聚乙烯复合管材原料及模具设计

孙龙会 张国亮

随着企业生产多样化，企业不断更新换代，不断提升企业占有市场能力，公司于2012年引进上海金湖挤出设备有限公司国内最先进的FE16-2000管材生产线，该产品的应用越来越广泛，使用量也越来越多，特别是在城市供水、排水、建筑给排水、热水供应、供应采暖、城市燃气、化工液体输送以及电线电缆护套管的应用日益剧增，其中聚乙烯塑料管材在最近十年新型管材，如PP-R、FE、PE管、铝塑复合管、钢塑复合管、粉末喷涂钢管、邮电通信多孔管、大口径系统管的增长速度更为明显，管道的应用广泛性也对管材应用的安全性提出了更高的要求，合理的使用塑料原料和加工成型方法才能保证管道系统工程的安全和长期使用寿命，以下就用上述应用的塑料管材用原料及其加工成型的模具设计做一浅谈。如图。

1.塑料管道的管道，及原材料的等级分类

热塑性管材材料虽然有一系列物理性能指标进行评价，这些常规指标不能反映热塑性管材的本质性能。管材级塑料有自己的科学而系统的分类方法。使用最广泛的是近年来由ISO/TC138开发的确定管材料等级的ISO体系。ISO管材料等级体系已成为除北美部分国家外，世界各国广泛采纳和应用的管材料等级划分标准。欧洲全部著名的树脂生产商都按照ISO方法，提供其生产的塑料管材树脂的等级和相关证明。我国塑料管材的标准化的基础和方向也是ISO标准。

塑料管道用材料：

1.1聚乙烯管材料的类型与发展

⑴聚乙烯管材的类型。

聚乙烯管的应用已有半个世纪，最初使用低密度聚乙烯（LDPE），后来是高密度聚乙烯（HDPE）、线性低密度聚乙烯（LLDPE）和中密度聚乙烯（MDPE）。

低密度聚乙烯管材料在等级分类中分为PE32和PE40，由于强度较低，只能用于低压供水和灌溉管线等。中、高密度聚乙烯较低密度聚乙烯增强了刚度和承压能力，因此是聚乙烯压力管的主导材料，到目前为止，已商品化的材料有三代产品。PE100聚乙烯管材料的出现，可以满足更高压力管材的要求并能制造口径较大的管材。

⑵聚乙烯管材的原材料的性能要求。

针对不同用途的管道，由于使用的压力等级和寿命不同，所以对于聚乙烯原料的要求也有不同。一般来说，管材原料都应有较好的耐环境应力开裂性能（测试方法为ASTM D 1693或GB/T 1842）和较好的耐长期静液压强度（测试方法为GB/T6111-85）。管材用原料还需应有良好的焊接性和卫生性。用于不同用途的管材材料由管材的具体规定而确定。表1列出各种标准对聚乙烯材料等级的要求。

表1 标准对聚乙烯材料等级的要求

1.2聚丁烯管材料

聚丁烯是以丁烯-1为原料，在齐格勒-纳塔催化剂存在下用低压淤浆法聚合制成的。它是一种半结晶的聚烯烃热塑性树脂，具有良好的机械性能，突出的耐环境应力开裂性能、耐低温流动性和耐蠕变性能，耐热性、耐化学药品性能良好，具有抗磨性、可挠曲性和高填料填充性。可以认为是一种聚烯烃类的工程塑料。

管材级的聚丁烯树脂熔点为124～130℃，结晶度为48～55%，密度为0.93～0.94g/cm3。

由于聚丁烯具有良好的物理化学性能，可用于生产管道、薄膜、板材和各种容器等。聚丁烯是低温热水地板采暖的优异管道材料，广泛用于住宅热水管路、太阳能热水管、温泉引水管、热泵管、消防水龙头和各种特殊软管。大口径管可用于采矿、化工和发电等工业部门输送有磨损性和腐蚀性的物料。

2.交联聚乙烯管（PE-X）材料

聚乙烯交联的方法有过氧化物交联法，电子辐射法、硅烷交联法，三种方法各有其特点。

硅烷交联聚乙烯料的制造方法主要有三种：

共聚法，两步法，一步法。

管材加工技术进展。

挤出机挤出能力的发展。

在塑料管材挤出加工生产中，除UPVC管材生产时采用双螺杆挤出机由粉料直接挤出管材以外，大多数管材均采用单螺杆挤出机由粒料挤出成型。根据不同的原料设计不同的挤出机和挤出工艺。通过在机筒进料段开设纵向沟槽，增加强制喂料系统，使挤出机的产量大大地增加，沟槽的形状有矩形、半圆形、月牙形、三角形。

挤出机产量的增加，设计制造高耐磨和高强度的机筒和螺杆，高扭矩的传动系统和更大的电机功率。在螺杆设计中加强了螺杆的混合作用，经常采用销钉型混合头螺杆和屏障型（BM）螺杆。

管材挤出成型模具的最新进展

随着近年来许多新型原料的出现，目前应用于管材挤出的模头可归结为三种，支架形机头、篮式机头和螺旋机头。

支架形机头的熔体流动是由中间进入机头，通过一个支架分流成多股流体，通过支架后再汇合在一起，通过平行口模成型区挤出管坯。

为减轻流痕的影响，在这种机头的结构上采取了一些特殊的设计，如在芯棒上附装限流珠缘和采用多孔板（筛板）式分流板。这两种方式都有在聚烯烃管材加工中的应用。图5是多孔板（筛板）式分流板的实物图和挤出物流痕的照片。

为了改进挤出管材的质量，在熔体强度较高的管材料挤出中，现在大多使用篮式机头和螺旋机头，如图7和图8。在PP-R管材挤出中，这两种管材机头都有应用。

管材定径的最新发展

管材定径方法有两种，内径定径法和外径定径法。

外径定径有两种方法，内压定径和真空定径。

真空定径如图11所示，定径套靠真空将管坯吸附到管材定径套上，在冷却的作用下成型。真空定径的管材外径可以根据管材原料的尺寸收缩率来得到精确控制，聚乙烯的直径收缩率是2～4%， 双峰聚乙烯的直径收缩率是4～4.6%，PP-R的直径收缩率是3～6%。

3.结束语

随着新材料的不断出现，塑料管材的加工技术也在不断地改进和发展，伴随着计算机控制和高精度的检测设备的应用管材挤出的技术将朝着高速、高效、和高质量的方向发展。