltd., Shanghai, 201314)

Abstract：The factors affecting the quality of cross-linked polyethylene pipeline system were analyzed from the following six aspects: raw material, manufacturing technique, production equipment, service conditions, connection reliability and construction design. The influence of the formula and the curing process on the cross-linking degree of the silane crosslinked polyethylene pipes was discussed. It demonstrates that the service conditions, connection reliability and construction design are important factors which guarantee the stable operation of the crosslinked polyethylene pipeline system.

Key words：silane crosslinked polyethylene；pipe system; working condition; connection reliability; quality control