交联聚乙烯管的特点与应用

交联聚乙烯（PE）管广泛用于饮用水、热水和食品工业、石油化工工业中的流体输送。具有良好的强度、耐热性、耐热老化性、耐环境应力开裂性、电绝缘性、耐芳烃、抗蠕变等性能。

交联PE管一般采用HDPE，交联的方法分为物理法和化学法两大类。物理法是高能辐射交联过程；化学法主要是采用有机过氧化物交联和硅烷交联两种工艺。

1.物料组成及配方

生产交联PE管的基础树脂一般为HDPE，密度约为0.95g/cm³，熔体流动速率为6～8g/10min。其他助剂随交联方法不同而异，分述如下：

（1）辐照交联法的助剂 主要包括增敏剂和敏化剂。

1）增敏剂又称增感剂，是一些含双键的多官能单体，其作用可使交联反应中的非链式反应转变为链式反应，增大交联反应的比例，降低因辐照而降解的副反应比例，提高反应的G值（每吸收100辐射能量所形成的交联键数），并减少辐照剂量。

2）敏化剂的作用是可以更有效地利用辐射能，加速辐射交联反应，从而降低辐射剂量。敏化剂一般不参加反应，或参加反应却不成为交联网络的组成部分。PE辐照交联中若加入质量分数5%～10%的S₂Cl₂，可使辐射剂量降低99%，但一般仅加入2%左右即可。炭黑也可以起到敏化剂的作用，加入2.6%的炭黑可使辐照剂的量减少一半，而达到同样的交联度。炭黑可以同时是着色剂和紫外光稳定剂。

（2）有机过氧化物交联法的助剂

1）交联剂。常用过氧化二异丙苯（DCP），为白色晶体，熔点为42℃，热分解温度为120～125℃，半衰期为1min时的温度为171℃。交联的适宜温度按半衰期为1min时的温度而定，交联反应所需时间一般为半衰期的5～10倍。

2）助交联剂。助交联剂可以与交联剂并用，起到提高交联度、降低交联剂用量的作用。助交联剂大多为分子结构中含有硫、肟及C==C结构的单体或聚合物。

（3）硅烷交联法的助剂

1）引发剂（交联剂）。与有机过氧化物交联法相同，主要采用DCP。

2）硅烷（助交联剂）。常采用乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）、乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）、3-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷（VMMS）。

3）催化剂。可加速硅烷接枝大分子的水解缩聚反应，常用有机锡类化合物，如二月桂酸二丁基锡等。

4）抗氧剂。可减少物料熔融过程中的过氧化交联，常选用受阻胺类化合物作为抗氧剂。

5）流动性改性剂。由于硅烷接枝后熔体流动性降低，使挤出时机头压力升高，管材表面粗糙，因此，应加入适量的流动改性剂加以调整。

硅烷交联法制备交联PE管的典型配方见表3-29。

表3-29 硅烷交联法制备交联PE管的典型管配方实例

2.生产工艺

（1）辐照交联法 与生产普通PE管基本相同，区别仅仅在于在挤出普通PE管之后，增加一辐照装置进行辐照交联。另外，为使PE树脂与增敏剂和敏化剂等助剂充分混合均匀，必须强化挤出成型前的混料操作。

辐射源产生的能量和辐射剂量影响交联度。用于PE管材辐照的辐射源通常为钴源或电子加速器。60Co可以产生1.173～1.332MeV的γ射线，电子加速器可以产生能量为3～630MeV的高能电子束。射线类型和能量不同，对聚合物的穿透能力不同。交联PE的生产一般采用电子加速器为辐射源，电子束能量为2～3MeV。辐照剂量的确定，一方面要考虑所需的凝胶含量，同时还要考虑聚合物在辐照中的稳定性。PE采用的辐照剂量为20～30Mrad。

空气中的氧对交联反应有抑制作用，为提高辐照交联效率，最好在真空条件下进行辐照。但当制品壁较厚时，氧气对内部的影响较小。

（2）有机过氧化物交联法 此法生产交联PE管的流程与生产普通PE管完全相同，但因在挤出成型过程中发生化学交联，影响因素更为复杂。(www.xing528.com)

在挤出成型管材时将有机过氧化物按一定配比与PE树脂混合，在挤出机机筒中树脂处于熔融状态时达到均匀混合，但是，过氧化物一旦达到分解温度，必然引发PE交联，过早发生交联使管材难以成型，性能明显下降。因此，控制挤出温度和物料在机筒中的停留时间对于过氧化物交联PE管材的成型非常重要。若采用过氧化二异丙苯（DCP）作为PE的交联剂，挤出机中熔料的温度一般不得超过140℃，以130～140℃为宜。

采用双阶挤出机挤出成型有机过氧化物交联PE管，对管材的成型比较容易控制，如图3-24所示。PE树脂与有机过氧化物经初混合后加入到一阶挤出机中，此挤出机的温度控制在有机过氧化物分解温度以下，PE熔融温度以上，其作用是塑化物料，均匀混合过氧化物和各种组分。经一阶螺杆挤出的熔融物料直接喂入二阶挤出机。二阶挤出机螺杆有较强的剪切作用，使物料充分混合，且温度控制在有机过氧化物的分解温度以上，使物料开始交联，由机头出来的管材经过加热通道充分交联，然后冷却成交联管。在经过加热通道时，管坯需得到很好的定型，否则会发生变形。

图3-24 双阶挤出法示意

1—加料口 2—一阶挤出机 3—二阶挤出机 4—机头 5—定型装置 6—蒸汽加热装置 7—牵引机 8—交联管

（3）硅烷交联法 硅烷交联PE管的生产过程可分为两步法和一步法两种工艺。

1）两步法。这种方法是将PE树脂和硅烷引发剂在反应型混合机中进行接枝反应，使硅烷接枝到PE链侧端，经挤出造粒而制得接枝共聚物A料；再将PE树脂与交联催化剂及其他助剂混合挤出造粒，制得催化剂母粒B料，在应用时按一定比例混合A、B料，按传统挤管工艺挤出成型，经温水水解缩合而成交联PE管。两步法工艺流程如图3-25所示。

图3-25 两步法工艺流程

两步法硅烷交联PE管的生产工艺：

①接枝A料及含催化剂B料的造粒工艺。采用平行同向双螺杆挤出机（螺杆直径为58mm，螺杆转速为35r/min）时，各段温度控制见表3-30。造粒制得的A料和B料要进行干燥处理，并保存好，不能吸湿。

表3-30 挤出造粒各段温度控制

②挤出成型管材。采用单螺杆挤出机成型管材，机筒、机头温度为190～230℃，螺杆转速为30～40r/min。机头为直通式结构，挤出的管坯采用真空定径法定型，喷淋式冷却水槽冷却。

③交联反应。管材在沸水中浸泡8～10h，完成水解缩合反应，成为交联管。

2）一步法。一步法工艺是将PE与硅烷交联剂、过氧化物、交联催化剂和其他助剂等一起混合，将接枝聚合与成型、交联各步骤一次完成的生产过程。其工艺流程如图3-26所示。

一步法硅烷交联PE管的生产工艺：采用单螺杆反应式挤出机，螺杆长径比为28。树脂进行预干燥处理，含水量小于0.02%（质量分数）。原料中的固体、液体分别计量加料。反应式挤出机温度设定见表3-31。

图3-26 一步法工艺流程

表3-31 反应式挤出机温度设定

成型后的管在交联罐中进行水解缩合交联，温度在95℃左右，按管材壁厚每毫米2～3h确定交联时间。