地暖原材交联聚乙烯管材生产新动向分析

在建筑内冷热水塑料管道中，交联聚乙烯管是重要的一个品种，另二个重要品种一个就是目前产量最大的PP-R管材，另一个则是铝塑复合管。建筑内冷热水管道还有其他许多品种，比如：PE-RT，PB等等。交联聚乙烯管主要用于建筑内的热水管道，比如：生活热水管，采暖管，低温热水地面辐射采暖管等等。交联聚乙烯管在欧洲是建筑内冷热水管道中应用量最大的品种，要占到建筑内冷热水塑料管道市场的50%左右。由于近几年来我国低温地面辐射采暖发展比较快，因此交联聚乙烯管近年来发展也比较快，2006年产量达到了3万6千吨，其中过氧化物交联聚乙烯管（PE-Xa）要占到3万吨。预计2007年总量将达到4万吨，其中硅烷交联聚乙烯管将增加到1万吨。

　　我国的交联聚乙烯管生产主要分为硅烷交联聚乙烯管（PE-Xb）和过氧化物交联聚乙烯（PE-Xa）管，仅有少量辐射交联聚乙烯管（PE-XC）。

一、硅烷交联聚乙烯管材（PE-Xb）

　　在我国交联聚乙烯管生产首先发展起来的是硅烷交联聚乙烯技术，之中又有引进技术和国内技术之分。引进技术是90年代中后期引进的瑞士“NOKIA-MAILLEFER”的生产线和技术，国内目前一共有10条这样的生产线，总生产能力为0.7亿米／年．技术的主要特点是采用高压泵把按照工艺要求配比的硅烷和助剂直接注入挤出机机筒的规定位置，由挤出机螺杆完成塑化和分散以及接枝过程，并挤出成型。由于配方控制比较严格，并且至今这些企业基本还是使用进口的硅烷交联高密度聚乙烯专用牌号原料，因此产品质量比较稳定，一直是国内交联聚乙烯管的高端产品，管材的市场价格也比较高，接近搭接焊铝塑复合管的价位。近年“日丰”等又开发成功了带阻隔层的硅烷交联聚乙烯管材，是一步共挤出带EVOH阻隔层的交联聚乙烯管材，产品又上了一个档次。这种交联聚乙烯管有阻隔氧的功能，能够延长热水炉的寿命。

　　硅烷交联聚乙烯管的国内技术又有一步法和二步法之分，国内90年代出现的一步法技术的主要特点是使用混料机把按照配方要求比例的树脂，硅烷和助剂经过混合以后进入反应式挤出机挤出管材。由于硅烷和助剂在混合及输送过程中的损失很难计量，因此在配方设计上一般要多加一些，不仅造成成本加大，还容易造成产品质量波动；并且当时国内没有硅烷交联聚乙烯专用牌号原料，为了追求低成本，因此多数是采用其他级别的高密度聚乙烯（比如拉伸级的5000S）代用，往往还要加入一些线性低密度聚乙烯（LLDPE）来提高它的交联度。因此国内一步法技术产品质量不稳定，无法和进口技术生产的产品相比。但是这种一步法交联聚乙烯管生产线由于投资只及进口一步法生产线的1/20，因此在国内有相当数量的设备社会保有量。与一步法相对的是开发更早的二步法交联聚乙烯管，是采用预先生产好的专用的二步法硅烷交联聚乙烯料（一般称为A，B料，并且是粒料），用普通的聚乙烯管材生产线生产管材，这种生产线的要求是长径比不能太大（一般在28以下），另外螺杆要简单不能有混炼元件，整个流道不能有死角。目前国内二步法硅烷交联聚乙烯管材用料已基本国产化，进口料已经退出国内市场。但是实际上二步法原料主要的市场是在铝塑复合管的热水管生产中使用，很少有用来生产交联聚乙烯管。主要的原因是二步法专用料需要预先造粒，因此价格要比一步法配料价格高出20%-30%。

　　国内二步法硅烷交联聚乙烯管原料最大品牌是“上海化工厂有限公司”生产的“双花”牌，约占了国内市场60%的份额。另外一家即苏州的“康斯坦普”。

二、过氧化物交联聚乙烯管材（PE-Xa）

　　另一种交联聚乙烯管就是＂过氧化物交联聚乙烯管“生产技术和设备，也称为PE-Xa或者简称A管，从1998年韩国企业在中国大力推销“过氧化物交联聚乙烯管”生产技术和设备（冲击式押出机）以来，我国几年中过氧化物交联聚乙烯管发展迅速，几年来仅从韩国进口的生产线就已经超过300条，仅韩国“泰成”一家公司就在中国销售了近200多条生产线，而国内自己开发制造的生产线尽管价格仅为韩国生产线的50%，市场份额却只占20%-25%，总生产能力超过3亿米／年。

　　韩国技术生产PE-Xa管材最大的优点是：设备价格低，企业投资小；韩国生产线目前市场价格只有15万人民币/台(最初在中国卖20多万/台)左右，国产线仅为8万人民币/台左右；适合小型企业或者小规模的投资。第二是PE-Xa管材比PE-Xb柔韧性好，由于交联聚乙烯管在我国主要的用途是“低温热水辐射地面采暖”，管材的柔韧性好便于施工并且施工成本也可以相应降低。第三是PE-Xa管材在生产线上已经交联，不需要象PE-Xb那样要进行热水后处理，可以降低生产成本简化生产过程。但是以韩国技术生产PE-Xa最大的缺点是生产效率低，平均线速度在1.5米／分左右（每台设备是双工位，因此计算生产能力是3米/分/台），这和我们通常生产塑料管材时的速度相差很大，带来了设备台数多，厂房面积大，人工用得多等问题。更主要的是企业生产设备台数很多，很难把每一台设备的工艺参数都控制在最佳状态并且完全一致。给质量监控带来了难以克服的困难。

三、新的动向

　　我国交联聚乙烯管生产发展到今天，交联聚乙烯管材2007年预计产量能够达到4万吨，将接近铝塑复合管的产量，并且由于价格的优势，发展速度将超过铝塑复合管，而成为建筑内冷热水塑料管道中仅次于PP-R/PP-B的第二大品种。

　　交联聚乙烯管材由于具有优异的综合性能，具有强度高，柔韧性好，耐应力开裂性能好等优点，尤其耐热蠕变性能明显优于PPR、PB，PE-RT；并且使用寿命达50年以上，因而成为低温热水地面辐射采暖管的首选。随着低温热水地面辐射采暖在我国东北、西北、华北大面积推广普及，交联聚乙烯管材的市场容量越来越大，市场前景看好。但由于国内过去对PE-Xb管材生产工艺的复杂性认识不足，前几年国内推出的低价位的、技术上不够成熟的一步法PE-Xb管材生产线，曾经出现过生产不稳定，产品质量波动等现象，造成了经济损失和认识上的误区。不少人误认为从韩国引入的＂过氧化物交联聚乙烯管（PE-Xa）＂生产技术和设备（冲击式押出机）是生产交联聚乙烯管材最经济最好的方法。致使国内几年来对PE-Xb管材生产技术的研究一直处于停滞不前的状态。我国近几年中过氧化物交联聚乙烯管发展迅速，严重冲击了国内PE-Xb管材市场，国产一步法硅烷交联聚乙烯管材生产线几乎全部停产，只留下进口的那几条生产线在继续生产硅烷交联聚乙烯管材。但是几年的市场较量表明：优质的硅烷交联聚乙烯管材完全能够在市场竞争战胜用冲击式押出机生产的“过氧化物交联聚乙烯管材（PE-Xa）”，因为硅烷交联聚乙烯管材的交联更加均匀，生产工艺的控制更加一致和严格，管材质量更加稳定；反映在工程中，出现问题的几率更加低。

　　事实证明硅烷交联聚乙烯管材更加适合大工业的规模化生产；能够生产带阻隔层的管材，更加适合创建交联聚乙烯管材的品牌产品，最让管材生产企业关心的是：通过严格控制配方和高速挤出（≥25米/分），硅烷交联聚乙烯管材生产成本将低于过氧化物交联聚乙烯管材。目前国内进口一步法硅烷交联聚乙烯管材生产线经过近十年的运行已经进入故障多发期，需要有新的装备来更新；一些看好交联聚乙烯管材市场前景的企业希望得到最好的装备来生产硅烷交联聚乙烯管材，为此从2006年开始“杭州双林”，“凯德”等塑料机械制造企业分别开发了国内新一代一步法硅烷交联聚乙烯管材生产线，并且成功进入市场。

四、新一代生产线

　　以下以“杭州双林”开发的新一代一步法硅烷交联聚乙烯管材生产线为例，介绍新技术的特点，以供管材厂家选购设备作参考。

　　首先一步法硅烷交联聚乙烯管材生产线作为一个生产系统，应该包括有完整的原料予处理系统，主辅料计量配送系统，硅烷的输送计量系统，聚乙烯颗粒与硅烷液体的混合系统，挤出成型定型冷却系统，计长标识收卷系统。

　　1.材料予处理系统

　　硅烷交联聚乙烯管材的生产是一个化学反应挤出的过程，它对原材料的水分含量要求非常严格，要求含水量必须小于200mg/L，否则生产将难以进行或产品质量难以保证。这就要求生产线必须配置与生产线生产能力相匹配的具有足够干燥能力的双工位除湿干燥装置，而普通的热风干燥机，达不到硅烷交联聚乙烯生产工艺所要求的原材料水分含量，尤其在气候潮湿的南方。如果生产线所配置的干燥装置不合适，轻则影响连续生产周期，严重的在管材中会频繁出现凝胶块而导致生产无法正常进行。一般情况下物料干燥要求4小时以上。

　　2、主辅料计量配送系统

　　一步法硅烷交联聚乙烯管材生产线一个显著特点为物料中既有固体颗粒，也有液体，同时在生产过程中存在接枝等化学反应。由于物料中的硅烷为液体，固体颗粒和液体的混合物随着固液比率的变化以及料斗中料位的变化都能够引起加料量的变化，另外随着生产时间的延长，部分黏度高的物料黏附在螺杆上炭化会部分堵塞螺杆，所有这些都会导致物料输出的变化从而导致物料配比发生变化。因此生产线要求带有反馈系统的多组分主辅物料自动称量系统，即当物料输出量发生变化时，根据反馈信息螺杆转速自动调整以保持出料量的稳定，同时保证了物料配比的精确性，可以使管材壁厚和直径更为均匀。

3.硅烷的输送计量系统

　　一步法生产PE-Xb管接枝添加剂乙烯基三甲氧基硅烷是极易吸潮的物质，遇空气中的水分将结晶。结晶体含有的水分会在挤出过程中参与反应，从而在设备中发生预交联，产生凝胶块，严重影响管材质量。因此要求生产线自物料干燥后，整个物料系统的输送都在密封状态下进行，特别是硅烷的部分整个操作要完全处于良好密封之下，不允许有跑、冒、滴、漏。进入硅烷桶以及计量桶的空气必须要经过干燥。在硅烷管道清洗时不能用水或含水的清洗剂，吹干必须用氮气或经过干燥的空气。交联度是交联聚乙烯管材的一项主要指标，而硅烷用量又是影响交联度的基本因素之一，同时也是影响成本的重要因素，因此硅烷流量要连续并且稳定，硅烷注入系统要能够实现实时监测流量并自动控制。

　　4.聚乙烯颗粒与硅烷液体的混合系统

　　聚乙烯颗粒表面光滑，与液体硅烷不易均匀混合。因而为确保硅烷与聚乙烯颗粒充分混合，硅烷应连续地以喷雾式注入料筒下料口上部，并在注入口下方装有一合适转速的混料小电机，其特殊结构的搅拌可使得硅烷均匀吸附在聚乙烯颗粒表面，只有这样交联聚乙烯管材交联点的分布才能均匀。而国内以前开发的一步法硅烷交联聚乙烯管材生产线采用普通高速搅拌机混合聚乙烯和硅烷，为防止硅烷挥发，混合时间不能过长，因而聚乙烯与硅烷混合不均匀。另外，在物料从高速搅拌机取出过程中的附在聚乙烯颗粒表面的硅烷与空气中水分接触容易造成硅烷结晶。并且混合好的物料在倒入料斗后，硅烷液体顺着颗粒下流，这样料斗下部的物料表面吸附有较多的硅烷，而料斗上方的物料则吸附较少的硅烷，由此导致了管材的交联分布不均匀，严重影响管材质量。

　　5.螺杆、料筒结构

　　一步法硅烷交联聚乙烯管材生产线的料筒、螺杆要求特殊设计。其主要特点是料筒有纵向沟槽，螺杆则从加料段、塑化段、反应段、均化段均根据其功能作特殊的设计，确保物料在其中塑化、混合均匀，反应充分，停留时间分布窄且具有高的产量。螺杆必须恒温控制，以防止反应过程中的放热导致物料局部温度过高，为此螺杆直径一般都在65以上，设计有一般聚烯烃螺杆所没有的冷却孔。为控制物料在料筒中的停留时间，要求生产线具有较高的生产速度，每分钟应该达到20米以上。如果采用普通料筒、螺杆用作生产一步法硅烷交联聚乙烯管材，其缺陷是物料在料筒中停留时间分布宽，产量低，交联点分布不均，管材交联度不均一。

　　6.控制系统

　　一步法硅烷交联聚乙烯管材生产线为确保物料比例精确，在物料输送，配混计量系统都采用PLC控制，硅烷及抗氧母料里能随着主料输送量的变化而变化，从而确保物料比例的精确。由于料筒及螺杆的温度和聚乙烯的接枝反应密切相关，因而要求各段温度采用PLC精确控制。另外由于聚乙烯在料筒中与硅烷接枝反应后，物料黏度大幅增加并考虑到特殊情况下的操作，因而生产线应配置足够功率的电机。

　　7.模具结构及真空定径系统

　　一步法硅烷交联聚乙烯管材生产要求模具流道光滑，不允许有死角。为满足快速生产的需要要求模具的压缩段要足够长，而口模平直段长度要合理，不能过长增大阻力，也不能过短致使出模膨胀过大。在设计模具时要根据设备参数设计合适的拉伸比以及拉伸平衡比。真空定径系统对一步法硅烷交联聚乙烯管材快速生产的稳定性以及产品的外观和内在质量都存在主要影响。合适的定径系统为采用定径套及碟片组合式结构，同时定径套结构要在生产时可实现水膜润滑，而不是塑料直接和铜材质接触。一般来说由于PE-Xb以及PE-RT管材都为外径32以下的小口径管材，因而可采用冷却效果好水浸式真空箱。

　　8.计长标识收卷系统

　　当挤出速度超过25米/分时，对收卷机的要求是双工位，并自动换卷。

　　“杭州双林机械有限公司”在消化吸收国外先进技术基础上开发的“一步法硅烷交联聚乙烯管材生产线”在生产速度（39米/分）以及稳定性方面都达到了国外先进水平，完全可以替代同类进口生产线。

　　到目前为止已有10多条生产线在广东佛山日丰、上海天奋、浙江铭仕管业、鸡西天阳等管材厂家投入生产。据中塑协管道专委会统计，2007年硅烷交联聚乙烯管材将有较大幅度的增长，并且是几年来第一次增长幅度超过了过氧化物交联聚乙烯管材，相信随着国内设备技术、工艺技术的成熟，具有品质以及综合生产成本优势的硅烷交联聚乙烯管将会重新成为地暖用管的主流产品。