高光潔聚烯烴塑料管材生產技術研究探討

鄭建旭，毛福望，陳浩，夏勇(河南聚塑管道科技股份有限公司，河南 漯河 462000)

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高光潔聚烯烴塑料管材生產技術研究探討

鄭建旭，毛福望，陳浩，夏勇
(河南聚塑管道科技股份有限公司，河南 漯河 462000)

摘要：通過對聚烯烴塑料管材擠出技術的分析研究，針對實際生產中出現的質量問題，從配方、模具和模具處理時出現的問題等方面分析了“氟”處理技術，提出了改進意見并進行了可行性分析，能夠把“氟”處理技術運用到聚烯烴管材模具中，實現了擠出技術的突破，聚烯烴塑料管材外觀質量有了顯著提高。

關鍵詞：聚烯烴；塑料管材；聚四氟乙烯噴涂；聚苯酯

聚烯烴塑料管材主要包括聚乙烯和聚丙烯等，聚乙烯管材包括給水排水實壁管、單壁雙壁波紋管、鋼帶增強波紋管、燃氣管、礦粉砂石淤泥輸送管、農業灌溉滴灌管及其他復合改性交聯管。聚丙烯管材包括冷熱給水管和工礦企業輸送管。隨著國家建設的不斷加大和深入，聚烯烴塑料管材產量和質量都有了飛速的發展和提高，應用領域涉及到城鄉供排水、農業灌溉、可燃性氣體、礦山企業、舊網改造維修等各個方面。聚烯烴塑料管材新技術不斷得到創新發展，

1　聚烯烴塑料管材的擠出技術

閃立新[1]從原料、設備、生產工藝等方面比較系統地論述了聚乙烯管材的擠出技術，王建國[2]等從設備結構方面研究了Φ32 mm以下小規格管材如何達到30 m/min以上的“高速”“高效”生產，總結了單純完善設備來實現“高速”“高產”而存在的問題。比如物料混煉塑化不均，物料急劇升溫和熱分解，輔機的控制系統精度須提高，螺桿和機筒磨損加劇，減速器與軸承在高速運轉下如何提高使用壽命。對于高速擠出而言，物料的塑化效果很關鍵，使用屏蔽式單螺桿擠出效果較好，由于屏蔽式螺桿特有的雙螺旋線結構，可以確保物料均勻塑化[3]，既提高了產量又降低了能耗。沈華[4]等在研究聚乙烯壓力管材生產過程控制時，對熔體過濾裝置和重力計量系統做了深入研究，使生產過程中輔機控制系統精度有了明顯提高和改善。根據聚乙烯物料在高速擠出時易出現的問題，酈華興[5]等分別從原料選型、改性、配方設計、工藝控制等方面進行了分析研究，對HDPE和LLDPE的混合物的流動性及系統“內外潤滑平衡”做了深入研究，從而實現了聚乙烯電纜料的高速擠出。鄭建旭[6]等比較系統地論述了聚乙烯管材的高速擠出技術，重點提出對擠出模具進行聚四氟乙烯噴涂處理的研究。原材料生產企業積極開發出更適合市場要求的聚乙烯原料，滿足管材物理性能和衛生性能的要求。張寧[7]對聚乙烯原料的生產工藝做了系統的研究，生產出可以滿足PE80等級的管材原料。齊姝婧[8]等對國內外聚乙烯管材專用的生產技術做了系統分析和總結。國內研究人員根據生產設備情況在配方、設備、生產工藝等方面做了大量深入研究。避免了聚乙烯管材擠出時的物料黏模、離模膨脹、水紋、麻點、橘子皮、鯊魚皮等不良現象。

2　“氟”處理技術

2.1有機氟加工助劑的應用

研究人員早期選擇在模具上涂抹脫模劑滿足生產需要，常用的脫模劑有硅油、有機硅類、有機氟類等，硅油是比較常見的橡塑脫模劑也是最傳統的一種脫模劑。1988年美國道康寧公司推出了一種有機硅系列添加劑，對聚乙烯類熱塑性塑料，只加入1%就可以提高產品的滑動性、耐腐蝕性、脫模性以及樹脂本身的成型加工性能等[9]。

周立新[10]等在對聚乙烯管材加工過程中出現的熔體破裂問題研究時建議添加一種含氟聚合物為基礎的加工助劑，消除溶體破裂對管材外觀的影響，能改善HDPE擠出物的表面光潔度并消除口模積料，有效地降低轉矩值和擠出壓力。PPA是以含氟聚合物為基礎的一系列聚合物加工助劑產品,它可用來改善LDPE、LLDPE、HDPE、PP等樹脂的加工性能而不會對基體樹脂的物理機械性能產生影響的一類加工助劑。PPA分子中的氟原子與金屬表面的氧化層的氧原子由于分子間作用力而結合，使得PPA分子緊緊貼附在金屬壁表面，形成一層含氟的潤滑層即脫模層，由于這層脫模層的存在，改變了口模出口處的熔體流變性能，降低了臨界剪切速率，從而消除了出口膨脹和熔體破裂現象。

朱慧紅[11]通過詳細的研究發現，自制的含氟彈性體加工助劑AF和BF添加劑可以改善聚烯烴的加工性能，降低能耗，提高產量，擴大了加工范圍。用于XHDPE配方中，使硅烷交聯聚乙烯管材表面亮而有光澤；用于LLDPE配方中，使聚合物熔體/金屬界面的剪切應力減少，消除了口模積垢，消除了LLDPE鯊魚皮狀的熔體破裂現象，扭矩減少并提高了擠出量，經國家衛生部門對添加劑進行檢測，符合國家食品包裝衛生標準。尹文艷[12]等利用不同長徑比的毛細管流變儀，研究了加入不同份數的氟碳彈性體對HDPE擠出性能的影響，得到了剪切速率與剪切應力的關系曲線和180℃時表觀黏度與剪切速率的關系曲線。結果表明，分別在HDPE5000S中加入0.125份氟碳彈性體和HDPE6098中添加0.1份氟碳彈性體后，擠出物表面的光潔度的到改善。

成衛戍[13]等通過對氟聚合物加工助劑在PPR管材料中的實驗室和在擠壓造粒系統中的工業應用的研究，發現氟聚合物加工助劑對降低混煉機功率，齒輪泵電流和電壓都有幫助，能夠達到提高擠壓造粒系統負荷的目的。

王金明[14]等通過實驗自制含氟光亮潤滑劑在PVC管材生產線的應用情況，說明該含氟光亮潤滑劑可使擠出效率提高，管材外觀光滑平整，物理性能檢測合格。

含氟類加工助劑使用添加量很少，為了方便控制使用量，加工助劑母粒應運而生，價格一般在25～30 元/kg，按照1%～2%的建議添加量，綜合配方成本增加250～600元/t，成本增加量相對大，這也是含氟類加工助劑不能完全被市場接受的主要原因。

2.2聚四氟乙烯塑料環的應用

聚四氟乙烯塑料俗稱“塑料王”，具有優良的耐磨性和耐低溫特性，一般在250～260℃之間可以連續使用，短時間可以耐高溫300℃，具有顯著的熱穩定性，可以在冷凍溫度下不脆化，在高溫條件下不融化；具有優良的低表面能，高負載下有優良的耐磨損性和不黏性的雙重優點，可以滿足聚烯烴塑料的加工條件，其中耐磨性和不黏性可以減少或避免聚烯烴塑料在擠出過程中產生的缺陷。吳思嘯[15～16]等在生產研究提高聚乙烯管材光潔度時，發現在芯模和口模端面物料經過處安裝合適的聚四氟乙烯塑料環，可以有效地解決現有金屬模具生產聚乙烯管材時內外壁光潔度低，制品收縮率尺寸變化大的問題。我們經過試驗研究了聚四氟乙烯塑料環的使用情況，發現提高聚乙烯管材外壁光潔度效果明顯，可以減少或避免外觀缺陷，但發現更換模具或者二次加熱開機時聚四氟乙烯塑料環會發生變形，而且變形是不規則的。不規律變形直接影響管材的外徑和壁厚尺寸，必須再加工才可以使用。聚四氟乙烯材料的選擇及其本身的性質決定了聚四氟乙烯塑料環在聚烯烴管材擠出模具上的使用是有不可控的因素存在的，生產的連續性存在風險。

2.3聚四氟乙烯不黏涂層的應用

鄒德榮[17]通過聚四氟乙烯防黏涂層的制備和應用，分析了配方、工藝等因素對涂層性能的影響和要求，當45#鋼和硬鋁模具上使用了聚四氟乙烯防黏涂層后，脫模方便，制品表觀質量光潔，可長期使用，不僅制品質量良好，而且涂層自身質量良好。鄒德榮[18]研究了含氟防黏涂料在金屬模具中的應用，通過分析比較采用含氟防黏涂料作為金屬模具的防黏涂層，可以應用于聚氨酯、環氧樹脂、丁晴橡膠、三元乙丙橡膠、PVC等高分子材料，是一種較好的金屬模具用防黏涂層。侯根良[19]等制備了以45#鋼為基體的聚四氟乙烯涂層，利用自制的高載荷條件下摩擦系數測試裝置研究了涂層的摩擦學性質，表明在4～90 MPa范圍內具有良好的摩擦性能，最低摩擦因數為0.032。正壓力與摩擦因數服從負指數衰減模式(Fit Exponential Decay)，隨著載荷的增加，靜摩擦因數和滑動摩擦因數先迅速降低然后趨于定值。李晶[20]研究了聚四氟乙烯復合涂層，非常細致地對涂覆工藝和涂層性能做了分析和闡述。楊軍[21]等選用聚四氟乙烯懸浮液為主要原料，通過添加一些助劑制得具有優良耐磨性、不黏性、耐蝕性等性能的“自分層梯度涂料”，涂裝在造紙設備表面防止紙頁黏附。朱東[22]等通過不同的表面助劑和硅粉、蠟粉的選擇，發現表面粗糙度和表面助劑的共同作用可以有效防止記號筆對涂層的黏結，從而獲得較好的防涂鴉涂層。陳利萍[23]等研究了特氟龍涂料在輪胎模具上的噴涂應用，解決了長期困擾輪胎模具開模不易和清洗困難等問題，降低了生產成本，輪胎成品外觀合格率大大提高。朱帥[24]等用杜邦420-703底漆與不黏面漆杜邦875N-210配合噴涂在高光度聚乙烯管材模具表面，所生產的聚乙烯管材表面光滑，粗糙度由原來的0.009提高到0.004。鄭建旭[25]等在研究處理聚乙烯管材擠出過程中出現的問題時，對原來模具進行聚四氟乙烯噴涂處理后，實現了聚乙烯管材的高速擠出技術。聚乙烯管材擠出模具噴涂聚四氟乙烯不黏涂層，管材外觀質量有了極大提高，口模積料消失。模具更換或二次開機對管材外徑和壁厚沒有影響。但聚四氟乙烯不黏涂層的磨損率相對較大。

3　聚苯酯改性聚四氟乙烯技術在管材擠出模具中的應用

針對TPFE環及噴涂TPFE存在的問題，比如PTFE環不耐高溫易變型和噴涂PTFE磨損率高的的問題，國內研究人員通過各種方法來提高TPFE的性能，填料包括玻璃纖維、碳纖維、石墨、二硫化鉬、青銅粉以及一些耐熱性好的聚合物，其中高性能聚合物如聚全氟丙烯、聚苯酯（POB）、聚酰亞(PI)和聚醚醚酮（PEEK）等用于填充改性PTFE以克服PTFE的缺陷。其中添加聚苯酯改性TPFE是比較成熟的方法。

聚苯酯，又稱聚對羥基苯甲酯或芳香族聚酯。它是全芳香族的聚酯樹脂，其分子結構如下：

聚苯酯的分子結構看似鏈狀的線型分子，但結晶度很高，使它難以熔融流動。在聚苯酯的分子結構中，氫原子的數目比主鏈中碳原子的數目少，而且所有原子的π電子都能實現共軛結構，整個分子排列在同一個平面上，因此具有及好的穩定性。聚苯酯可在315℃下長期使用，短期使用溫度可高達370～425℃。據稱它是目前所有已知高分子材料中熱穩定性、熱容量、自潤滑性、硬度、電絕緣性、耐磨耗性等綜合性能最好的品種，聚苯酯在很寬的溫度范圍內有很高的剛性，有很高承受負荷的能力，具有良好的自潤滑性。

陳思強[26]研究發現聚苯酯可與任何比例的PTFE共混，共混料使用冷壓燒結成型，其成型制件既可以保持兩種聚合物耐熱、耐磨、自潤滑等一系列優良性能，又可以在性能上互相彌補不足，成為性能更加優異的耐高溫、耐磨耗、自潤滑材料。賀曄紅[27]等在對聚苯酯填充聚四氟乙烯復合材料物理性能深入詳細研究時，發現POB質量分散在16%～27%范圍內摩擦因數為0.20～0.24，磨損率則呈現下降趨勢。含有16%、20%和27%聚苯酯的PTFE/POB復合材料磨損率僅為PTFE磨損率的1%和8%和0.4%，POB質量分散率超過25%后，繼續添加其含量復合材料磨損率降低幅度逐漸變小。孫小波[28]等通過對聚四氟乙烯/聚苯酯耐磨自潤滑保持架材料中聚苯酯添加量和燒結工藝中降溫速率對復合材料力學性能和摩擦、磨損性能的影響做了大量研究，發現延長降溫時間有助于消除保持架復合材料內應力和增加結晶度。聚苯酯可以有效地改善聚四氟乙烯的耐磨性，添加20%的聚苯酯，保持架復合材料的力學性能、摩擦磨損性能和經濟效益比達到最價值。陳思強[29]對聚苯酯性能研究時發現聚苯酯的等離子噴涂成型與其他塑料基本相似，集采可以是鋼、鐵、鋁、鈦等金屬，也可以是塑料、陶瓷等，可以在基材上形成堅實致密的涂層。

研究發現可以通過對聚四氟乙烯進行改性，克服聚四氟乙烯塑料環加熱變形和噴涂聚四氟乙烯涂層磨損率高的缺點，對聚烯烴塑料管材擠出模具進行處理，可以滿足生產使用的要求。

4　結論

（1）通過對聚烯烴塑料管材配方添加氟加工助劑、擠出模具增加聚四氟乙烯塑料環和擠出模具噴涂聚四氟乙烯不黏涂層等提高管材外觀質量技術的分析研究，闡述了各自不足。

（2）通過分析“氟”處理技術在聚烯烴塑料管材擠出技術中應用的缺陷，引進聚苯酯對聚四氟乙烯進行改性從而優化“氟”處理技術，實現了高光潔聚烯烴塑料管材的規?；a。

（3）聚苯酯改性聚四氟乙烯不黏涂層在聚烯烴塑料管材擠出模具上的應用需要更加系統地深入研究。

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Research for high bright polyolefi n plastic pipe production technology

中圖分類號：TQ325.1

文章編號：1009-797X(2016)12-0005-04

文獻標識碼：B

DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2016.12.002

作者簡介：鄭建旭(1975-)，男, 助理工程師, 主要從事化學工程設計和高分子材料加工工藝的研究及管理工作，已發表多篇論文。

收稿日期：2016-01-07