聚乙烯管材的高速挤出技术

郑建旭，徐万秀

（1.河南聚塑管道有限公司，河南 漯河 462000；2.甘肃省嘉峪关市产品质量计量和特种设备检验检测中心，甘肃 嘉峪关 735100）

聚乙烯管材的高速挤出技术

郑建旭1，徐万秀2

（1.河南聚塑管道有限公司，河南 漯河 462000；2.甘肃省嘉峪关市产品质量计量和特种设备检验检测中心，甘肃 嘉峪关 735100）

通过对聚乙烯管材高速挤出过程中易出现的问题进行分析，重点对配方、模具结构、模具聚四氟乙烯喷涂、定径套结构等方面做了分析和研究，并对辅助模块进行了阐述，确保聚乙烯管材高速挤出技术的实现。

聚乙烯管材；定径冷却；挤出模具；聚四氟乙烯；喷涂

随着聚乙烯管材应用市场的不断扩大，管材质量和产量都有了更高的要求，增加生产线或者提高单线效率这两种方法中，提高单线效率是简单可行和低成本的，也是每个企业首先想到的。根据市场需求，结合聚乙烯管材生产经验，掌握了聚乙烯管材的高速挤出技术，才能实现聚乙烯管材的高效高速生产，但在实际生产中却常常出现如下问题：

（1）提高速度易导致聚乙烯出现鲨鱼皮症，甚至熔体破裂，严重影响制品的外观质量。

（2）挤出机扭矩大、主机电流高、负荷重、能耗严重［1］。

（3）冷却定径控制不稳定，出现外观裂纹和不圆度增大。

（4）口模和芯模易出现粘料，影响外观质量。

（5）生产线控制系统易出现波动。

针对以上问题我们从原料配比、生产工艺、模具结构、口模芯模处理、冷却系统和生产线控制系统等方面做了相应研究，实现了聚乙烯管材的高速挤出。

1 原料及配比

根据聚乙烯管材的性能要求，选择合适的原料或混配料结合如何实现聚乙烯管材的高速挤出的要求进行合理的配比。1988年美国道康宁公司推出了一种有机硅系列添加剂，对聚乙烯类的热塑性塑料只加入很少量就可以提高产品的滑动性、耐磨性、脱模性以及树脂本身的加工性能等［2］。

程红元［3］在对聚乙烯管材加工过程中出现的熔体破裂问题进行研究时，建议添加一种含氟聚合物为基础的加工助剂，消除熔体破裂对管材外观的影响。郦华兴［4］等在对聚乙烯电缆料高速挤出研究时，对HDPE和LLDPE的混合的流动性及系统“内外润滑平衡：做了深入研究，不但提高了高速挤出加工性能，而且在基料选择上也有了更大空间。可见加工助剂在聚乙烯材料高速挤出中起到很重要作用。我们选用PE100级聚乙烯和LLDPE及加工助剂等，按照比例（聚乙烯：LLDPE：有机硅助剂：PE蜡：回收料=100：8：0.1：0.05：10）进行配比。

2 生产工艺

2.1 工艺流程

工艺流程框图，如图1所示。

图1 工艺流程框图

2.2 温度控制

主机：一区：170～175 ℃；二区：108～185 ℃；三区：180～185℃；四区：180～185 ℃；五区：190～200 ℃模具：一区：190～200 ℃；二区：195～200 ℃；三区：200 ℃；四区：195～200 ℃；五区：195～205 ℃；六区：200～205 ℃。

3 生产设备

3.1 挤出机

对于高速挤出而言，物料的塑化效果很关键，使用屏蔽式单螺杆挤出效果较好，由于屏障式螺杆特有的双螺旋线结构，可以确保物料均匀塑化［5］。既发挥了挤出机的产能，同时更有利于降低能耗。

3.2 熔体过滤装置

国家标准允许在聚乙烯压力管道生产时添加10%的自产回收料。虽然回收料的添加可以促进物料的塑化，但是回收料中的杂质会对管材的质量造成一定的影响，会在15～20年后导致管道爆裂或破裂［6］，聚乙烯管材高速挤出时必须安装熔体过滤装置，如换网器。能够及时过滤熔体中的杂质，保证产品质量。

3.3 重力计量系统和在线测厚仪

重力计量系统主要通过电子称控制落料量来控制每米的重量。控制信号主要来源于螺杆转速和牵引转速，也可以在二者之间进行切割［7］。通过对重力计量系统控制装置电脑数据设置，来实现对聚乙烯高速挤出时壁厚的控制。

可以通过超声波测厚仪对聚乙烯管材进行在线测量，根据测量结果和标准要求比后对模具进行调整，实现了不停机或者不在管材上打孔就可以对管材的壁厚监管。

3.4 模具

3.4.1 模具结构

在聚乙烯管材高速挤出方面，王建国［8］等做了大量的研究，在小规格管材模具的选择上首先排除了分流支架式模具的使用，介绍了分流支架模具的使用缺陷。采用螺旋流道式结构模具，可以很好解决分流式模具支架在聚乙烯管材高速挤出时产生的分量线。

该结构模具特点在于进入模具的熔体料流，首先通过分流体系分流到机头周围；然后熔体进入螺旋状环绕在芯模外面的流道。螺旋流道的深度随着靠近模头流出端而逐渐减小。同时芯模与模头体型腔之间的间隙则逐渐增大。在这一个区域段料流内部出现了轴向和径向流动的重叠。沿着模头流出方向径向流动比例降低，轴向流动比例则持续提高，最终全部熔体沿轴向流动。

采用这种结构的模具部存在分流线，而且物料塑化良好，可以有效地实现聚乙烯管材的高速挤出。实际生产中dn160 mm以下规格模具采用此结构模具。而dn160 mm以上规格的模具普遍选用篮式结构模具。在篮式模具中，芯模通过带有行星孔的导流板固定在机头体内，紧接着物料流过多孔区段（筛蓝），与其它模头不同的是，通过筛篮的流体并非由轴向通过较小的截面，而是沿径向从里向外通过一个非常大的截面，熔体流动出现两次换向。

首先换成径向，然后变成轴向，单股料流之间能良好地混合，熔体更加均匀。由于筛篮的断面面积比较大，篮式模具的模头压力明显低于其它结构模具，筛篮就像是一个静态混合器一样，实现很好的混溶，即使在高挤出量时，也实现良好的均化。在各种不同物料黏度、挤出量和反压下，都能获得令人满意的高质量管材。

3.4.2 口模和芯模的处理

聚乙烯高速挤出过程中，物料会与模具表面粘结，使制品表面不平整、无光洁、麻点、凹坑和轴向划痕等质量问题。熔体与金属间较高的温差将导致鲨鱼皮现象。口模与芯棒会因为高温形成积料，积料老化会对管材形成轴向划痕，所以模具防黏处理是聚乙烯高速挤出过程中比较重要的技术。

最传统的方法是在物料经过的模具表面涂刷防黏涂层，如硅油。但是这种方法不持久而且涂刷时需要停机，不能有效地解决粘模问题。我们通过研究发现喷涂聚四氟乙烯可以解决物料黏模问题。

聚四氟乙烯具有化学惰性、热稳定性和摩擦因数地等优异的性能，是最常用的自润滑材料［9］。涂膜有较低的摩擦系数，单数值仅在0.05～0.15之间；短时间可以耐300 ℃，一般在240～260 ℃之间可以连续使用，具有显著地热稳定性。它可以再冷冻温度下工作而不脆化，在高温下不熔化。很薄的涂层也显示出很好的不粘附性能。

聚四氟乙烯涂层的应用在国内已普遍，主要应用在化工防腐、机械耐磨、模具防黏、食品脱模和橡塑成型模具等行业。但是在塑料挤出模具上使用聚四氟乙烯喷涂处理的研究还不多见，邹德荣［10］通过研究发现采用含有氟防黏涂料作为金属模具的防黏涂层，可以应用于聚氨酯、环氧树脂、丁晴橡胶、三元乙丙橡胶、PVC等高分子材料。

采用含氟防黏涂料处理模具可以保证制品顺利脱模以及保持制品具有光滑平整的表面。国内涂层加工企业对塑料挤出模具的防黏处理不是太多，只有个别企业有这样的客户，如天津市金亿公司给天津某管材企业加工过一批模具，到目前为止没有反映涂层出现问题。

经过防黏处理以后的模具加工出来的管材表面光洁平滑，能有效地提高产品外观质量。有些专利性的资料建议使用塑料环对模具进行改进。但材料成本高，受热易变形，强度低易受损，虽然对外观质量可以改善，但变形后对管材的质量影响太大，无法满足聚乙烯管材高速挤出的要求。

喷涂管材模具的应用，不但拓展了喷涂行业业务，而且从根本上解决了聚乙烯管材高速挤出时出现的粘模问题。可以生产小规格的管材，同样可以用于生产较大规格管材，并且可以用于其它类型聚乙烯产品模具，如聚乙烯波纹管。

3.5 定径套和真空控制

对于聚乙烯实壁管材，定径套的尺寸和冷却方式对管材的尺寸和冷却效果有决定性作用。王建国［11］等对口模与定径套之间的直径比以及定径套冷却方式做了深入的研究，其中湿法定径也是国内企业通用的冷却定径方式。

冷却水可以通过间隙在定径套入口处形成一个环形水幕，对管料外壁进行直接冷却。该结构可以达到冷却效果最大化，根据生产速度和外观质量调整冷却水幕的大小，可以实现聚乙烯管材的高速挤出。真空箱内真空度的稳定性是聚乙烯管材定径冷却的决定性因素，稳定的真空度才能控制好管材的外径和壁厚，才能实现“高产而又高效”。所以真空度的调整装置必须尽可能精密。

3.6 牵引机

目前生产聚乙烯管材多采用履带式牵引机，可以根据生产线的规格选择履带数量，多履带牵引机稳定性高，不会出现将薄壁管压扁或打滑现象，可以满足聚乙烯管材的高速挤出要求。

3.7 切割锯

聚乙烯管材生产线基本配置无屑切割机，无屑切割机高效、无尘、安全、耐用和无噪音的特性，是其它类型切割锯无法替代的。能够满足聚乙烯管材的高速挤出要求。

3.8 生产线控制系统

采用德国专为塑胶挤出生产线设计制造的微电脑控制系统，系统的操作直观方便，增加了高级智能模块。采用温控模块进行温度控制。

挤出机和牵引机采用特殊的控制方式，确保同步。配有在线重量称量和超声波测厚仪，使生产线的控制更加完善，能够满足聚乙烯管材高速挤出时对控制系统的基本要求。

4 结论

（1）根据聚乙烯管材的高速挤出技术要求来制定配方和生产工艺，加入有机硅加工助剂可以起到降低能耗，改善质量的作用，有利于聚乙烯管材的高速挤出。

（2）引进聚四氟乙烯喷涂技术对模具进行防粘处理，可以有效地解决塑料和模具的粘附问题，从根本上改善了聚乙烯管材的外观。涂层的长期使用性有待观察确定。

（3）重力计量系统、熔体过滤装置、生产线控制系统软件和超声波测厚仪等辅助控制“模块”在聚乙烯管材高速挤出生产过程中是很重要的，稳定的控制系统是高速挤出的基础。

［1］ 郦华兴，任少平，郑建旭，胡圣飞. 聚乙烯电缆料的高速挤出技术［J］.现代塑料加工应用，2003，（3）：23.

［2］ 孙酣经. 化工新材料及其应用［M］. 北京.化学工业出版社，1991.

［3］ 王建国，翟玲. 聚乙烯管材高速挤出成型技术的探讨［J］. 上海塑料，2008，（2）：35.

［4］ 郦华兴，任少平，郑建旭，胡圣飞. 聚乙烯电缆料的高速挤出技术［J］. 现代塑料加工应用，2003，（3）：24.

［5］ 中国塑料橡胶. 2002，（10/11）：46.

［6］ 沈华，刘金义，孙剑波. 聚乙烯压力管材的生产过程控制［J］.塑料工业，2003，（2）：32.

［7］ 沈华，刘金义，孙剑波. 聚乙烯压力管材的生产过程控制［J］.塑料工业，2003，（2）：31.

［8］ 王建国，翟玲. 聚乙烯管材高速挤出成型技术的探讨［J］. 上海塑料，2008，（2）：35.

［9］ 候根良. 聚四氟乙烯涂层在高载荷条件下的摩擦学性能研究［J］. 润滑与密封，2007，（6）：84.

［10］ 邹德荣. 含氟防粘涂料在金属模具中的应用［J］. 现代塑料加工应用，2003，（3）：21.

［11］ 王建国.翟玲.聚乙烯管材高速挤出成型技术的探讨［J］.上海塑料，2008，（2）：36.

High speed extrusion technology for PE pipe

High speed extrusion technology for PE pipe

Zheng Jianxu
（Henan Runfeng Plastics Technology Co.， Ltd.， Luohe 462000， Henan， China）

This paper analyzes prone problems of PE pipe high-speed extrusion process，studies aspects of formulation， mold structure， mold Teflon coating and sizing sleeve structure，and describes the auxiliary module， to ensure the achievement of PE pipe high-speed extrusion technology.

PE pipe； sizing and cooling； extrusion die； Tefl on； coating

TQ325.12

1009-797X（2015）20-0099-04

B DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.20.028

郑建旭（1975-），男， 助理工程师， 主要从事化学工程和高分子材料加工工艺的研究和管理工作。

2015-06-24