大口径超高分子量聚乙烯压力增强管道发展的意义

大直径无压力塑料管发展初期都是没有增强的全塑料缠绕熔接结构壁管。用缠绕熔接成型方法不难制造出直径大到3000mm的无压力塑料管，但由于塑料的弹性模量较低，为了达到埋地铺设所必须的环刚度不得不采用具有很大惯性矩结构壁，造成过大的材料消耗和成本。为了避免成本过高常常不得不采用较低的环刚度或采用家填充剂的原材料，结果造成质量不可靠。因此不少国家先后开发了把金属与塑料复合的大直径无压塑料管。利用钢的高弹性模量（是聚乙烯的200多倍）比较容易地达到环刚度，大幅度地减少了材料消耗和成本。目前在我国大直径无压塑料管市场上钢带增强聚乙烯波纹管已经成为主流产品。 是否可以吸收大直径无压塑料管的经验突破发展大直径塑料压力管的难点呢？本文提出以下分析供讨论。 1采用缠绕熔接工艺制造大直径塑料压力管的可行性 众所周知，采用缠绕熔接成型制造大直径无压塑料管已经普及。实践知名按照标准制造的缠绕熔接结构壁管应用于埋地排水管等无内压领域是可靠的。不同的是，采用缠绕熔接成型制造大直径塑料压力管刚起步，目前国际中只有少量产品进入市场。原因在压力管管壁要承受较高的压力，对于熔接的强度有更高的要求，而且大直径塑料压力管通常应用于干管，一旦破坏后果严重，所以各国都很谨慎。关键的问题是采用缠绕熔接能不能达到压力管要求的强度。 虽然现在还缺乏大量和长期使用缠绕熔接大直径压力塑料管的测试数据和实际经验，但是从理论上分析，如果熔接的条件合适，塑料熔接的强度可能达到等同塑料本体的强度。 在直接挤出成型塑料实壁管时，在挤出机头中都有一个塑料熔体留在支架处被分成几股，流过支架后再熔合。如果熔接不佳就会成型容易破坏的熔接缝，反之熔接良好熔接处就可以达到同等强度。 超高分子量聚乙烯管的对接熔焊也是一个熔接的过程。众所周知，按照标准规范完成的对接熔焊接头处地强度可以达到和管材本体相同的强度。这也证明采用缠绕熔接成型压力管壁是可行的，关键是熔接的条件（温度，压力，时间等）必须合适。 理论的分析需要时间来证明。国际上进入市场的缠绕熔接压力管还不多，但是已经证明采用缠绕熔接成型制造塑料压力管是有可能的。 2 采用增强减少大直径塑料压力管消耗和成本的可能性 如前所述，发展大直径塑料压力管的难点之一是消耗的成本问题。很明显，解决的方法是增强。在较小直径的高压管道领域增强热塑性塑料管已经有大量成功的经验（虽然这些管道的塑料层没有采用缠绕熔接成型）。例如：建筑内冷水热水用的铝塑复合管，石油开采和天然气长途输送用的各种增强热塑性塑料管RTP，深海石油开采用的多层缠绕管…都是通过在管道结构中结合增强材料来提高和保证耐压等性能。实际上在高压管道领域根本没有可能采用不增强的塑料管。 增强的材料有很多种，通常采用的是和塑料本体不同的高强度材料，包括金属复合层（铝，钢），金属带或丝，合成纤维，玻璃纤维，碳纤维…等。近年来还开发出采用“同质增强”，即采用经过拉伸取向的塑料带增强。目前的产品用拉伸取向的聚乙烯。因为三层的原材料都是聚乙烯所以可以和超高分子量聚乙烯管一样熔接而且容易回收再循环利用，所以又称为“可循环利用的增强”。 由于增强的塑料管起步晚于不增强的塑料管，对于发展增强的可行性和必要性一直有些争议。发展到今天应该可以确认增强不仅是可行的而且在有些领域是必要的，但是增强的方法必须科学合理。通常把一种管道有没有国际标准作为技术是否成熟的标志，近年国际标准组织不仅相继发布了铝塑复合管，增强热塑性塑料管RTP等ISO标准，并且已经在起草下文中介绍的玻纤增强聚乙烯大直径压力管的ISO标准，可以看到国际上对于发展增强塑料管是认可和支持的。 3国内外开发缠绕熔接增强大直径塑料压力管的探索动向 国际上发展缠绕熔接增强大直径塑料压力管比较晚也比较慢，但是探索一直在进行。根据目前了解的信息已经有产品进入市场的是德国KRAH（克拉）公司开发的PE-GF大直径压力管。 KRAH公司早期是制造缠绕熔接成型结构壁管生产线的，这种生产线在2000年就被引进中国，生产的埋地排水管通常被称为“克拉管”类似的缠绕熔接成型，增强材料时玻纤。产品是三层结构，内外曾说hi标准的PE100，中间层是混合玻纤（短纤维）的玻纤增强聚乙烯PE-GF。 国内近年也有企业在开发增强大直径塑料压力管。各企业采用的技术方案不同，研究的材料也不同，例如东莞东方管业有限公司利用其在超高分子量聚乙烯800mm口径管材挤出行业的 地位，率先进入开发增强大直径超高分子量聚乙烯压力管的实验中。 4对开发大直径塑料压力管的建议 相信大直径塑料压力管不仅有广阔前景，而且国内具有自主创新开发的条件，通常以下建议仅供参考：1）建议国内塑料行业顺应环境保护的大趋势抢先开发大直径塑料压力管。 2） 建议探索采用缠绕熔接型和增强的技术路线开发大直径塑料压力管，与发展挤出成型大直径塑料压力管互补。 3） 建议优先考虑采用国内条件比较成熟的钢塑增强法。 4） 建议特比注意大直径塑料压力管连接的方便性。 5） 建议 的超高分子量聚乙烯管生产企业和设备制造企业密切合作开发。

超高分子量聚乙烯管生产工艺的发展

单螺杆挤出机挤出超高分子量聚乙烯管技术是通过螺杆的塑化和推进作用，真正实现了管道的连续挤出，效率显著提高，使超高分子量聚乙烯管的加工技术上了一个新的台阶。 北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所于1994年成功的研制出Φ45型超高专用单螺杆挤出机挤出了棒材小管材片材及线材，从设备根本上解决了单螺杆挤出的难题，并进行了系统的试验及理论研究，充分掌握了超高分子量聚乙烯管的螺杆输送机理，为工业化生产奠定了理论基础。 （一）工艺路线 以UG系列超高分子量聚乙烯管单螺杆挤出管材技术为例，其工艺路线为：原料配混-挤出机内熔塑化-模具成型-冷却定型-牵引-定长切割-自动堆放。 混料 使用高速混合机，将超高树脂、加工助剂等物料通过高速搅浑得到均匀 分散，并通过摩擦生热除去所含的水分。 （二)塑化挤出 混合完毕的物料从料斗喂入挤出机，经加料、压缩、熔融、均化等过程，在外加热和螺杆剪切作用下，由粉状固体逐步变化为高粘弹性体，并连续经机头挤出。 (三) 模具成型 在适宜的设定温度下，从挤出机挤出来的超高熔体通过过滤板由旋转运动变为直线运动进入管材模具，经过分流筋后逐步在成型段融合为管状型胚。 （四）冷却定型 从模具挤出的热管胚进入冷却定径装置，物料的温度逐渐下降，直至降到室温为止，这时管胚在始终保证外部形状的情况下固定定型。 （五)牵引 已成型的管材在牵引装置的作用下均匀地向前移动。 （六）切割 在光电信号的控制下，通过旋转飞刀式切割机来完成管材的定长切断，并使断面平整。 （七)堆放 （八)被切断的管材前移，在光电信号的控制下被机构推到侧边码放在来，在由 工人搬走。 上述生产过程实行挤出、定型、牵引、切割的联动控制，保证了生产的连续 化和 自动化，操作简单，过程稳定，管材长度可任意设定。 2 工艺条件 为了使超高分子量聚乙烯管能够在普通挤出机上进行挤出加工，人们通过共混改性的方法改善管道的流动性能，如中相对分子质量聚乙烯共混改性、液晶聚合物改性。 将超高分子量聚乙烯管与一定比例的中相对分子质量聚乙烯进行混合，该中相对分子质量聚乙烯在超过其熔点时，行为极像液体，因此当把管道与中相对分子质量聚乙烯的混合物加热到中相对分子质量聚乙烯的熔点以上时，超高粉料悬浮在中相对分子质量聚乙烯的液相中，形成一种可泵送的浆液物质。 添加中相对分子质量聚乙烯可改进超高树脂的加工性能，但同时也使超高的某些物理性能下降，如冲击强度，耐腐蚀性等，如果加入低于百分之一的质量分数的成核剂，热解硅石，即可减少中相对分子质量聚乙烯对超高物理性能的影响。采用的成核剂颗粒要小，表面积大，粒径尺寸为5-10μm表面积为100-400平方米。 液晶共混改性 清华大学化工系高分子系研究所采用液晶高分子对超高进行共混改性，获得流动性较好的超高合金，从而可采用单螺杆挤出机加工管材。 LCP是20世纪80年代中期才工业化的一种高性能工程材料，是指定在一定条件下形成液晶态的高分子。LCP的分子链为棒状刚性链或半刚性链的独特结构，熔体粘度低，成型加工流动性好，采用原位复合技术，对超高的加工性能进行改性。 在保证品质性能的前提下为了尽量减小挤出阻力和功率消耗，添加价格低廉的复合型流动改性助剂，以内润滑和外润滑的方式降低熔体粘度和对设备的粘附，并提高熔体强度以保证管胚的顺利牵引。 研究表明如果螺杆、管机头。工艺配方某一方面设计不合理，将无法实现挤出的连续化和稳定化，甚至得不到完整的管胚，可能出现下列现象: 管胚在模具口处发生开裂 管胚在圆周方向的不同局部处无规律的交替出料而不能形成完整的管胚。 虽然形成完整管胚但时停时出。 管胚熔体强度不足而被牵引力拉断。 一但出现上述现象，虽年能挤出却根本无法实现稳定的连续生产，这时单纯的改善超高加工流动性的工艺配方，虽通过了实验却在实际挤出管材时尤其是挤出较大的直径管材时所常常遇到的难题。UG系列单螺杆挤出技术从设备和工艺配方两方面着手，克服了这些现象，从而实现了超高稳定连续挤出的工业化生产。