聚乙烯塑料管材、管件的擠出技術

1、聚乙烯塑料管材、管件的擠出技術聚乙烯塑料主要分兩大類：高密度聚乙烯HDPE（低壓聚乙烯）和低密度聚乙烯LDPE（高壓聚乙烯），高密度聚乙烯是乙烯單體在低壓狀態(tài)下共聚而成，故又稱作低壓聚乙烯，低密度聚乙烯是乙烯單體在高壓狀態(tài)下共聚而成，所以又稱作高壓聚乙烯。聚乙烯材料的應用非常廣闊，管材領域只是聚乙烯應用領域中其中一個重要方面。由于HDPE和LDPE物理性能上存在差異，所以兩種材料在管材應用領域上各有不同：低密度聚乙烯（LDPE）具有良好的柔韌性。但是，抗壓耐壓強度較低，所以只能用于低壓力小直徑的管材，它經(jīng)常被制作成盤管而用于農(nóng)村改水和一些非長期使用的場合。而高壓聚乙烯材料由于具有較好的抗壓性能

2、，所以HDPE廣泛應用于壓力管領域（比如給水、供氣、城市排水等）。70年代末，歐美某些化學企業(yè)也相繼推出了新型的聚乙烯材料MDPE，MDPE的應用尚在推廣階段，這幾種材料在給水管領域的應用比例如下（以歐洲國家的應用為例）近年來，國際標準ISO4427-1996根據(jù)管材的最小要求強度（MRS）將管材用聚乙烯材料分為PE32、PE63、PE80、PE100。也就是說：PE80通俗解釋就是：該材料管材在20，連續(xù)受壓50年不破壞，管壁承受最小要求強度是：8。0Mpa，如此類推。 在塑料管發(fā)展的初期，聚乙烯壓力管材的使用是遠小于聚氯乙烯，其主要原因是受到成本的約束，在早期，聚乙烯管材料主要是PE63，

3、高性能、高強度的聚乙烯管材尚未開發(fā)成功，而使用PE63以下的管材料，在同樣的壓力和直徑下，聚乙烯管的管壁比聚氯乙烯管厚一倍以上。所以其制造成本遠比PVC高，而且只能用在低壓下小直徑領域。同樣是直徑200，同樣是1Mpa壓力等級，PE63管材壁厚是18。2毫米，而UPVC的管材壁厚是8。7毫米，也就是說，PE63的管材重量是UPVC管材的1。42倍，所以在制造材料成本上，PE63與UPVC相比，在材料成本上無法抗衡。隨著HDPE新材料、新技術的出現(xiàn)，這種成本（重量）上的差異發(fā)生了很大的變化，隨著第二代聚乙烯管材料（相當于PE80）和第三代聚乙烯管材料（相當于PE100）的出現(xiàn)，在同樣直徑200同

4、樣壓力等級及條件下，相同長度的PE的聚乙烯管材重量只是UPVC管材的0。93。所以，第二代和第三代的聚乙烯管材料不僅顯著地提高了PE的最小要求強度，而且也提高了抗環(huán)境應力開裂性能，而且具有顯著的抗裂縫快速增長能力，更重要的是在同樣使和壓力下可以減少壁厚，增加輸送截面，（例如在10巴壓力下輸送水，200直徑的PE100聚乙烯管比20PE80的聚乙烯管壁厚可以減少33%，輸送截面增加16%）。而在同樣壁厚下增加所用的壓力，提高輸送能力（例如：在同樣壁厚下輸送天然氣，使用PE100的聚乙烯管輸送壓力可以達到10巴，用PE80聚乙烯管輸送壓力只能達到4巴），隨著聚乙烯技術的改進、經(jīng)濟效益是顯著的，最近

5、有報道說，第四代聚乙烯管材料PE125已經(jīng)開發(fā)成功，由此可以預測，更大直徑，更具經(jīng)濟性的聚乙烯壓力管道更具有廣闊的使用領域。PE管材的擠出設備聚乙烯管材生產(chǎn)線包括擠出主機，管材模頭定型裝置、定型模具、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置、收集裝置等部分。聯(lián)塑機器在聚乙烯管材擠出領域，一直以高速生產(chǎn)高品質的管材為發(fā)展方向，對110mm以下的管材生產(chǎn)技術而言，生產(chǎn)速度和生產(chǎn)穩(wěn)定性顯得非常重要，而對110mm以上規(guī)格的管材生產(chǎn)技術來說，質量的保證和生產(chǎn)的穩(wěn)定性和設備的可靠性是最重要的，縱觀目前國內企業(yè)對大口徑（250以上）高壓力等級（壁厚較大）的聚乙烯管材的生產(chǎn)技術尚處在起步階段，對很多企業(yè)來說，以高速生產(chǎn)

6、高品質的大口徑聚乙烯管材無疑是一個最新的課題。擠出機聚乙烯管材擠出生產(chǎn)線的重要核心之一，就是擠出機。對于聚乙烯管材的加工，最廣泛使用的主機都是單螺桿擠出機。單螺桿擠出機是一種已有幾十年發(fā)展歷史的機種，對國內很多企業(yè)來說，單螺桿擠出機設計還是運用傳統(tǒng)的設計理論為依據(jù)，因此，這類型的單螺桿擠出機存在以下缺陷：低扭矩、低擠出量高混煉與穩(wěn)定擠出相沖突高產(chǎn)量依賴于大直徑的螺桿因此，傳統(tǒng)的單螺桿擠出機只能滿足PE63以下材料的加工，由于擠出量的限制，生產(chǎn)大口徑高壓力等級的PE管材比較困難，如果生產(chǎn)400、PN0。8的PE管材，使用傳統(tǒng)的機型，必須選擇螺桿直徑200MM以上的單螺桿主機，這樣就增加了設備的加

7、工難度，更重要的是產(chǎn)量/功率的比例就顯是太低、耗能太大。因此，為了達到最佳的熔體質量與制品質量，不斷提高生產(chǎn)效率，高品質的單螺桿擠出機必須滿足下列的要求：高扭矩、以保證高擠出量合理的螺桿直徑，極高的擠出量理想的混煉效果，穩(wěn)定的高擠出量嚴格控制剪切作用，以獲得理想的物料溫度，防止由于降解與交聯(lián)導致材料性能的變化 較大的加工適應性在較小機型在達到較高的擠出量，只有使用斜度溝槽襯套的擠出機才能實現(xiàn)。這種擠出機配置了一個具有特殊結構的加料襯套，內孔表面具有多條帶有斜度溝槽，溝槽的數(shù)目和深度同樣會影響擠出機的產(chǎn)量，在溝槽的外殼布置一個螺旋環(huán)形槽的冷卻系統(tǒng)，以實現(xiàn)對喂料區(qū)域的溫度控制并且與相鄰的高溫機筒區(qū)

8、相隔離。這種結構大大提高效率，因此，在這種系統(tǒng)里，決定整臺擠出生產(chǎn)線產(chǎn)量的不是系統(tǒng)的反壓，也不是簡單加料段的螺槽深度，而是相互配合的輸送效率。為了更好地提高主螺桿的塑化效率，聯(lián)塑機器首先倡導了一種簡稱為"雙階式螺桿"。 雙階式螺桿的基本原理就是把兩根單獨的螺桿所配合而產(chǎn)生的優(yōu)點結合起來，在這種雙階式螺桿結構中，物料的塑化不全依賴在壓縮比的大小，剪切的大小上，而主要體現(xiàn)在物料的混合以及相互的熱交換上。因此，特殊的斜溝槽加料襯套和雙階式螺桿的相互結合，體現(xiàn)了一種全新理念的單螺桿機型，這種機型的優(yōu)點如下：突破傳統(tǒng)的產(chǎn)能概念可以實現(xiàn)小螺桿高產(chǎn)能的目標有效地合理控制物料所受的剪切，完

9、成其塑化提高了擠出機的加工適應性、真正達到一機多用，一桿多用的效果。對于雙階式螺桿系統(tǒng)而言，螺桿機筒的材質應與傳統(tǒng)的氮化鋼材質有所改進，提高螺桿的抗韌抗彎強度，提高機筒螺桿的滑動效率，材料及工藝處理的方法有兩種：一是采用雙金屬材料；二是采用合金主體燒結特殊合金材料。體現(xiàn)傳統(tǒng)機型與新機型的最直接的反映就是擠出效率的極大幅度的提高，同等直徑的單螺桿擠出機，新機型的產(chǎn)量水平是傳統(tǒng)機型的二倍。聚烯烴管材擠出模頭在管材擠出生產(chǎn)中，擠出模頭的優(yōu)劣對產(chǎn)品的品質同樣起到非常重要的作用。對于加工聚乙烯材料而言。一種優(yōu)化的管材擠出模頭應滿足以下的要求：一、物料在模頭里可以得到進一步的充分的混合后以均勻的熔體擠出口

10、模。二、能提供最恰當?shù)奈锪显跈C頭內的停留時間，停留時間過短，影響熔融物料的質量，過長則會促使熔融物料的降解和交聯(lián)，破壞物料原有的物理性能。三、能確保物料在機頭內保持較低熔體壓力和擠出穩(wěn)定的平衡。四、能確保物料在機頭內維持較低的料溫，以防止物料在機頭擠出時產(chǎn)生橫向流動和過早地產(chǎn)生氧化效應。在PE管材的加工領域，使用較廣泛的模頭結構有：1、螺旋機頭；2、籃式機頭；3、過濾機頭。螺旋機頭螺旋機頭的原形來自于PE薄膜的管狀模頭，其原理就是：熔融物料從主機進入模頭，通過若干個星狀分配孔，或者通過若干道放射狀分布的流道，環(huán)繞芯模形成多股的螺旋料流。螺旋機頭因而得名。在這種機頭里，有個關鍵的部件-螺旋分流體

11、，熔體在螺旋分流體的狀態(tài)直接影響管材的品質。螺旋機頭的設計原理是通過利用多股螺旋分流對主機擠出的物料進行多次的軸向和徑向的重疊，以達到充分混合的目的，以期達到高度均勻的擠出熔體。多股螺旋料流的重疊沿著擠出方向，徑向重疊逐漸減少，螺旋分流體與型腔間隙沿擠出方向逐漸增加，軸向流動逐漸成主流。在這個重疊過程中，由于螺旋料流較大程度地改變了主機擠出物料的方向，從而會產(chǎn)生多股料流之間因流動方向相沖擊而產(chǎn)生過多的紊流，和沿擠出方向的壓力波動，從而會對管材的內壁產(chǎn)生擠出波動，影響管材的品質。因此，螺旋機頭的合理和準確的設計就顯得非常困難和掌握。如流道數(shù)量，螺旋流道的漸變斜度與寬度，螺旋分流體與型腔之間的間隙

12、變化率等等因素的平衡和分配并不能依賴于理論上的優(yōu)化設計。因此，機頭的修模時間就會變得更長，成功率也會大大降低。對不同的物料而言，有關螺旋分流體的參數(shù)必須加以調整，也就是說對一種設計的螺旋分流體而言，這只能滿足特定的某種物料的擠出，改變擠出物料的品種，必須更換螺旋分流體，否則會影響熔物料熔體的質量，因而對螺旋機頭而言，加工的適應面較窄是它的突出的缺點。籃式機頭在籃式機頭里，同樣存在著一個關鍵的部件-篩籃，在籃式機頭上，芯?？梢酝ㄟ^支架或帶有星狀孔的料流導入塊固定在機頭體上，在工作時熔融物料流過多孔區(qū)域，物料的流動方向不是沿軸向流動，而是沿徑向從里向外流動，在篩籃區(qū)域內熔體料流兩次改變流向。首先由

13、軸向變成徑向，然后再變成軸向，物料通過此種方式得到混合均化。然后物料必須通過一個阻滯區(qū)域和相鄰的松馳緩沖區(qū)域，實現(xiàn)料流之間的融合，從而以比較均勻的熔體擠出口模。在這種結構的模頭里，物料在篩籃區(qū)域的流動狀態(tài)直接影響熔體的質量和管材的品質。 由于在籃式機頭里，混合元件-篩籃往往設置在機頭的芯棒體上，這樣限制了篩籃體的直徑大小。這種結構使能提供熔體在圓周截面上具有較大的過流面積，但是決定模頭混合效果的主要是徑間截面的過流面積的大小。因此，籃式機頭在混合效果上不足是它的較明顯的缺陷。但是，這種機頭在低壓擠出的穩(wěn)定性方面也有它的較好的體現(xiàn)。過濾式機頭在這種機頭里有一個關鍵的核心部件-過濾網(wǎng)板。在擠出時，

14、熔融物料從主機通過星狀分布的多個小孔分成多股料流，然后經(jīng)過第一個松馳緩沖區(qū)進入第一阻滯區(qū)域，在這個過程中，熔體的流動速率發(fā)生了較大的變化。熔體流動速率的變化會對物料的均化發(fā)生較大的促進作用。物料經(jīng)過第一個阻滯區(qū)域后進入到第二個松馳緩慢區(qū)，在這個松馳緩慢區(qū)里，特別設置了一個具有極大過流面積的過濾網(wǎng)板。物料在這個過程中再次發(fā)生了一次流動速率的變化。物料得到再一次混合后經(jīng)過核心元件-過濾網(wǎng)板，在過濾網(wǎng)板上設置了1200個以上的過濾小孔，物料由此得到了最充分的混合。最后物料再經(jīng)過一個壓力阻滯區(qū)后擠出口模。在這種過濾式機頭里，物料的流動速率發(fā)生多次的變化從而增加了機頭的混合效果，再經(jīng)過過濾網(wǎng)板使料流之間

15、產(chǎn)生重疊。由于在過濾網(wǎng)板上的徑向過流面積較籃式模頭增大很多，無疑過濾網(wǎng)板在這個區(qū)域里起到一個靜態(tài)混合器的功能。同樣，這種機頭也是一個低壓高混合機頭，即使在很高的擠出量狀態(tài)下，也能實現(xiàn)理想的均化效果，這種機頭同樣賦予物料的低壓和超穩(wěn)定的流動。因此，對管材的高速擠出特別適合和令人滿意，同時這種機頭的熔融物料得到足夠和充分的熱量傳遞和熱量交換。因此，該模頭具有較好的適應性能，能滿足各種型號物料的高品質管材的擠出。定型裝置模具中的定型裝置是PE管材擠出系統(tǒng)中較主要的部件，熔融物料在定徑套內表面被冷卻下來從而形成一層固相表層，保證管材獲得準確的外徑。也保證管材的穩(wěn)定和正常的牽引和擠出。熔融物料在定型裝置

16、的狀態(tài)和成型條件直接影響管材的內外表面質量，也直接決定著整個擠出系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高速生產(chǎn)的可靠性。因此，良好的定型裝置設計滿足以下要求：良好的導熱性能提供熔融物料在短距離內快速得到充分的表面冷卻，冷卻速度能保證管材的表面迅速形成固體相的皮層。高耐磨性能。內表面應具備較高的光潔度。根據(jù)物料的不同和生產(chǎn)速度，質量要求的不同可以選擇不同的定型結構，目前較流行的PE管材定型裝置主要有兩種：圓筒狀定徑套；片狀組合式定徑套。在這兩種定型裝置，使用最廣泛的是圓筒狀定徑套。它是有較廣的適用性能，能滿足PE管材的20630的擠出成型。對于圓筒狀定徑套來說，導入水環(huán)的水流的穩(wěn)定性和均勻性直接影響管材的擠出質量，而熔

17、融物料在定徑套的冷卻速率可以直接影響管材的內壁的品質。而片狀組合式定徑套主要針對小口徑、高速擠出的PE管材的生產(chǎn)，適用口徑范圍：2063MM，根據(jù)管材直徑和所加工材料的不同，可以達到35M/MIN或更高的擠出速度。片狀定型裝置多層薄銅片組成，中間有定徑圓孔，外側由支撐柱固定。每層薄銅片之間的距離按以下規(guī)則分布：沿坯料導入方向。距離逐漸增加，在靠近坯料導入端，銅片之間的距離越小，以防止還處于塑化狀態(tài)的坯料在薄片之間積存和擠壓，隨著管材表面硬層的形成，銅片之間的距離可以逐漸加大。合理選擇管材的定型裝置，對管材的質量和生產(chǎn)的經(jīng)濟性起著較大的作用。真空定型裝置和冷卻裝置真空定型裝置在PE管材生產(chǎn)線中是

18、較重要的部件，真空定型裝置設計的優(yōu)劣直接影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性和管材內外表面的質量，一個優(yōu)良的真空定型裝置應該滿足以下要求：能提供強力的冷卻能力。具有各種生產(chǎn)條件下的穩(wěn)定的真空度。具有穩(wěn)定的水溫水位控制系統(tǒng)。具有長期的防腐蝕性能。在真空定型裝置之后，管材還需要進一步的冷卻，因此，對現(xiàn)代的聚乙烯管材生產(chǎn)線來說，冷卻裝置是必不可少的，良好的冷卻裝置應滿足以下要求：能提供環(huán)繞管材的均勻的冷卻能力。能滿足管材足夠的冷卻長度，使管材通過牽引機后不會破壞管材的圓度。穩(wěn)定的水溫水位控制系統(tǒng)。通常冷卻裝置有以下二種：浸浴式冷卻裝置強力噴淋式冷卻裝置浸浴式冷卻裝置：管材通過一個裝有冷卻水的水箱，在這個狀態(tài)下，管材的整

19、個截面是浸泡在水中，通過管材與水的接觸，釋放熱量從而得到冷卻的效果。這種裝置較簡單，造價低廉，但是對管材的生產(chǎn)會帶來以下的弊端。冷卻效率欠佳，影響管材的生產(chǎn)效率。由于管材浸泡在水中時，管材的圓周受到不同水壓的作用，從而會導致管材的圓度超差。 因此，理想的冷卻裝置應以強力噴淋為最佳選擇。牽引裝置由于管材的規(guī)格和壓力等級的多種性，對牽引裝置的要求也有各自的特點，根據(jù)多年的擠出設備制造經(jīng)驗，聯(lián)塑機器目前能提供以下四種類型的牽引裝置。-雙履帶的牽引裝置三履帶的牽引裝置四履帶的牽引裝置六履帶的牽引裝置合理地選擇牽引裝置應根據(jù)管材的上徑為依據(jù)，以下是各種牽引裝置的最佳應用場合。 切割裝置管材切割裝置是生產(chǎn)過程中最后的質量控制環(huán)節(jié)，理想的切割裝置應具備以下條件： 保證切斷的管材截面與軸心線的垂直度。保證切斷的管材截面的平整度，