燕化聚乙烯管材专用料的开发应用
作者：景政红
聚乙烯作为管材专用料已有50年历史，经过不断的改进与进步，聚乙烯在管道应用方面已经具备了的独特优势；其柔韧性、抗腐蚀性、耐低温性、可焊接性以及“不开挖定向钻孔”等安装铺设技术的采用，大大拓宽了聚乙烯的应用领域；尤其它在常用塑料材料中名列前茅的快速裂纹传递抵抗能力，使得聚乙烯成为燃气管道的必选材料。此外，聚乙烯树脂的可交联性，使得交联聚乙烯在热水管道领域亦得到很好的应用。 1 PE管材料的应用领域
PE管材在塑料管道不同领域均有较好的应用，国家在“十五”化学建材发展计划中将PE管列为主要推广应用产品。随着社会经济快速发展和城市化进程加快，推动了城市基础设施建设发展；国家将住宅产业作为国民经济新的增长点，住宅产业将会有更大的发展；“西气东输”、“南水北调”、“西部大开发”、“北京奥运会”、“上海世博会”等国家大型重点工程的实施。这些为聚乙烯管道发展提供了广阔市场。
以下为建设部所推荐使用的城市与建筑塑料管道系统及PE管材在其中的应用情况：
①建筑热水用塑料管道系统——XPAP管、PE-X管、PP-R管、PE-RT管；
②建筑冷水用塑料管道系统——PAP管、PE-X管、PP-R管、PP-B管、PE管；
③散热器采暖用塑料管道系统——XPAP管、PE-X管、PP-R管；
④地面采暖用塑料管道系统——PE-X管、PE-RT管、搭接焊XPAP管、PP-R管、PP-B管；
⑤塑料护套管系统——PE实壁管、PVC-U电工套管、PE单壁波纹管、HDPE硅芯管
⑥城镇供水塑料管道系统——PE管、PVC-U管、GRP管；
⑦城镇排水塑料管道系统——PVC-U管、HDPE双壁波纹管、PVC-U双壁波纹管、PVC-U环形肋管、HDPE缠绕结构壁管、GRP管；
⑧城镇燃气输送聚乙烯管道系统——PE管。 可见，PE在不同的塑料管道领域均有很好的应用。管材应用领域不同，适用原料不同，对应的相关标准亦不同。根据适用原料的不同，塑料管道系统可分为压力管和非压力管两大块，在压力管道领域根据管材使用温度的要求又分为冷热水用管道系统和给水与燃气管道系统。表1所示为PE树脂在不同塑料管道系统应用情况。
表1 PE专用树脂在塑料管道系统的应用
PE PP 国际、国家标准 压力 管 冷热
水用
塑料管道 建筑热水用塑料管道系统 PEX
PE-RT PPR 冷热水用聚丙烯管道系统GB/T18742-2002
ISO15874:1999 冷热水用交联聚乙烯（PE-X）管道系统
GB/T18992-2003
ISO15875-1999
建筑冷水用塑料管道系统 PEX PPR
PPB
散热器采暖用塑料管道系统 PEX PPR
地面采暖用塑料管道系统 PEX
PE-RT PPR 城镇供水塑料管道系统 PE80
PE100 － 给水用聚乙烯（PE）管材
I SO4427：2007
GB/T13663-2000 城镇燃气输送聚乙烯管道系统 混配料
PE80
PE100 － 燃气用埋地聚乙烯管道系统ISO4437:2007
GB15558.1-2003、GB15558.2-2005 非 压 力 管
城镇排水塑料管道系统 埋地排水管材专用料(相当PE63) - 埋地用聚乙烯(PE)结构壁管道系统
GB/T19472-2004
prEN13476-2001 护套管系统 通用级管材专用料 - 国内标准：YD/T 841-1996等
国际标准：ASTM F512-95，ASTM F2160-01，日本JIS C3653-1994等
本文主要从以上这几个应用领域介绍燕化公司聚乙烯管材料的开发应用。 2 燕山石化PE管材专用料的开发应用
2.1 压力管道
2.1.1 给水与燃气管道
2.1.1.1 专用树脂性能特点
早期聚乙烯管材大都被简单地分为HDPE、 MDPE和LDPE管材。随着材料技术的不断进展，尤其双峰技术的广泛应用，单纯用密度已无法准确反映PE作为管材的本质性能。目前国际上现行的压力管道分级方法是根据管材在20℃条件、使用50年内需要达到的最小要求强度（MRS）为基础对聚乙烯材料进行分级，并根据材料类型和分级数对材料进行命名，见表2。
表2 材料的命名
σLPL,MPa MRS，MPa 材料分级数 材料的命名
6.30～7.99 6.3 63 PE63
8.00～9.99 8.0 80 PE80
10.00～11.19 10.0 100 PE100
塑料管材50年的使用寿命是通过长期静液压强度的试验预测得来的。这个分级同时体现了材料的强度性能、并直接用于管材壁厚的设计计算上，它具有很强的科学性，能够对产品的最终性能给予保证。
在压力管道系统如燃气管、给水管等领域，因为压力管道专用料对材料的耐内压能力要求很高，必须使用PE80及以上等级的专用树脂。
图1所示为不同PE管材在20和80℃温度条件下的静液压环向应力实验曲线。从图1可直观体现PE管材料三个阶段（PE63～PE80～PE100）的材料特性。从20℃回归曲线可见，第一代的单峰HDPE，在50年后出现了“曲线拐点”，材料发生破坏；第二代的单峰MDPE，在50年后依然保持与第一代相当的使用压力，但未出现“曲线拐点”；第三代双峰PE100级HDPE，从使用开始直到50年后均保持较高的使用压力，且未出现“曲线拐点”。从图中可见，第三代材料的强度提高了25％。图1的80℃回归曲线亦说明了相同的特点。
图1 不同PE压力管材树脂静液压试验曲线 表3所示汇总了目前国际上现有的压力管材专用树脂牌号及其相关的结构与性能典型数据。
表3 聚乙烯压力管材专用树脂性能特点
性能 单位 MDPE PE80 HDPE PE80 HDPE PE100
分子量分布模式 单峰 双峰 双峰 单峰 双峰 单峰
共聚单体 1-己烯 1-丁烯 1-丁烯 1-丁烯/
1己烯 1-丁烯/
1己烯
密度(基础树脂) g/cm3 0.940 0.945 0.949 0.944 0.950 0.942
密度（混配料） g/cm3 0.950 0.955 0.958 0.953 0.959 0.951
MFR 2.16 kg g/10min 0.20 0.20 0.10 0.12 0.04/0.06 0.06
5kg g/10min 0.80 0.80 0.45 0.60 0.25/0.33 0.33
屈服强度 MPa 18 20 22 20 23 20
弯曲模量* MPa 800 900 1050 950 1100 850
简支梁缺口冲击* 23 23 16 14 20 20
国内专用料牌号 HD3902EX
(HD3902BK) - 6380M
(6380MBL)
YEM4803T TR-480AT YGH041T
7600M（7600MBL）**
YEM4902T** 2480H
2480HBK
国际主要专用料牌号 3802
TR418 ME3440 HE3470、P301、P200 TR480 XS10、HE3490、TUB120、P600、P110等 －
*：采用4mm压塑试样
**：正在开发中 2.1.1.2燕化公司产品设计及开发应用
给水与燃气管专用树脂的产品设计是依据PE实壁管的使用性能及加工成型要求，具体主要是根据相关标准：聚乙烯燃气管标准ISO4437（GB15558.1）、聚乙烯给水管标准ISO4427（GB/T13663 ）对材料的性能要求，同时考虑管材挤出加工设备对材料加工性的要求。
因为该领域管材制品形状相对简单，而使用压力、使用寿命及使用环境要求较高，故对材料的性能要求较高，这主要体现在对以下四项性能的要求。
①材料的MRS
②抗慢速裂纹扩展SCG
③抗快速裂纹扩展RCP（针对燃气管）
④耐气体组分（针对燃气管）
燕化公司已成功开发了PE80级专用树脂6380M与混配料6380MBL，分别用于给水与燃气管道领域。并正在开发PE100级专用树脂7600M与混配料7600MBL。
6380M是PE80级双峰HDPE 管材专用树脂，产品具有良好的加工性和刚韧均衡性，所生产的管材制品具有突出的强度、刚性和冲击性能及优越的耐环境应力开裂性能。产品应用于给水等压力管道。其物理性能典型值见表4。
6380MBL是PE80级双峰HDPE管材专用树脂，为黑色混配料，应用于燃气管道。其物理性能典型值见表4。其中MRS、RCP、SCG、耐气体组分等燃气管要求的重要性能数据见表5。
表4 6380M与6380MBL物理性能典型值
项目 单位 6380M 6380MBL 测试方法
密度 g/cm3 0.949 0.959 GB1033-1986
熔体质量流动速率（2.16kg） g/10min 0.10 0.11 GB3682-2000
熔体质量流动速率（5kg） g/10min 0.50 0.55 GB3682-2000
拉伸屈服强度 MPa 22 22 GB1040-1992
拉伸断裂强度 MPa 35 33 GB1040-1992
断裂伸长率 % 800 800 GB1040-1992
弯曲模量 MPa 950 1000 ISO178：2001
热稳定性（210℃） min 40 60 GB17391-1998
耐环境应力开裂F0 hr ≥10000 ≥10000 GB1842-1999
⑴简支梁冲击、弯曲模量采用4mm压塑试样测试
⑵此表数据为产品性能典型值，仅供参考。 表5 6380MBL性能数据与燃气管标准要求对比
项目 单位 6380MBL GB1555.8-2003 ISO4437-2007
MRS* MPa 8 8（PE80）
10 (PE100) 8（PE80）
10(PE100)
RCP(Pc,S4)* bar ＞8.5 ≥2.6*（PE80）
≥3.5* (PE100) ≥2.6*（PE80）
≥3.5 * (PE100)
SCG h ＞500 ≥165 ≥500
耐气体组分 h ≥20 ≥20 ≥20
注*：ISO4437-2007中4.7部分要求：对于80℃10000小时静液压测试曲线，在5000小时前不应出现韧性破坏和脆性破坏模式的转折点。6380MBL在80℃10000小时静液压测试曲线上均未出现脆性破坏，同样满足最新标准要求。
注**：测试用管材规格为dn250，SDR11
注***：安全系数C取值2，按照公式MOP=2MRS/C（SDR-1）、S4试验的临界压力PC,S4≥MOP/2.4-0.072，其中单位为MPa计算得到(ISO4437-2007中规定，PC≥1.5MOP，PC=3.6 PC,S4＋2.6，其中单位为bar)。 7600M是燕化公司正在开发的高耐压等级高密度聚乙烯管材专用料，产品定位为PE100级，该树脂熔体质量流动速率较低，分子量分布为双峰分布模式，适合挤塑成型，该专用料具有很高的机械强度与突出的长期使用性能及加工时低流垂特性，是理想的聚乙烯压力管道专用料。7600MBL是燕化公司正在开发的PE100级黑色混配料，用于聚乙烯燃气管道。7600M与7600MBL物理性能典型值见表6所示。
表6 7600M与7600MBL物理性能典型值
项目 单位 7600M 7600MBL 测试方法
密度 g/cm3 0.949 0.958 GB1033-1986
熔体质量流动速率(2.16kg) g/10min 0.04 0.04 GB3682-2000
熔体质量流动速率(5kg) g/10min 0.22 0.23 GB3682-2000
拉伸屈服强度 MPa 22 22 GB1040-1992
拉伸断裂强度 MPa 35 36 GB1040-1992
拉伸断裂伸长率 % 760 800 GB1040-1992
弯曲模量 MPa 1050 1100 ISO178：2001
简支梁缺口冲击强度（23℃） KJ/m2 20 20 ISO179：2000
热稳定性（210℃） min 40 60 GB17391-1998
(1) 简支梁冲击、弯曲模量采用4mm压塑试样测试
(2) 此表数据为产品典型值，仅供参考。 2.1.2 塑料冷热水管道
2.1.2.1 专用树脂性能特点
建筑内冷热水用塑料管道系统主要是指三大部分：供生活用冷热水管道系统、地板采暖用管道系统及供热水到散热器的管道系统，该领域常用管材种类主要有PEX管、PPR管、PE-RT管和PB管等，其中国际上用量最大的是交联聚乙烯PEX管。PEX管道具有耐压、耐温等级高，抗蠕变性能突出、柔韧性好的特点，同时具有优良的耐化学腐蚀性和抗环境应力开裂性，特别是其蠕变强度随使用时间变化不显著，寿命可达50年之久。
与PE80、PE100管材料相比，PEX耐热等级大大提高，适用温度范围宽，可在-75℃-110℃下长期使用；与PPR相比，抗内压强度高，耐热能力、耐低温能力亦较高，同时柔韧可弯曲，易于铺设安装，因而在建筑冷热水用管道系统得到大量应用，并已成为建筑采暖（空调）用塑料管道系统的首选。表7所示为PEX管与PPR管的耐静液压性能对比。
表7 PEX管与PPR管性能对比 管材性能 试验参数 要 求
试验
温度 试验
时间 静液压应力
PEX PPR
℃ h MPa MPa
耐静液压 20 ≥1 12.0 16.0 无渗漏、无破坏
95 ≥1 4.8 － 无渗漏、无破坏
95 ≥22 4.7 4.2 无渗漏、无破坏
95 ≥165 4.6 3.8 无渗漏、无破坏
95 ≥1000 4.4 3.5 无渗漏、无破坏
静液压状态下热稳定性 110 8760 2.5 1.9 无渗漏、无破坏 交联聚乙烯管主要有硅烷交联管（PEXb管）和过氧化物交联管（PEXa管），PEXb管通过硅烷接枝，在聚乙烯分子链间形成化学键，实现化学交联，形成体形网状结构，管材整体性能可靠。
2.1.2.2燕山石化专用树脂开发应用
为了满足国内市场需求，燕化公司开发了聚乙烯交联管专用料HDPE 2300XM，用于反应挤出（硅烷交联）生产冷热水用交联聚乙烯（PE-X）管材的生产，该树脂具有相对较高的熔体质量流动速率和相对较窄的分子量分布，产品加工性能优良，生产周期长，采用该原料生产的交联聚乙烯管材具有较高的交联度和良好的柔韧性。广泛应用于：供生活用冷热水管道系统、地板采暖用管道系统及供热水到散热器的管道系统等领域。其物理性能典型值如表8所示。
表8 2300XM物理性能典型值
树脂性能 单位 典型值 测试方法
熔体质量流动速率 g/10min 5.5 GB3682－2000
密度 g/cm3 0.949 GB1033－1996
拉伸屈服强度 MPa 22.8 GB1040－1992
熔融温度 ℃ 130 DSC
管材性能
交联度 % ≥65 GB/T18474－2001
耐静液压 20℃，12.0 Mpa静液压应力 h 破坏时间≥1 GB/T 6111－2003
采用a型封头
95℃，4.8 Mpa静液压应力 h 破坏时间≥1
95℃，4.7 Mpa静液压应力 h 破坏时间≥22
95℃，4.6 Mpa静液压应力 h 破坏时间≥165
95℃，4.4Mpa静液压应力 h 破坏时间≥1000
此表数据为产品典型值，仅供参考。 2300XM树脂具有以下结构特点：
（1）．分子量及其分布适中，充分满足硅烷接枝交联反应及快速挤出加工需要。采用2300XM生产1620规格管材，生产速度可达到20－23m/min。2300XM聚乙烯分子链的均匀性较好，易于熔融塑化，可有效避免加工中熔体破裂和预交联点出现，管材内外壁光泽性较好。
（2）．支链含量及分布合理，易于发生硅烷接枝反应，使最终形成的凝胶含量与分布均匀化，管材整体性能可靠，在保证交联度的前提下，管材依然具有良好的柔韧性。
（3）．助剂体系充分满足管材反应挤出加工及在输送热水介质环境下长期使用性要求。
2300XM自投入市场以来，在佛山日丰管业、北京华源亚泰、石家庄昊龙管业有限公司等多家交联聚乙烯管材生产厂家进行了加工试验和应用，得到用户的认可，加工试验及用户使用情况表明：
①2300XM在一步法PE-Xb管材生产线上生产周期较长，平均超过80h，生产期间生产稳定，工艺参数正常。
②2300XM管材的各项性能指标符合交联聚乙烯相关标准要求，特别是2300XM管材的柔软度较好，便于施工安装。 2.2 埋地排水管道
2.2.1 专用树脂性能特点
埋地排水管属于非压力管道领域。与压力管所不同的是，主要承受来自埋地环境的管材外部压力，所以基本采用结构性壁管材，主要品种有： PE双壁波纹管、PE中空壁缠绕管（其中包括PE缠绕熔接增强管）。制品的形状结构相对较为复杂，成型过程与实壁管有较大差别。
燕化公司埋地排水管专用树脂的设计是基于两个方面：结构壁管的加工成型及使用性能要求。所开发的专用原料树脂均具备以下性能：
①适宜的平均分子量与分子量分布，以满足不同口径不同结构壁管材成型性要求。
②较高的弯曲模量，可充分满足埋地管材的刚性要求。
③优良的ESCR性能
④较高的热稳定性能，在欧洲标准prEN 13476-1和国家标准GB/T 19472.1-2004中对材料的热稳定性的要求≥20min。
2.2.2 燕化公司专用树脂的开发应用
根据埋地排水管品种多，加工设备不同，管材直径要求范围宽（内径110mm～3000mm）的特点，燕化公司开发了多种牌号以满足市场需要，它们是：
HDPE 埋地排水管材专用料6360M，大口经双壁波纹管专用料7800M和应用于PE缠绕熔接增强管等的通用级管材料6100M。其物理性能数据见表9所示。
表9 燕化PE非压力管材专用树脂物理性能
项目 单位 6360M 7800M 6100M
密度 g/cm3 0.955 0.954 0.953
MFR g/10min 0.25 0.03 0.14
拉伸屈服强度 MPa 24 25 24
拉伸断裂强度 MPa 33 36 35
断裂伸长率 % 800 800 800
热稳定性（200℃） min 40 40 30
弯曲模量 MPa 1200 1300 1200
ESCR F50 hr 1000 600 1000
此表数据仅供参考 6360M产品具有良好耐应力开裂性能、加工成型性能，管材内壁光泽性好；产品的强度和刚度高，管材环刚度相对较高，在生产同类管材时可适当降低管材壁厚而达到节省原料目的；产品加工温度与生产能耗亦相对较低。
7800M树脂熔融指数较低，适合挤塑成型大尺寸管材制品，产品具有突出的强度、冲击性能和优良的耐环境应力开裂性等特性。
6100M具有优良的机械强度、耐应力开裂性能、加工性能和蠕变性能，并能很好平衡各种性能。
为了引导用户合理使用这几种材料，我们在进行原料开发时即对它们的应用领域进行了定位：
①6360M适用于加工成型不同结构型埋地排水管等非压力管，如中空壁缠绕管、内径100mm-700mm的双壁波纹管等。
②7800M适用于内径大于700mm的HDPE双壁波纹管、成型扩口时采用双壁合一技术的双壁波纹管及其它类似加工成型的塑料制品 。
③6100M适用于加工成型PE缠绕熔接管（克拉管）以及硅芯管、农用灌溉管、铝塑复合管等管道领域。
多年的市场应用表明，这几种树脂均深受用户欢迎。 3 技术服务
燕山石化秉承“只有客户的成功，才有燕化的发展”的经营理念，利用自身的人才和技术优势，建立了产、销、研一体化的新产品开发机制，不断为用户提供质量稳定、性能优良、具有市场竞争力的聚乙烯管材料系列产品。
多年来，燕山石化在聚乙烯树脂的生产和应用方面积累了丰富的经验，拥有实力雄厚技术人员队伍，配备了从事合成树脂研发、加工与应用的专业科研机构，配制了各种先进的合成树脂性能检测分析仪器和试验设备，依托中国石化遍及全球的销售网络，为客户提供售前、售中、售后全方位技术服务。
--------------------------------------------------------------------------------
相关文章
没有相关文章
|
