一种新型耐热聚乙烯管的开发与生产

2004-09-10

1 PE管材的发展史及其主要物理化学性能 自从1998年慕尼黑国际煤联LGU配气委员会会议推荐用聚乙烯作为埋地燃气管道输配管的原料以来,通过世界各国15年来大量的研究开发,聚乙烯管道已发展成多品种、多领域应用的管材,并进入了城市给水、室内给水、农田灌溉等领域。国际统计资料表明,聚乙烯管道的产量每年以10%-15%的速度迅速增加,根据1991年丹麦哥本哈根召开的国际水协代表会议的报告,欧美国家水管网中Ф400mm口径以下的管道,其中50%是塑料管(大部分是PE管),而我国1990年的统计资料表明,在中国水管网中,85%以上的管道是灰铁铸铁管,差距之大可想而知。 中国从20世纪70年代开始研制PE管材,到90年代初,国家计划委员会将高密度聚乙烯燃气管项目列为“七·五”重点科技攻关项日,目前,城市埋地燃气管已有30%采用聚乙烯气管。2001年7月,国家建设部发布第27号公告,其中PE管在7类管材中全面介入,在这7类管材中,PE管是唯一全面进入的一种管材。这充分体现了PE管的质量可靠、安装方便等优点。 PE管材具有如下的主要物理化学性能:(1)密度为0.94g/cm^3,约为钢管的1/8;(2)工作温度为-40~60℃,耐温性很宽,是一种冻不裂的管材;(3)耐压性好,在80℃,4.0MPa下1000h不破裂。特别是有良好的动态断裂韧性KD值,如PE-100,PE,PP-R,PVC-U的KD值分别为3.2,2.9,1.6,1.0MNm^3/2,可见PE管材具有快速裂纹传递抵抗能力;(4)导热系数为0.4W/m·K,而PP-R为0.24W/m·K,PB为0.17W/m·K,可见PE的导热性能较PP-R及PB好:(5)拉伸强度为335kg/cm^2,高于PEX,PB,ABS的拉伸强度;(6)具有熔接性:(7)抗冲击性能为13kT/m2,是PP-R的4倍,PVC的6倍;(8)具有可弯曲性能,是柔性(半硬)的管材,可连续生产盘管,做到中间没有接头。 2 耐热聚乙烯简介 耐热聚乙烯(polyethylene of raisedtemperature resistance,PE-RT),是一种可以用于热水管的非交联的聚乙烯。 PE-RT的发展过程为: (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的历史结束。 (2)2003年5月韩国SK株式会社的YUCLAIRDX800正式通过国际认证机构BODYCOTE的认证,成为世界上第2个合格的PE-RT管材专用料生产企业。 PE-RT的主要特点为: (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。 3 PE-RT耐热性能的机理--PE-RT结构分析 普通聚乙烯仅适用于45℃以下的温度范围,而用SK株式会社开发的PE-RT DX800产品生产出的管材可以在80℃的条件下使用,其耐热性能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1阶段,连接晶格的共聚单体被拉长:第2阶段,晶格受较大的剪切应力而互相分离:第3阶段,共聚单体被破坏。由此看来,共聚单体的类型和数目及其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(如SK株式会社的DX800)的结构特点。它是乙烯和辛烯的共聚产物,主链由线性聚乙烯构成,而辛烯的较短分子链构成其支链。通过在聚合反应中对聚乙烯分子链上支链的数日和分布进行适度控制,可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,保证了链的足够长度,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,防止了晶格破坏。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耐热性能较好的根本原因。 4 PE-RT的其他性能比较 PE-RT与其他管材材料的各项性能比较见表1。由表1可见: (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的导热性能较好,其导热系数为PP-R和PP-B管材的2倍,比较适合地板采暖。 (4)低温耐热冲击性:PE-RT,PB和PEX的耐低温冲击性能较好。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及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 PE-RT等各类管材性能比较 Table 1 Comparison of behavious between PE-RT and other kinds of pipe materials ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 性能 PE-RT PEX PP-R PB ─────────────────────── 耐压性能 + + - ++ 柔软性 + + - + 导热性 ++ ++ + + 耐低温性能 + + - + 加工性能 + - + + 熔接性能 + - + + 环保性能 + - + + 性能稳定性 + - + + 综合成本 + - + - ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 5 PE-RT管材的加工和生产 5.1 SK株式会社DX800管材专用料的技术指标 DX800管材专用料的技术指标见表2。 5.2 DX800的PE-RT认证 由欧洲知名测试机构BODYCOTE负责进行测试,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上方。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,并规定了部分指定温度和环应力下管材最小破坏时间,见表3。 表2 DX800性能指标 Table 2 Properties of DX800 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 项目 测试方法 性能指标 ──────────────────────────────── 熔融指数(190℃,2.16kg)/(g/10/min) ISO1133 0.631 密度/(g·cm^-3) ISO1183 0.933 维卡软化点/℃ ISO306-A 119.2 屈服拉伸强度/(kg·cm^-2) ISO527 154 断裂伸长强度/(kg·cm^-2) ISO527 419 断裂伸长率/% ISO527 730 弯曲模量/(kg·cm^-2) ISO178 4740 邵氏硬度/Shore D ISO868 53 氧化透导期OIT(210℃)/min ISO11357-6 108 熔点/℃ ISO11357 124.4 杜邦冲击强度(23℃)/(kg·cm/cm) ASTMD2794 1250 耐环境开裂(ESCR)/h ASTMD1693-B >12000 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 表3 管材试验标准 Table 3 Test standard for pipe materials ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 标准要求 测试结果 ──────── ──────────── 测试温度/ 环应力 最小破坏 环应力 实际破坏 /℃ /WPa 时间/h /MPa 时间/h ────────────────────────── 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 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 5.3 PE-RT管材的中国标准 PE-RT管材中国标准为;中华人民共和国城镇建设行业标准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。该标准的修改采用了德国标准DINl6833:2001《耐热聚乙烯管道(PE-RT)--一般质量要求检验》。在该标准中明确指出:冷热水用耐热聚乙烯(PE-RT)管道系统具有耐热、耐低温和可热熔接性。 5.4 DX800的加工指南 DX800的加工指南包括下述7个方面: (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)为防止粘连,管材通过定径段时需要对管材喷淋。 (5)低压缩比的屏障式螺杆,压缩比为2.2-2.5。 (6)口膜间隔等于管材厚度的1.7倍。 (7)浸泡式冷却方式。 5.5 PE-RT管材生产情况 国内已有上海日丰管业、由西新超塑料管业、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。国内正在研制开发生产PE-RT的专用设备,不久即将问世。 6 结论 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株式会社生产的DX800专用料是世界上除陶式公司以外第2个通过国际论证的产品,具有性能优良,价格适中的优点,值得推广。 3.由于PE-RT开发成功,聚乙烯管材结束了不能在热水系统中使用的历史,成为可以在各种领域中大量使用的最优秀的塑料管材,在中国已有G1-G7种类的管材系列中可以使用PE管,大力推广PE管材仍是今后工作的重点。

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