聚氨酯复合保温热水管的相关技术研究

周帆 邓颖成 樊柳慧

【摘 要】文章介绍了广西吉顺能源科技有限公司研究开发的聚氨酯复合保温热水管的相关技术。该保温热水管采用自主研发的工艺技术，集成联塑PPR热水管、联塑PVC管及自主研发的聚氨酯发泡组合物嵌套组成。聚氨酯复合保温热水管热损低、故障率低、寿命长，产品性价比高，并且该产品对人体和环境无害，符合国家绿色环保的要求。

【关键词】聚氨酯；保温管；保温隔热

【中图分类号】TB383.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）08-0022-03

0 引言

在全球能源形势紧张、节能环保意识逐步增强的今天，人们更喜欢能源利用率高的新型产品。广西吉顺能源科技有限公司研发的聚氨酯复合保温热水管，具有高效保温、耐腐蚀、卫生安全等优势。近年来，国家高度重视节能环保工作，已出台一系列推进节能环保的法规政策和措施。中央和地方也投入了大量资金，为聚氨酯保温管产业的飞速发展创造了良好的外部环境和发挥了积极的推动作用。

1 聚氨酯复合保温热水管的结构介绍

聚氨酯复合保温热水管的基本结构由内层工作热水管、中间层聚氨酯保温层、外层保护层组成。按照实际要求，还包括报警线、同心度固定件及其他保温材料复合层等组成部分。

1.1 内层工作热水管

集成采用了联塑PPR热水管，它比镀锌管、不锈钢水管具有更高的拉伸屈服强度和抗冲击性能，而且耐腐蚀不结垢，具有良好的刚性韧性、无毒卫生、安装简单、对人体和环境无害等特点，尤其导热系数仅为钢铁管的1/200，生产耗能也仅為钢铁管的20%，价格仅为钢铁管的50%，在使用温度为100 ℃以下、工作压力为1.5 MPa的条件下，寿命可达50年。PPR管是优良的工程塑料，也是热水输送管的极佳选材。

1.2 中间层聚氨酯保温层

采用了自主研发的新型聚氨酯发泡组合物保温材料（由异氰酸酯、聚醚多元醇、二甲醚、玻璃纤维、膨胀珍珠岩等原料配比而成），属于硬质聚氨酯泡沫塑料，在一定负荷的作用下不会发生明显形变，硬质聚氨酯泡沫分子不亲水，它所特有的闭孔结构使得它具有非常高的水蒸气渗透阻隔能力及优良的不透水性，故与使用聚乙烯、岩棉、玻纤等传统保温材料相比，它具有导热系数低、表现密度小、吸水率低、抗老化性好、使用寿命长等特点，密度为35 kg/m3左右，导热系数达到0.023 7 W/（m·K）。经添加剂处理后，又能提高阻燃性、耐水性、耐腐蚀性，聚氨酯泡沫产品还可长期在150 ℃条件下使用并保证力学性能等无明显下降。

1.3 外层保护层

集成联塑PVC管，它是氯乙烯单体在引发剂作用下，通过自由基聚合反应而得到的线型聚合物是一种非结晶、极性的高分子聚合物，与使用橡胶、铝箔胶带做保护层的材料相比较，它无毒无害，具有抗拉、抗压和耐腐蚀性、耐化学稳定性和水密性、电绝缘性优良等特点，PVC材料氧指数高，属于阻燃材料，具有自熄性，PVC管材的安全系数高，PVC管对无机酸、碱、盐类耐热性腐蚀性能优良，它的膨胀系数小，受温度影响小，导热系数和弹性模量小，与铁铸材料排水管相比，抗冻性能优良，与普通保护层材料相比，其使用寿命延长了15年。

2 聚氨酯复合保温热水管的技术研究

聚氨酯复合保温热水管的工作管与保护管两者之间填充聚氨酯发泡组合物保温材料。发泡成型时，PPR管、发泡物、PVC管三者之间相对轴心线保持均匀的间距，若中间层的保温材料分布不均匀，不仅会严重影响整个保温管的保温性能，还会增加施工难度。广西吉顺能源科技有限公司利用自主研发的工艺技术，在内管和外套管之间安装精密的固定部件，以达到保持同心度的目的，PPR管、发泡物、PVC管三者保持同心度的精准度达到0.01 mm。此工艺不会影响聚氨酯发泡工艺流程，也不会对管的保温性能和正常使用造成任何影响，并且制造过程更高效、更稳定，成本也相对较低。

聚氨酯复合保温热水管使用外套PVC，内层优质PPR热水管，中间发泡组合物保温材料混合搭配，提高了保温管的性能，其耐酸碱等化学性能也使得它的使用领域可以扩展到集中供热、供冷和热油的输送及暖室、冷库、化工等行业的保温保冷工程；跟其他塑料材质的内管相比，PPR做内管的生产能耗更低、质量更轻、保温性能更出色。

2.1 保温材料研究

自主研发的新型聚氨酯发泡组合物保温材料由异氰酸酯和聚醚多元醇组合物混合发泡而得，聚醚组合物和异氰酸酯按质量比为1∶1～1∶1.4。其中，所使用的异氰酸酯主要有甲苯二异氰酸酯（TDI）、二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）、多次甲基多苯基多异氰酸酯（PAPI）等，以及少量做特殊用途的其他脂肪族和芳香族的有机异氰酸酯；聚醚多元醇组合物包括以下重量份数的原料：聚醚多元醇为70～90份，二甲醚为3～6份，无机阻燃剂为3～5份，玻璃纤维为3～6份，膨胀珍珠岩为5～8份。聚醚多元醇是分子量为800～2 000的丙二醇聚醚、分子量为400～4 000的三羟甲基丙烷聚醚和分子量为500～5 000端羟基的聚四氢呋喃；无机阻燃剂是重量份数为（5～10）∶100的三氧化二锑和氢氧化铝的混合物；玻璃纤维为玻璃纤维原丝通过短切原丝和磨碎纤维步骤后得到直径为3～7μm、长度为2～4 mm的超细玻璃纤维；膨胀珍珠岩具有中空孔的结构，其颗粒直径为10～100 nm。

二甲醚（DME）在常温、常压下是一种无色气体或压缩液体，具有惰性、无腐蚀性、无致癌性，还具有优良的混溶性，易溶于水，能同大多數极性和非极性有机溶剂混溶；沸点低、易燃，但与水混合后可获得高沸点及不燃性物质的特性；化学性质稳定，可长期储存而不分解或转化，在大气层中的寿命很短，约10 d，即可被降解为二氧化碳和水，ODP值为0，因此不会造成环境污染和破坏臭氧层。由于现有技术中用水作为发泡剂时，聚氨酯硬泡沫存在泡沫强度低的缺陷，部分企业通过提高原料异氰酸酯的用量或提高泡沫密度来解决上述问题会导致生产成本升高，这阻碍了全水发泡技术的推广。二甲醚可与水互溶的特性使其很容易用于全水发泡技术中，有助于改善全水发泡聚氨酯硬泡沫强度低、稳定性差、绝热性差的缺陷，并可以减少异氰酸酯的用量；此外，由于二甲醚的低黏度与低表面张力特性，用于全水发泡体系中可显著降低体系黏度，并提高体系中各组分的混匀性，使成型的发泡保温材料孔泡分布均匀、保温性能稳定；同时，二甲醚与聚醚多元醇的互溶性有利于提高聚氨酯硬泡沫的发泡效率和尺寸稳定性；再加上二甲醚价格低、来源广的优点，其可以作为发泡助剂用于各种聚氨酯硬泡沫的生产，并可有效地提高聚氨酯硬泡沫的使用性能。

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，其具有绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高的优点。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造而成，通常用做复合材料中的增强材料，其直径越小，强度越高。所采用的玻璃纤维为玻璃纤维原丝通过短切原丝和磨碎纤维步骤后得到直径为3～7μm、长度为2～4 mm的超细玻璃纤维。发泡原料混合后，玻璃纤维会分布在泡孔壁、泡沫材料的骨架中，起到增强孔壁和泡沫刚度的作用，且不会影响泡孔的结构。

膨胀珍珠岩是一种高性能的无机轻质绝热材料，密度小（70～250 kg/m3），使用温度范围为-200～800 ℃，温度在0～100 ℃范围内的导热系数为0.024～0.058 W/（m·K），具有导热率低、无毒、无味、不腐、阻燃、吸音的优点，可用做高效保温、保冷填充材料，其制作原理為珍珠岩矿石经破碎形成一定粒度的矿砂，再经预热、瞬时高温焙烧膨胀后制成的一种内部为蜂窝状结构的白色颗粒状的材料，根据其膨胀工艺技术及用途不同分为开放孔、闭孔、中空孔3种形态。所采用的是粒径（颗粒直径）在100 nm以下的中空孔膨胀珍珠岩，并在试验中测得，膨胀珍珠岩可适当地增加聚氨酯硬泡沫的开孔率，并能延缓发泡凝胶和固化速度，防止泡沫因短时间内积聚力量大而容易挤压内胆和外壁，减少“不良泡沫”的产生，同时降低了泡沫成型后的收缩率。

新型聚氨酯发泡组合物与常规的聚氨酯做保温层相比，其具有更高的保温性能，也降低了发泡成型后的收缩率，避免发泡过程引起的内、外管变形及鼓起甚至是破裂现象，从而降低了因发泡不当带来的破坏风险。新型聚氨酯发泡组合物可替代镀锌管、铝塑管、PPR管、紫铜管、不锈钢管，以及保温性能比聚氨酯差的聚乙烯、岩棉、玻纤、橡胶等传统保温材料；我们还对保温材料组方进行了研究攻关，加入了阻燃剂、催化剂等配方，使保温材料具備阻燃性能。

2.2 工艺研究

采用“两步法”先将同心度固定件固套进内层工作热水管与外层保护层的中间，然后在内层工作热水管与外层保护层之间的空隙浇注聚氨酯发泡组合物保温材料。

第一步，同心度套管。需用到套环机、穿管机、除尘器、上管机、输管机和下管机。先将内层工作热水管、外层保护层管按顺序送至上管机，然后开启上管机并调整管的运行速度，之后用套环机将同心度固定件固套进内层工作热水管与外层保护层管的中间，并将固定件的距离调整好，用穿管机穿管，穿管时还需调整内、外管的运行速度，之后使用除尘器、输管机，保证同心度套管达到准确度要求，最后使用下管机。

第二步，聚氨酯发泡。使用多工位发泡架固定套管后浇注聚氨酯发泡组合物，调整高压发泡机的混合比，设定工作温度、浇注时间和测定设备流量。将高压发泡机发泡枪浇注嘴插入浇注孔后浇注，之后封堵浇注孔，等待熟化后拆卸卡头即可得到成品。

采用的发泡成型灌注工艺能使灌注保温材料充分填满保温管夹层，尤其是小规格的保温管，此工艺可确保填充度高，还能提高原料的利用率。

PPR复合保温管安装接驳时，内管同样使用PPR接头焊接，外管使用PVC接头护套，护套安装完毕后打孔、灌注发泡，以保证接口处严密、保温。

发泡架使用广西吉顺能源科技有限公司自有技术，并对现有技术进行了工艺改进创新和对工装进行了优化升级，采用了多元化固定支架和操作平台，可同时固定多个待发泡产品，可对多个产品进行快速、安全地发泡生产。与传统的单一发泡架相比，效率提高了80%，节约材料20%。

3 结论

广西吉顺能源科技有限公司通过改进和创新工艺、优化升级工装，提高了生产效率与产品质量，降低了生产成本，使研发出的聚氨酯复合保温热水管热损低、故障率低、寿命长、性价比高，并且使用材料对人体和环境均无害，符合国家绿色环保的要求。

参 考 文 献

[1]白伟强.硬质聚氨酯保温管补口及管件保温施工工艺[J].山西建筑，2017，43（14）.

[2]郑中胜，郎魁元，张国玉.浅谈高密度聚乙烯聚氨酯保温管开裂问题的产生与对策[J].中国高新技术企业，2017

（6）.

[3]蒋林林，韩文礼，张红磊，等.聚氨酯保温管“管中管”成型工艺及质量控制[J].天然气与石油，2011，29

（3）：61-63.

[4]许云，沈波，方伟.聚氨酯泡沫保温管的缺陷分析[J].石油工程建设，2010，36（3）：53-54.

[责任编辑：钟声贤]