高光潔聚烯烴塑料管材生產(chǎn)技術(shù)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(chǎn)技術(shù)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(shù)的分析研究，針對實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，從配方、模具和模具處理時(shí)出現(xiàn)的問題等方面分析了“氟”處理技術(shù)，提出了改進(jìn)意見并進(jìn)行了可行性分析，能夠把“氟”處理技術(shù)運(yùn)用到聚烯烴管材模具中，實(shí)現(xiàn)了擠出技術(shù)的突破，聚烯烴塑料管材外觀質(zhì)量有了顯著提高。

關(guān)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(shí)壁管、單壁雙壁波紋管、鋼帶增強(qiáng)波紋管、燃?xì)夤?、礦粉砂石淤泥輸送管、農(nóng)業(yè)灌溉滴灌管及其他復(fù)合改性交聯(lián)管。聚丙烯管材包括冷熱給水管和工礦企業(yè)輸送管。隨著國家建設(shè)的不斷加大和深入，聚烯烴塑料管材產(chǎn)量和質(zhì)量都有了飛速的發(fā)展和提高，應(yīng)用領(lǐng)域涉及到城鄉(xiāng)供排水、農(nóng)業(yè)灌溉、可燃性氣體、礦山企業(yè)、舊網(wǎng)改造維修等各個(gè)方面。聚烯烴塑料管材新技術(shù)不斷得到創(chuàng)新發(fā)展，

1　聚烯烴塑料管材的擠出技術(shù)

閃立新[1]從原料、設(shè)備、生產(chǎn)工藝等方面比較系統(tǒng)地論述了聚乙烯管材的擠出技術(shù)，王建國[2]等從設(shè)備結(jié)構(gòu)方面研究了Φ32 mm以下小規(guī)格管材如何達(dá)到30 m/min以上的“高速”“高效”生產(chǎn)，總結(jié)了單純完善設(shè)備來實(shí)現(xiàn)“高速”“高產(chǎn)”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(jī)的控制系統(tǒng)精度須提高，螺桿和機(jī)筒磨損加劇，減速器與軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)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(guān)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(jié)構(gòu)，可以確保物料均勻塑化[3]，既提高了產(chǎn)量又降低了能耗。沈華[4]等在研究聚乙烯壓力管材生產(chǎn)過程控制時(shí)，對熔體過濾裝置和重力計(jì)量系統(tǒng)做了深入研究，使生產(chǎn)過程中輔機(jī)控制系統(tǒng)精度有了明顯提高和改善。根據(jù)聚乙烯物料在高速擠出時(shí)易出現(xiàn)的問題，酈華興[5]等分別從原料選型、改性、配方設(shè)計(jì)、工藝控制等方面進(jìn)行了分析研究，對HDPE和LLDPE的混合物的流動(dòng)性及系統(tǒng)“內(nèi)外潤滑平衡”做了深入研究，從而實(shí)現(xiàn)了聚乙烯電纜料的高速擠出。鄭建旭[6]等比較系統(tǒng)地論述了聚乙烯管材的高速擠出技術(shù)，重點(diǎn)提出對擠出模具進(jìn)行聚四氟乙烯噴涂處理的研究。原材料生產(chǎn)企業(yè)積極開發(fā)出更適合市場要求的聚乙烯原料，滿足管材物理性能和衛(wèi)生性能的要求。張寧[7]對聚乙烯原料的生產(chǎn)工藝做了系統(tǒng)的研究，生產(chǎn)出可以滿足PE80等級的管材原料。齊姝婧[8]等對國內(nèi)外聚乙烯管材專用的生產(chǎn)技術(shù)做了系統(tǒng)分析和總結(jié)。國內(nèi)研究人員根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備情況在配方、設(shè)備、生產(chǎn)工藝等方面做了大量深入研究。避免了聚乙烯管材擠出時(shí)的物料黏模、離模膨脹、水紋、麻點(diǎn)、橘子皮、鯊魚皮等不良現(xiàn)象。

2　“氟”處理技術(shù)

2.1有機(jī)氟加工助劑的應(yīng)用

研究人員早期選擇在模具上涂抹脫模劑滿足生產(chǎn)需要，常用的脫模劑有硅油、有機(jī)硅類、有機(jī)氟類等，硅油是比較常見的橡塑脫模劑也是最傳統(tǒng)的一種脫模劑。1988年美國道康寧公司推出了一種有機(jī)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(chǎn)品的滑動(dòng)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(xiàn)的熔體破裂問題研究時(shí)建議添加一種含氟聚合物為基礎(chǔ)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(zhuǎn)矩值和擠出壓力。PPA是以含氟聚合物為基礎(chǔ)的一系列聚合物加工助劑產(chǎn)品,它可用來改善LDPE、LLDPE、HDPE、PP等樹脂的加工性能而不會(huì)對基體樹脂的物理機(jī)械性能產(chǎn)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(jié)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(xiàn)象。

朱慧紅[11]通過詳細(xì)的研究發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)量，擴(kuò)大了加工范圍。用于XHDPE配方中，使硅烷交聯(lián)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(yīng)力減少，消除了口模積垢，消除了LLDPE鯊魚皮狀的熔體破裂現(xiàn)象，扭矩減少并提高了擠出量，經(jīng)國家衛(wèi)生部門對添加劑進(jìn)行檢測，符合國家食品包裝衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。尹文艷[12]等利用不同長徑比的毛細(xì)管流變儀，研究了加入不同份數(shù)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(yīng)力的關(guān)系曲線和180℃時(shí)表觀黏度與剪切速率的關(guān)系曲線。結(jié)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(wèi)戍[13]等通過對氟聚合物加工助劑在PPR管材料中的實(shí)驗(yàn)室和在擠壓造粒系統(tǒng)中的工業(yè)應(yīng)用的研究，發(fā)現(xiàn)氟聚合物加工助劑對降低混煉機(jī)功率，齒輪泵電流和電壓都有幫助，能夠達(dá)到提高擠壓造粒系統(tǒng)負(fù)荷的目的。

王金明[14]等通過實(shí)驗(yàn)自制含氟光亮潤滑劑在PVC管材生產(chǎn)線的應(yīng)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(yīng)運(yùn)而生，價(jià)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(huán)的應(yīng)用

聚四氟乙烯塑料俗稱“塑料王”，具有優(yōu)良的耐磨性和耐低溫特性，一般在250～260℃之間可以連續(xù)使用，短時(shí)間可以耐高溫300℃，具有顯著的熱穩(wěn)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(yōu)良的低表面能，高負(fù)載下有優(yōu)良的耐磨損性和不黏性的雙重優(yōu)點(diǎn)，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(chǎn)生的缺陷。吳思嘯[15～16]等在生產(chǎn)研究提高聚乙烯管材光潔度時(shí)，發(fā)現(xiàn)在芯模和口模端面物料經(jīng)過處安裝合適的聚四氟乙烯塑料環(huán)，可以有效地解決現(xiàn)有金屬模具生產(chǎn)聚乙烯管材時(shí)內(nèi)外壁光潔度低，制品收縮率尺寸變化大的問題。我們經(jīng)過試驗(yàn)研究了聚四氟乙烯塑料環(huán)的使用情況，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)更換模具或者二次加熱開機(jī)時(shí)聚四氟乙烯塑料環(huán)會(huì)發(fā)生變形，而且變形是不規(guī)則的。不規(guī)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(zhì)決定了聚四氟乙烯塑料環(huán)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(chǎn)的連續(xù)性存在風(fēng)險(xiǎn)。

2.3聚四氟乙烯不黏涂層的應(yīng)用

鄒德榮[17]通過聚四氟乙烯防黏涂層的制備和應(yīng)用，分析了配方、工藝等因素對涂層性能的影響和要求，當(dāng)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(zhì)量光潔，可長期使用，不僅制品質(zhì)量良好，而且涂層自身質(zhì)量良好。鄒德榮[18]研究了含氟防黏涂料在金屬模具中的應(yīng)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(yīng)用于聚氨酯、環(huán)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(shù)測試裝置研究了涂層的摩擦學(xué)性質(zhì)，表明在4～90 MPa范圍內(nèi)具有良好的摩擦性能，最低摩擦因數(shù)為0.032。正壓力與摩擦因數(shù)服從負(fù)指數(shù)衰減模式(Fit Exponential Decay)，隨著載荷的增加，靜摩擦因數(shù)和滑動(dòng)摩擦因數(shù)先迅速降低然后趨于定值。李晶[20]研究了聚四氟乙烯復(fù)合涂層，非常細(xì)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(yōu)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?jiān)O(shè)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(fā)現(xiàn)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(jié)，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(yīng)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)的問題時(shí)，對原來模具進(jìn)行聚四氟乙烯噴涂處理后，實(shí)現(xiàn)了聚乙烯管材的高速擠出技術(shù)。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(zhì)量有了極大提高，口模積料消失。模具更換或二次開機(jī)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(shù)在管材擠出模具中的應(yīng)用

針對TPFE環(huán)及噴涂TPFE存在的問題，比如PTFE環(huán)不耐高溫易變型和噴涂PTFE磨損率高的的問題，國內(nèi)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(jié)構(gòu)如下：

聚苯酯的分子結(jié)構(gòu)看似鏈狀的線型分子，但結(jié)晶度很高，使它難以熔融流動(dòng)。在聚苯酯的分子結(jié)構(gòu)中，氫原子的數(shù)目比主鏈中碳原子的數(shù)目少，而且所有原子的π電子都能實(shí)現(xiàn)共軛結(jié)構(gòu)，整個(gè)分子排列在同一個(gè)平面上，因此具有及好的穩(wěn)定性。聚苯酯可在315℃下長期使用，短期使用溫度可高達(dá)370～425℃。據(jù)稱它是目前所有已知高分子材料中熱穩(wěn)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(nèi)有很高的剛性，有很高承受負(fù)荷的能力，具有良好的自潤滑性。

陳思強(qiáng)[26]研究發(fā)現(xiàn)聚苯酯可與任何比例的PTFE共混，共混料使用冷壓燒結(jié)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(yōu)良性能，又可以在性能上互相彌補(bǔ)不足，成為性能更加優(yōu)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(fù)合材料物理性能深入詳細(xì)研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)POB質(zhì)量分散在16%～27%范圍內(nèi)摩擦因數(shù)為0.20～0.24，磨損率則呈現(xiàn)下降趨勢。含有16%、20%和27%聚苯酯的PTFE/POB復(fù)合材料磨損率僅為PTFE磨損率的1%和8%和0.4%，POB質(zhì)量分散率超過25%后，繼續(xù)添加其含量復(fù)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(jié)工藝中降溫速率對復(fù)合材料力學(xué)性能和摩擦、磨損性能的影響做了大量研究，發(fā)現(xiàn)延長降溫時(shí)間有助于消除保持架復(fù)合材料內(nèi)應(yīng)力和增加結(jié)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(fù)合材料的力學(xué)性能、摩擦磨損性能和經(jīng)濟(jì)效益比達(dá)到最價(jià)值。陳思強(qiáng)[29]對聚苯酯性能研究時(shí)發(fā)現(xiàn)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(jiān)實(shí)致密的涂層。

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

4　結(jié)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(huán)和擠出模具噴涂聚四氟乙烯不黏涂層等提高管材外觀質(zhì)量技術(shù)的分析研究，闡述了各自不足。

（2）通過分析“氟”處理技術(shù)在聚烯烴塑料管材擠出技術(shù)中應(yīng)用的缺陷，引進(jìn)聚苯酯對聚四氟乙烯進(jìn)行改性從而優(yōu)化“氟”處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高光潔聚烯烴塑料管材的規(guī)?；a(chǎn)。

（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(yīng)用需要更加系統(tǒng)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(xiàn)標(biāo)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(xué)工程設(shè)計(jì)和高分子材料加工工藝的研究及管理工作，已發(fā)表多篇論文。

收稿日期：2016-01-07