PEXa管生产高速化的实践

陈章成¹，余进东¹，朱呈冀²，于东明¹，胡明远¹

（1曼瑞德集团有限公司，2南京工业大学）

摘 要：PEXa管的制造方法中，同步交联法设备简单、操作容易、产品外观好，但生产速度慢；后交联法生产速度是同步交联法的8-10倍，采用先进的高速在线检测、处理技术容易，但设备复杂，操作难度大。因此PEXa管后交联制造技术国际上尚不多见。本文汇总了参与过二种交联方法的实践体会，为拓展PEXa管制造技术的创新提供了依据。

关键词：聚乙烯的过氧化物交联；同步交联；后交联；红外交联炉

聚乙烯是一种相对容易交联的塑料品种，交联改性方法较多，目前已经开发并获得普及应用的有辐照交联、过氧化物交联、硅烷交联、紫外线交联等方法，此外还有叠氮交联、离子交联等相对少见的方法。

聚乙烯的过氧化物交联，系用有机过氧化物加热分解，产生的自由基引发聚乙烯大分子交联反应。此法成本较低，产品性能均匀稳定，比较常用。聚乙烯的过氧化物交联，又有同步交联和后交联之分。PEXa管的同步交联和后交联，生产出的PEXa管性能优秀。

1 二种交联工艺方法的简单描述

1.1 PEXa管制造的同步交联方法

所谓同步交联法，是在PEXa管的成型过程中，同时也完成了聚乙烯的交联的方法。其主要特点是，为了避免交联的管胚受到扰动，只得采用柱塞式挤出机，物料是脉冲式输送和压缩，由于交联和成型是同步完成的，工序少，工艺流程短。由于过氧化物的分解速度与温度和时间有关，交联路程短，这就意味着可供交联的时间不长，因此，同步交联PEXa的生产速度相对较低。

1.2 PEXa管制造的后交联方法

所谓后交联法，是在完成可交联PE管型胚后，管胚经过一个高温交联炉，逐渐完成了聚乙烯交联的方法。其主要特点是，管胚成型时并不发生交联反应，因此可以采用螺杆式挤出机，物料是连续输送和压缩，由于成型后再交联，工序多，工艺流程也长。交联的路程可以做到很长，可供交联的时间也长，因此，后交联PEXa管生产线速度可以较高，曼瑞德公司引进后交联PEXa管的生产线速度是同步交联的8-10倍。

2 二种交联工艺流程和设备

2.1 同步交联PEXa管设备

同步交联设备示意见图1^[1] 。

图1 同步交联PEXa管设备装备示意图

2.2 同步交联PEXa管生产工艺流程

同步交联PEXa管生产工艺流程见图2。

图2 同步交联PEXa管生产工艺流程

图3 后交联PEXa管设备

2.3 后交联PEXa管设备

图3为曼瑞德公司引进的德国的后交联PEXa为5层阻氧管生产线。

2.4后交联PEXa管工艺流程

后交联PEXa管生产工艺流程见图4。

图4 后交联PEXa管工艺流程图

图5 PEXa管等应变蠕变曲线^[2]

3 PEXa管的同步交联和后交联的比较

在PEX管中，在欧洲用量最大的是PEXc管,其次是PEXb管,市场比例大致为PEXc:PEXb:PEXa＝1.15：1.1：1.0；其中PEXa管价格最高。这三种管材的性能都较好，图5可见它们都有较高的环应力。在欧洲，PEXa管的制造仍以恩格尔法（即采用柱塞式挤出机的推压法）为主，为提高PEXa管生产速度，一些企业多年来锲而不舍地在做着不懈的努力。

3.1 同步交联法制造PEXa管的优缺点

3.1.1 主要优点

相对设备简单，操作容易，只要原料和配方稳定，产品质量也会稳定；此法制造PEXa管产品几何尺寸精准，主要取决于机头口模间隙的几何尺寸，受环境和人为因素影响小，外观好；由于同步交联PEXa管制造工艺条件决定，物料通过模具支架后才开始熔融塑化，因此管材成品无融合线对管材环向强度影响的弊端，这是其他热塑性塑料管挤出时做不到的。在同步交联PEXa管生产的过程中，产生轴向应力和径向应力的机会少，因此，其纵向尺寸回缩率也小。

3.1.2 主要缺点

同步交联法生产PEXa管的最大缺点是生产速度慢。以dn20x2.3为例，同步交联法生产PEXa管时，HDPE的交联主要在模具中进行。模具的长度500mm左右，管材线速度为1.3-1.4m/min时，管胚通过模具的时间为21-23s。在这么短的时间内，过氧化物交联剂分解量要达到98%-99%，则要求机头温度达到260-280℃。

要提高管材的生产速度，实际是提高HDPE的交联速度。方案之一是可以继续提高模具温度，由于芯棒上包复的聚四氟乙烯热收缩管最高工作温度也只有280℃，因此加工温度超过280℃时，其使用寿命较短；方案之二是增加模具长度，如模具温度仍稳定在260-280℃，管材生产线速度达到3.0m/min，此时就需要模具的长度达到1000mm以上，将完成交联后的PEXa管胚推出口模需要的巨大的推力，目前看有极大的难度。

因此可见同步交联PEXa管的生产中，明显提高生产速度是困难的。

同步交联法制造PEXa的另一个不足之处是：脉冲的物料输送和压缩，导致管壁的密实程度周期性变化和存在周期性变化的内应力等，虽然测试结果表明，这种变化对管材性能和使用寿命并无影响，但图6所示为已完全老化了的PEXa管残样，除残样右端为不规则断裂外，左端和两端之间出现垂直于管材轴线的环状（断）开裂（纹），与物料的脉冲输送和压缩吻合。

图6 完全老化了的PEXa管残样 图7 管壁密实度和内应力周期变化

特别需要说明的是，根据ISO15875推断，PEXa管要达到图6残样模样，应是在70℃下，连续运行50年以后才可能出现的。而图6为残样管材仅在60℃下间断运行了5年左右的结果，推测造成原因可能是生产过程中未加抗氧剂所致。图7为未加抗氧剂，加速老化管材试样。

3.2 后交联PEXa管的优缺点

3.2.1 主要优点

后交联PEXa管的主要优点是，由于管胚成型时并未交联，熔体粘度小，不需太高挤出压力，熔体也不怕受到扰动，因此物料的输送和压缩，可以采用螺杆式挤出机，生产速度快，曼瑞德公司引进后交联生产线，生产dn20x2.3的PEXa管，当挤出量稳定为80kg/h时，管材生产线速度可稳定为12.8m/min；是同步交联线速度的8倍以上。

后交联法制造PEXa管，生产速度较高，得益于其交联区间长达4m，如图8所示。当管材生产的线速度为13m/min时，管胚通过交联区间－红外交联炉的时间为18.5s。当用此生产线制造dn10x1.0的PEXa管时，线速度达到34m/min，此时管材通过红外交联炉的时间仅为7.05s，短的时间内，过氧化物交联剂分解量达到98%-99%，高的红外交联炉炉温是关键。

红外交联炉的炉温是通过调节加热功率进行调节的，加热功率90KW，当生产dn32x2.8的PEXa管时，其功率发挥只有50%-60%，当生产dn10X1.0的PEXa管时，其功率发挥达80%-90%。红外交联炉如图8所示。

图8 lNOEX专利红外交联炉示意图

3.2.2 不足之处

目前看PEXa管后交联制造方法缺点主要表现在，设备复杂、昂贵，对原辅料要求严格、无自由选择的空间，温度控制及操作难度很大，广泛推广有一定困难。

3.3 总体比较

PEXa管的制造方法中，同步交联、后交联各有短长，总体比较见表。

表

4 仍有改进的空间

PEXa管的后交联制造是一项新技术，人们孜孜以求的正是它的高速化的前景。半个多世纪了，欧洲虽有，但能够正常运转者并不多见。目前这条后交联PEXa管生产线，为全自动在线红外交联聚乙烯管道高速生产线，能够稳定高速生产优质5层阻氧PEXa管，是中德双方付出了艰辛努力的结晶。

同步交联和后交联等方法PEXa管的制造，仍有改进的空间，需在取长补短的基础上进行创新。我们期待着，一种高速化的、操作容易、没有“竹节”（包括管壁密实度、管壁环向内应力周期性变化）、可供选择的交联剂更多、管材形状记忆接近成品的PEXa管新的技术的出现。

参考文献

[1] 吴大鸣等编著；特种塑料管材；中国轻工业出版社2000年.

[2] GB/T18992.1-2003；冷热水用交联聚乙烯（PE-X）管道系统；第一部分：总则.