塑料管材制造和應用的動向及其討論

天津軍星管業集團有限公司     于東明   秦嵐

    塑料管材的發展，早期是與戰爭息息相關的。一次大戰德國戰敗后，面臨著國民經濟的恢復，又遇到了國際禁運，鋼管奇缺，不得已的情況下，科學家們發明了PVC管，1938年至今，應用已逾70余年。二次大戰日本戰敗后，步德國的后塵，1952年，由久保田（株）和積水化學（株）相繼投產了PVC管，應用至今，50余年來，仍是日本第一大塑料管材品種。我國經八年抗戰、三年解放戰爭和抗美援朝戰爭，滿目瘡痍，百廢待興，1957年由天津的現代化工廠研制成功PVC管，1958年由原北京塑料廠率先投產，并參加了當年在萊比錫舉辦的國際博覽會。

    由戰爭催生的塑料管材，隨著石油化工技術的飛速進步，塑料管材的制造和應用，發生了地覆天翻的變化。它已不再是鋼材等傳統材料的代用品，一躍成為許多領域中的不可替代的新型材料。塑料管材的發展來勢迅猛，當全世界塑料管材總產量達到100萬噸的時候，歐洲鋼鐵界曾驚呼，鋼鐵管材丟失了500萬噸的市場。而今中美兩大塑料管材制造國的塑料管材總產量已超過1000萬噸，相當于5000萬噸以上鋼管的總長度，無異于是“狼來了”。但是，說歸說，喊歸喊，這是事實，也是市場規律，說和喊都是徒勞，塑 料管材的發展勢不可擋。

    70余年過去了，塑料管材的發展方興未艾，奪目的光環照亮了管材人腳下的路，新材料、新技術、新工藝也包括新的認知層出不窮。

1 PPS管

    PPS管，中文名稱為“聚苯硫醚管”，它的強度很高，耐熱十分優秀，抗蠕變能力極 強，它可以長期在200℃下工作，美國在重點發展這一管材品種。在熱水，低壓蒸汽的輸送 中，由于PPS的導熱系數小，系統的保溫可大大簡化，輸送熱損小，應用前景廣闊，日本已大量制造PPS管件，并用于超薄地暖系統中，估計其成本不會很高，在我國制造PPS管件的條件已基本成熟。

2 PEX管

    PEX管,中文名稱為“交聯聚乙烯管”，它的耐熱性、抗蠕變能力優越，耐磨性能與超高 分子量聚乙烯（UHMWPE）相近，甚至略高。這將對擴大PEX管應用領域非常有利，如火力發電廠粉煤灰的輸送，礦井抽排水管道，都需要管材的耐磨性能要好，這本來都是超高分子量聚乙烯（UHMWPE）管的傳統領地；又如城市非開挖敷設管道技術的推廣，要求管材表面耐摩擦性能要好，此時PEX的優勢超過了已知的其它塑 料材料。

    交聯是聚乙烯改性的一種非常成功的重要手段， PEX的品種較多，過氧化物交聯聚乙 烯、硅烷/水解交聯聚乙烯、電子射線交聯聚乙烯、偶氮交聯聚乙烯、是大家所熟知的，而此外還有紅外交聯聚乙烯、紫外交聯聚乙烯、微波交聯聚乙烯、離子交聯聚乙烯、產水交聯聚乙烯等五花八門的品種，其中紅外交聯聚乙烯(PE-Xa)在歐洲已商品化，dn20管材的擠出速度可達30m/min，是我國目前PE-Xa管擠出速度的10倍（單機雙線），在線測定交聯度，并反饋和自動調整配方；產水交聯聚乙烯（PE-Xb）作為我國863計劃項目，已取得可喜的進展，它不需溫水或低壓蒸汽，在自然環境中，它可自動交聯，工序少、工藝流程短、節能效果明顯。一般認為，目前的PE-Xa管、PE-Xb管、PE-Xc管是不可焊接的，而離子交聯聚乙烯管可焊性較好，這十分難得。

    歐洲是PE-Xa管材的發源地，歐洲市場上的PE-Xa管價格高于PE-Xc管和PE-Xb管，不僅僅是因為歐洲的人工成本高的緣故，其中一個重要指標便是管材內過氧化物殘留量極低，不僅僅保證了水質少受污染，還使管材的使用壽命有保證。歐洲的PE-Xa管材配方中添加了助交聯劑，交聯劑的配比只相當于中國和韓國的二分之一，并且在管材制造過程中，過氧化物分解完全。而我國和韓國的PE-Xa管配方中，不含助交聯劑，過氧化物添加量較大，分解如不完全，過氧化物殘留量就會很大，管材的使用壽命就缺乏保證。如PE-Xa管的加工溫度較低，過氧化物可能難完全分解，可能存在安全隱患。

    PE-Xb管生產過程中，容易產生“凝膠塊”，長期以來，人們稱其為“交聯塊”，一些 學術文章中稱其為“預交聯（產物）”，或者“過早交聯（產物）”；不言而喻，不論那一種 說法，給人的印象就是“不該交聯而交聯了的聚乙烯”，軍星公司與天津石化研究院合作，在南開大學和天津科技大學的配合下，對這一產物進行了解析，我們的結論是“這種凝膠塊是硅烷水解成硅醇后的縮合產物，其中不含聚乙烯成分”。這就為解決PE-Xb管材生產過程中的實際問題提供了科學依據。

3 PP管

    PP管，中文名稱為“聚丙烯管”，在PP的大家族里，在建筑領域中，應用較多的是PP-R 管，它的綜合性能較好，但是抗蠕變能力、低溫韌性較差，人們從改變其結晶形態入手，在 PP-R中加入成核劑，使其α晶型變成β晶型，低溫韌性大大提高，抗蠕變能力可以說僅次于PEX，縮寫為“PP-RCT”，已被納入DIN8077和DIN8078中，并被標注為IV型聚丙烯（IVPP）；預料PP管材在建筑領域中，特別是生活冷熱水系統中，其地位會有所提升。作為資料，把PEX、PP-R、PE-RCT三種塑料管材的等應變蠕變曲線圖列下供業內同行參考。從圖上可以看出，PEX管的等應變蠕變曲線上沒有拐點，且曲線斜率很小，這就是它抗蠕變能力強的最有力的證明；PE-RCT管的等應變蠕變曲線與PEX管的等應變蠕變曲線極為相近，力學性能甚至略高，而PP-R管的等應變蠕變曲線則相差甚遠，不僅斜率很大，并且在70℃的曲線上就開始出現了拐點。

4 PB-1管

    PB-1管，中文名稱為“聚丁烯-1管”，它的耐熱性，力學性能較好，但抗劃痕能力極差，產量上不去，成本自然就高，其應用每況愈下。軍星對PB-1管做了大量深層次的研究，希望能拉它一把，并已取得了一些進展。眾所周知，聚丁烯-1制品下機后需在室溫下靜置5-7天，待其結晶完成后，方可作為制品使用。在這5-7天中，不僅其晶粒尺寸長大了，而且晶型也由II型變成了I型，制品幾何尺寸和制品性能也在這5-7天變定，如圖5-圖11分別是從第一天到第七天獲得的偏光顯微鏡照片。從圖上可以看出，7個試樣晶粒之間堆砌緊密，相互擁擠，有明顯的“黑十字消光”現象，說明PB-1結晶形成的晶型是球晶。剛開始形成大量的晶粒，晶粒之間緊密碓切，相互擁擠，單位面積晶粒數目多，晶型相對不完善，隨著時間的延長晶型逐漸完善，晶粒明顯變大，到第六天時，球晶尺寸已達到約150um。

5 導熱塑料管

    塑料管的導熱系數小，在有的應用場合是一個優點，如熱媒的輸送，可以減少熱能的損失，上述的PPS管做熱水或蒸汽的輸送管道，管材的導熱系數越小越好。但有的應用場合管材的導熱系數小就變成了缺點，如地源熱泵所用的地埋管，它的主要功能是熱交換，此時就需要管材的導熱系數越大越好；導熱系數高的塑料如聚乙炔價格是目前市場難以接受，比較成熟的技術是對普通塑料進行填充改性，在導熱系數小的合成樹脂中，添加導熱系數高的材料，其導熱系數提高到與井壁土壤導熱系數相近即可；雖然難度很大，但對提高地源熱泵的工作效率將是十分顯著的，符合節能減排的國策。

6 地暖管的改進

    經過6-7年的努力，地暖管材市場的規范度得到相對提高，回想一下2000年前后，我國的地暖管材市場何其混亂，一些假冒偽劣的塑料管退出了舞臺。目前地暖管材市場上的管材品種以PE-Xa管為主，PE-RT管次之，少量PE-Xb管、PE-Xc管，這一態勢基本與國際看齊。地暖管改進的余地不是很大，但仍然可以改進，如地暖管的透光性、地暖管的阻氧性，在各相關標準中都是有所規定的，甚至地暖管的導熱性，雖然標準并未對此有何提法，但都有改進的動向。但需要解釋的是，此處所說地暖管的阻氧性，并非市售外包覆阻氧層的阻氧管，而是塑料材料經改性后，其自身所具有的阻氧性在DIN4726規定范圍內的阻氧管。