硅烷交联聚乙烯管道系统质量控制

姚水良 杜治波 郑立克

(爱康企业集团上海有限公司，上海, 201314)



硅烷交联聚乙烯管道系统质量控制

姚水良 杜治波 郑立克

(爱康企业集团上海有限公司，上海, 201314)

摘要：从原材料、生产工艺、生产设备、使用条件、连接可靠性、施工设计方面分析了影响交联聚乙烯(PE-X)管道系统质量的因素。重点讨论了配方以及固化工艺对硅烷交联聚乙烯(PE-Xb)管材交联度的影响，提出了使用条件、连接可靠性、施工设计是确保PE-X管道系统稳定运行的重要影响因素的观点。

关键词：硅烷交联聚乙烯管道系统连接可靠性质量控制

交联聚乙烯(PE-X)管道在制造过程中不需要添加增塑剂，卫生性能好，耐热耐寒性能好，耐化学品腐蚀，抗蠕变强度高，安装施工方便等特点[1]受到市场的青睐。PE-X管道的实际应用中发现，管材本身质量事故率极低，大部分事故往往是由管材连接部分或其他因素引起。目前应用较多的管道为硅烷交联聚乙烯(PE-Xb)。

PE-Xb管道系统质量应该包含2个方面：PE-Xb管材本身品质和PE-Xb管道系统质量可靠性。传统的观点仅认为只是前一部分，而忽略了后一部分。因而加强引导人们对PE-Xb管材本身以及应用系统的质量控制的正确认识，对于规范PE-Xb管材市场和维护该行业的健康发展极为重要。

下面将从PE-Xb管材生产、应用等6个方面分析PE-Xb管道系统的整个质量控制环节，这6个方面缺一不可，每一个环节的欠缺都可能给最终用户造成不可避免的损失。

1原材料

原材料是保障PE-X管道质量的根本。GB/T 18992—2003《冷热水用交联聚乙烯(PE-X)管道系统》对用以生产PE-X管材的原料选用作了严格的限制，要求选用经严格认证的材料。该标准对管材原材料提出2点基本要求：要求主料为高密度聚乙烯(HDPE)；将该材料制成PE-X管材后，按照GB/T 18252—2000标准方法作出该材料的蠕变破坏曲线，该材料的蠕变破坏曲线与标准中给出的PE-X管预测静液压强度参照曲线相比较，试验结果的бLcl(长期静液压强度的置信下限值)在整个温度及时间范围内均应高于参照曲线上的对应值。

对于应用于饮用水系统的PE-Xb管材，还要求原材料符合GB/T 17219卫生性要求。此外，辅料中催化剂应选用无毒的二月桂酸二辛基锡，不宜用二月桂酸二丁基锡；应采用分解后残留气味小的引发剂。

2生产工艺

目前国内市场上的PE-X管材主要为3类：辐射PE-X管材、过氧化物PE-X管材和硅烷PE-X管材。硅烷交联是目前全球大多数厂家选择的工艺方法，所生产的产品结构为由硅氧键联接的网络结构，在高温下可保持较高的液压强度[2]。一般先在挤出机中完成接枝反应，而后接枝聚乙烯管材在温水或蒸汽中蒸煮完成固化交联。由于其挤出过程中不发生固化反应，仅发生接枝反应，接枝后的聚乙烯可溶可熔，具有良好流动性，因而其生产过程易于控制，产品质量稳定，产量高，该工艺又称温和的交联工艺，适合大规模工业化生产。PE-Xb管材的品质主要从如下方面进行控制。

2.1配方

生产PE-Xb管材主体原料为HDPE，但HDPE的交联度低，为了解决这一矛盾,一般采用HDPE与低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)共混的方式[3]。

一般一步法选用甲氧基硅烷，二步法则选用乙氧基硅烷作为硅烷接枝剂，合理用量范围为1.5～2.5 份。较常用的引发剂是过氧化二异丙苯(DCP)，一般随着引发剂用量增加，交联度会随之增加，但在加工过程中，交联度过高容易导致加工困难，因此引发剂合理用量范围为0.01～0.10 份。催化剂的选择与用量要恰当，合理用量范围为0.1～1.0 份，一般含催化剂的试样经1 h后就可达到50%交联度，而不含催化剂的试样大约在180 h后才能达到50%的交联度。

此外，在配方中应加入足够份量的抗氧母料(含抗铜剂)以确保PE-X管在预期的使用年限内不出现化学降解破坏。

2.2材料预处理

为避免在生产过程中出现预交联，必须要对基料进行干燥预处理，处理后的物料含水量应低于200 mg/kg。硅烷是极易吸潮结晶的物质，因而整个系统必须保持良好的密封性。干燥程度和系统密封性直接影响生产能否正常进行以及管材的质量(含有凝胶块)。

2.3螺杆转速

螺杆转速的控制对于PE-Xb管材的顺利生产与质量影响都较大。螺杆转速慢，物料在挤出机内停留时间长，则可能会产生预交联或形成过多的C─C交联结构；螺杆转速太快，物料在挤出机内停留时间太短，反应不充分，将最终导致交联度不够。一般螺杆转速控制不允许低于15 r/min，正常应控制在40～80 r/min。在生产过程中不允许停机时间超过5 min，否则需拆卸并清理螺杆、模具。此外，刚开机1 h内的产品最终很难达到交联度要求。

2.4挤出工艺温度

一步法PE-Xb在挤出过程中主要化学反应分为过氧化物分解、聚乙烯脱氢原子、硅烷接枝、自由基转移4个反应过程。一般料筒分6段式温度控制，根据化学反应过程来设定各段温度。第1，2段为物料输送段及预热段，为确保高的输送效率，控制温度应较低；第3，4段为熔融段并伴随着过氧化物分解以及脱氢反应，温度控制极为重要，控制过低将会导致交联度偏低，控制过高则容易形成过氧化物交联工艺中典型的C—C结构，该种结构表现为二维网状结构，而不是硅烷交联工艺要求的三维网状结构，这对产品质量以及生产的顺利进行是不利的；第5,6段主要发生硅烷接枝，自由基转移反应以及物料均化，料筒模具温度一般控制为130～225 ℃，螺杆温度控制在130 ℃。

当然，物料在料筒中所发生的反应比上述描述复杂得多，各种反应并不是按照料筒分段严格区分，而是在某一阶段同时进行几种反应，还伴随着许多副反应。

2.5固化工艺

PE-Xb管材在挤出过程中交联程度很低，通常将接枝的聚乙烯管材浸泡在85 ℃以上热水或置于低于105 ℃的蒸汽中，使其在催化剂作用下，通过水解缩合反应，得到三维立体网状分子结构的交联聚乙烯成品，时间一般为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，二月桂酸二丁基锡(DBTDL)0.25份，抗氧剂(1010)0.1份为配方生产的PE-Xb管材，分别置于25，85 ℃水浴中，交联度与交联时间之间的关系，见图1。

图1　 不同水温条件下交联度与时间的关系

图1中2条曲线的前8个点均分别对应1，2，3，4，5，6，9，12，24 h的交联度。由图1可以看出，在85 ℃条件下，交联度上升很快，6 h便可达到65%的交联度。而在25 ℃条件下，交联度要达到65%需要很长时间。

国内刚引进一步法PE-Xb管材生产线时，部分厂商认为该道工序可在客户的使用过程中来完成，对该道工序并不重视，因而出厂的管材交联度往往不够，这会导致在应用中出现问题。首先，不经固化处理的管材，其在使用过程中纵向回缩率达5%以上，容易发生连接处拉脱；其次，由于该种管材交联度不够，若客户前期使用温度和压力同时在较高的(设计范围内)情况下，往往容易爆管。

3生产设备

据生产厂家的生产经验以及检测机构的测试结果，很多使用进口料生产的PE-X管，通常会因为设备、模具的影响导致管材的某些指标不达标。

PE-X管材的生产需要专用的挤出设备，以确保组分充分塑化、完成化学反应及较窄的停留时间分布，从而确保管材微观交联点的均匀分布和宏观交联度。

就一步法PE-Xb管材生产而言，目前国内引进了瑞士麦拉菲尔公司的Monosil技术以及加拿大INTECK公司的INSILTECK技术。它们的特点：螺杆为4段式反应型螺杆且螺杆恒温控制；硅烷、物料的计量输送采用PLC自动控制以及相配套的材料预处理系统，生产速度快，产品质量稳定。目前国内已研制成功一步法PE-Xb管材生产设备。

4使用条件

塑料冷、热水管的使用寿命与其使用条件(温度、压力)密切相关。脱离使用条件，就无法预测管材寿命。通过科学的统计、分析，预测了PE-X管材使用温度和使用时间之间的关系。GB/T 18992—2003中规定了管材使用条件级别。

各厂家应对经销商、用户加强使用条件级别这方面的知识培训，引导人们正确认识、使用新型冷热水管；此外生产厂家也应该加强标识的规范性，引导人们正确使用。例如，某品牌PE-X管标示使用温度“-80～130 ℃”，无理论依据地扩大使用范围，并留下安全隐患。

5连接可靠性

在国内刚引进PE-X管时，由于忽略了管材管件连接可靠性，PE-X用于热水系统甚至冷水系统出现多起渗水、拉脱等事故，严重影响了PE-X管材的推广。在GB/T 18992—2003中引进了系统适应性这一重要概念。系统适应性试验包括静液压、冷热水热循环、循环压力冲击，耐拉拔、弯曲、真空试验共6种。为确保连接可靠性，管材厂家所生产管材与所配套管件连接起来应通过该6项试验。通常，以下两方面会直接影响PE-X管材在系统中连接可靠性。

5.1 管件结构及材质

经实践证明，卡箍式铜管件是PE-X管材理想的配套管件。卡套式(铝塑管)结构管件，由于国内加工技术水平以及所用材料(铜，密封橡胶)与国外相比存在较大差距，建议慎用。

5.2管材质量

a)管材壁厚控制。考虑到目前管材厂家成套供应性差，而市场上管件尺寸大都按照铝塑管接头尺寸来控制管材壁厚。如国标中φ16,φ20管材壁厚为1.8,1.9 mm，但实际生产应按2.0 mm上偏差来控制，这样才能与目前市场上的管件尺寸相配套。

b)管材纵向回缩率控制。为确保低的纵向回缩率，PE-X管出厂前，在高温热水式蒸汽中应充分蒸煮，以消除管材在生产过程中由于牵引而引起的纵向应力。

c)交联度控制。交联度必须达到标准所要求的最低限度。这样管材在长期使用受热过程中，应力作用下的蠕变值就相对较小。通常只需将管材放入烘箱，200 ℃下烘2 h即可鉴别交联度高低。交联度足够的管材变透明，但仍保持管状，并具有良好的弹性；低交联度的管材表现为坍塌，管材变形后不能恢复。

交联聚乙烯管材厂家、供应商应充分认识到系统连接可靠性的重要性，并加强对消费者指导，有条件的管材厂家应尽量做到成套供应或指定配套管件供应商，避免出现前几年铝塑管由于在工程中出现大量渗水拉脱事故而导致市场停滞不前的状况。

6施工设计

塑料冷热水管施工、设计必须按相应规范进行。设计者应分析客户的使用条件级别，并查出各种使用系统级别下的设计应力，根据相应设计应力，选择合适壁厚的管材。

水管明装场合，热水管的主干立管不宜采用PE-X管。PE-X采用卡箍式连接时，卡钳的调节、使用，卡环的位置都有相应要求，必须重视细节。由于在施工中PE-X管容易受损，因而对工人施工操作水平有一定要求，且必须按规程进行安装、试压和验收。

7结语

对于PE-X管道系统来说，产品的品质与用户的正确使用，是确保管道系统长期稳定运行的必要条件。因此，需要做好如下三方面工作。

1)厂商加强产品质量控制，原材料的使用、生产工艺，都应确保管材的品质能符合相应的使用要求；2)厂家、经销商应该加强GB/T 18992—2003的宣传工作，让消费者正确的认识、使用PE-X管道；3)管件的选择以及施工应遵照相关的规范，保障PE-X管道系统正常运行，达到预期使用效果和使用寿命。

在国内地板辐射采暖方式的大面积推广的环境下，PE-Xb管材因其杰出的耐热耐压性能、卫生性能，亲民的价格以及良好的导热性能等优点，在冷热水系统中应用量将有可能超过其他任何管材。因此，为保障该新型管材的健康发展，切切实实地做好每一个控制环节尤为重要。

参考文献

[1]李雪婷.PE-X管的性能特点及其在低温热水地板辐射采暖上的应用[J]. 辽宁建材,2004,(1):24-27.

[2]胡发亭,郭奕崇. 聚乙烯交联改性研究进展[J]. 现代塑料加工应用,2002,14(2):61-64.

[3]张广成,何庆龙.硅烷交联聚乙烯的研究[J].西北工业大学学报,2003,21(2):140-143.

收稿日期：2015-10-13;修改稿收到日期:2016-03-17。

作者简介：姚水良,爱康企业集团(上海)有限公司总工程师。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