高密度PE外护管生产工艺及质量影响因素

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高密度聚乙烯(HDPE)外护管主要用于预制直埋保温管道的外护防腐，具有强度高、韧性好、抗老化、耐环境应力开裂且与保温层(硬质聚氨酯泡沫)有良好的结合性等优点。随着我国北方冬季供热地区使用预制直埋保温管道，高密度聚乙烯外护管的生产技术和产业规模得到飞速发展。由于高密度聚乙烯外护管生产工艺相对简单，因此生产厂家较多，但质量良莠不齐，主要存在以下问题：聚乙烯外护管壁薄、密度低、抗压强度不达标，易导致保温层损坏；无电晕处理等工艺，外护管与保温层粘结强度低、整体性差。本文对高密度聚乙烯外护管的加工工艺及质量影响因素进行探讨。
1 生产设备及加工工艺
, g7 x# |0 h" @  x① 生产设备
高密度聚乙烯外护管的主要生产设备包括塑料挤出机、牵引机、空气压缩机和封气机。塑料挤出机进行聚乙烯等多种热塑性塑料制品或半成品的加工。牵引机将高密度聚乙烯外护管由塑料挤出机机头匀速引出，形成成品。空气压缩机和封气机使高密度聚乙烯外护管内部保持一定的气压，便于定型。
8 Y. f( U" g. Y( b' m② 加工工艺
高密度聚乙烯外护管加工工艺采用塑料挤出机将聚乙烯挤出成型。挤出成型一般分为塑化、口模成型、固化定性3个阶段。原料经过预处理后，通过上料装置进入塑料挤出机料斗中，在合理的机筒加热温度、螺杆转速下，将原料均匀塑化挤出。熔融的原料与事先加装封气机和电晕装置的引管在定径套内粘接牢固后，用牵引机将其匀速引出，形成高温管坯。高温管坯在冷却水槽中进行冷却时，采用空气压缩机向管内充气，并用封气机封闭管端保持管内气压。成品外护管根据长度要求截成管段。挤出成型可连续化、自动化生产，生产效率高，产品质量稳定。
) Q4 d7 o1 ~" c" w) n  _2 技术标准
9 y4 ]4 j! P$ Y+ e- ^) E6 X3 q高密度聚乙烯外护管产品标准为CJ/T 114—2000《高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管》。各项性能指标及实验方法执行标准见表1。
表1 各项性能指标及实验方法执行标准
3 产品质量的影响因素
3.1 原料配方
4 r4 ?- f: y. D$ ]# J7 }0 E" L高密度聚乙烯外护管的生产原料由基础聚乙烯树脂与抗氧化剂、稳定剂等助剂混合而成。经过研究，以单位质量聚乙烯颗粒为基准，得到以下配方：牌号2480聚乙烯颗粒质量为1000kg，抗氧化剂1010质量为0.2kg，抗氧化剂DLTP质量为0.2kg，硬脂酸钙质量为0.3kg，炭黑质量为30kg。
. U7 L; l8 C6 Z2 B) e# {' T3.2 产品质量的影响因素
/ P7 A; t/ r) m3 V① 原料的预处理时间
/ D0 k6 N: ^% D: @& [聚乙烯为非吸水性材料，通常水分相当低。当原料中含有吸湿性颜料(如炭黑)时，原料含水量增大。水分不仅导致管材内外表面粗糙，还可能导致气泡出现。生产中我们采用塑料混炼机，对原料进行加温干燥。塑料混炼机每次处理原料30kg，原料的预处理时间对产品质量的影响见表2。
" i) ]  ~" p) E. f表2 原料的预处理时间对产品质量的影响
随着原料预处理时间的延长，产品质量得到改善。这是由于随着预处理时间延长，一方面可使碳黑分散均匀，另一方面可使原料干燥失水。但预处理时间过长时，随着原料温度的增加，聚乙烯易降解，对产品的机械性能产生不利的影响，因此预处理时间不宜超过20min。
② 挤出成型温度
: U- h$ |3 l# M! T3 @, C  `挤出成型温度包括进料口温度、机筒加热温度、机头加热温度、口模加热温度。合理的挤出成型温度是使原料塑化和促使塑料熔体流动的必要条件，决定着挤出成型过程中原料塑化质量。通常挤出机的温度由机身的加料段到挤出段逐渐升高，原料从固态逐渐熔融，由玻璃态转变为黏流态。口模加热温度比机头加热温度略高。
1 M2 E6 L6 t% F# i: F& q6 }5 p  n挤出成型温度过低，塑化不好；温度过高，聚合物易降解。笔者设计了3种挤出成型温度控制体系，见表3。各种温度控制体系对产品质量的影响见表4。
; f! A3 Z; f9 F  a) I ③ 冷却点设置
在挤出成型过程中，高温管坯的冷却定型应配合合适的冷却方式和适宜的冷却水温。冷却不及时，管坯就会在自身重力的作用下或牵引机夹紧压力作用下变形。定型和冷却往往是同时进行的。冷却过快，易在管材内部产生应力，并降低外观质量。当冷却水温为20℃时，冷却点设置对ф400mm外护管的外观质量影响见表5。对于ф400mm外护管，设置5个冷却点时，产品外观质量较好。对于其他规格的外护管，应根据其管径、壁厚和挤出速度合理设置冷却点。
表5 冷却点设置对ф400mm外护管外观质量的影响
④ 牵引速度
牵引机对管材的挤出成型起到牵引拉伸作用，是塑料挤出的关键设备。主要由机架、滑座、牵弓臂、升降机构、传动机构等部分组成。
; r1 H/ G  e( K3 A) J9 h# q牵引速度直接影响产品壁厚、尺寸公差、性能及外观质量，应与挤出速度相匹配。在冷却水温不变时，牵引速度提高，管坯在定径套、冷却水槽中停留的时间缩短，经过冷却定型后的产品内部会残留较多热量，易在表面形成划痕。牵引速度降低，管材壁厚变大，易导致表面粗糙。
⑤ 电晕处理
/ [- ^$ ?. Z; M9 V( g; N- `电晕处理设备主要由电晕处理电源、电晕处理电极组成。电晕处理外电极可采用铝质或不锈钢质等不易腐蚀的金属板材。电晕处理内电极可采用不易腐蚀的导体，设计成各种可浮于内管壁并均匀分布的环体。电晕技术是利用高压特制电极，在电极之间产生高压局部放电即电晕放电，使中性的聚乙烯表面具有一定的极性。在高压电场中，空气被电离成正负带电微粒并加速撞击管材表面，进而改变聚乙烯表面性能。管材在高能粒子的撞击下，产生活性游离基，这些活性游离基以共价键的形式相互结合，从而形成分子之间的交联。管材的分子结构由线性分子结构变成三维网状结构，伴随气体放电，可将聚乙烯氧化，促使其表层形成极性。随着电晕电压的提高，聚乙烯外护管的表面张力不断降低，与保温层的粘接能力随之增强。
文章关键词： 材料、挤出机