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PE-RT管材的技术特性及热熔接工艺分析
武汉金牛经济发展有限公司 涂向群 姜国俊 程彦

摘 要：本文通过PE-RT管材的基本技术性能的描述及热熔接工艺的分析，突出了PE-RT作为一种耐热型承压管材特别是在地面辐射采暖工程应用上具有的独特优势。
关键词：PE-RT；技术特性；热熔接工艺

前言
自从塑料承压管道问世以来，各种类型材料的塑料承压管道不断在工业领域和人们生活中得到广泛应用和发展，聚烯烃类的有：聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯等。近几年来它们作为室内给水管特别是热水输送和采暖管，在我国建筑领域已占据了重要地位。人们对这些不同种类管道的技术特征都有不同程度的认识。它们在实际工程应用中也有不同的优势和异同点。在这里主要谈谈耐热聚乙烯管材的技术特性和加工特性，并对其热熔接工艺予以分析。

1 耐热聚乙烯材料
1.1分子结构特征
耐热聚乙烯属于中密度聚乙烯，英文名称缩写为PE-RT（Polyethylene with Raised Temperature resistance），它是由乙烯单体和1-辛烯单体共聚而成的，很显然辛烯与乙烯单体共聚时具有能形成较长支链的烯类单体，支链上含有六个碳原子（C），其聚合反应如下：

一个和几个共聚单元上带有的6C长支链，使得这种半结晶材料的结晶也有足够的“链段”数目，分子链之间无需引入活性交联分子，晶格间支链化程度非常高。分子链之间以及长支链之间互相无序缠绕，形成了“立体网状结构”，这种特殊结构的形成使材料的力学性能及抵抗外应力作用的蠕变性能大大提高，提高了其热稳定性、长期静液压强度、抗慢速裂纹增长（SCG）和快速裂纹扩张（RCP）性能。
1.2 PE-RT与非耐热聚乙烯
通过分子设计技术，并采用茂金属催化剂的新型合成工艺是合成PE80级以上承压管道材料的先进工业技术特征之一。PE-RT也属于PE80级，其工作温度范围可提高到80℃以上，并能保证50年的使用寿命，当然其必须通过国际权威独立试验室进行认证的，满足德国标准DIN 4721和DIN16883的要求。PE-RT耐热性的提高主要得益于所用的共聚单体是1-辛烯而不是1-丁烯、1-己烯等，这样优化了支链的密度和微观晶体结构，达到了与交联聚乙烯同样的耐温性能。
2 PE-RT成型加工特性
PE-RT属中密度聚乙烯，作为耐热聚乙烯，它在生产加工过程中无需交联，克服了交联聚乙烯生产工艺的复杂性、交联度控制不稳定性，使得整个管材绝对的均质，质量稳定。但PE-RT的加工温度范围不是很宽，其熔体温度一般控制在190℃左右，管材生产时若温度过高，其熔体强度低，会影响其成型的稳定性。管件的注塑成型一样应采取低温低压机理，要求冷却必须均匀。因其热传导系数是聚丙烯、聚丁烯的2倍，成型收缩率及成型后收缩率都比聚丙烯大。
交联聚乙烯交联度的大小决定了交联聚乙烯的长期静液压强度，即其使用寿命。一般交联聚乙烯的交联度必须达到65％以上，这样交联结构的形成是通过交联剂（过氧化物、乙烯基三甲氧硅烷）在一定的温度和压力下发生化学反应，实现聚乙烯支链的相互交联而成，其加工的难度大且可变因素多，交联度不易控制。PE-RT对加工设备的适用性较强，一般聚烯烴单螺杆挤出机均可完成PE-RT的成型加工，根据PE-RT的材料特性进行工艺参数的设定和调整即可。

2.1 PE-RT成型工艺参数设置（参考）
机 筒 温 度 ℃
模 头 温 度 ℃
水 温 ℃
机头压力MPa
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
170
175
180
185
182
182
181
181
181
200
35.1
34.5
30.2
16.2

2.2 挤出温度
挤出温度与原料的材质、熔融指数MFR和所加工管材的管径大小直接相关。从加料端至挤出机端机筒温度控制在160℃～200℃范围内，机头温度在170℃～200℃，熔体温度一般不得超过200℃。

3 热熔焊接按工艺分析（以承插式为例）
3.1 PE－RT材质热熔性能
PE－RT是乙烯－1-辛烯共聚的中密度聚乙烯，它的热性能指标如下：

表1
材质
熔体流动速率MFR（g/10min）
密度
g/cm3
维卡软化点 ℃
熔点
Tm℃
热传导系数Wt/m.k
PE-RT
0.85
0.941
124.5
134.5
0.40

3.2 热熔焊接工艺参数设定
焊接工艺要素有三个：温度、压力、时间。
3.2.1 焊接温度确定：要考虑材质的性质及焊接处的质量；
3.2.2 PE-RT和其它中密度聚乙烯一样是属部分结晶性热塑性塑料，因此它的热焊接温度应在熔融温度Tm或材料粘流态转化温度Tf之上，在此温度下塑料才能熔融流动，塑料大分子才能相互扩散和缠绕。通常聚乙烯、PP-R承插式热熔温度为260℃±10℃，因此PE－RT熔融焊接也应在此范围内进行，但实际实验时差异较大，PE－RT在260℃下进行焊接会出现粘模头现象。
3.2.3 另外焊接温度受制于：a.焊接接头处卷边高度；b.树脂熔体对工具的粘附；c.树脂材料的热氧化破坏，焊接温度太高会产生热氧破坏，析出挥发物（CO、不饱和烴等），焊接强度反而要降低。
3.2.4 加热时间：是焊接过程中重要参数；
3.2.5 它与加热工具一起，决定了焊件内的温度分布及产生工艺缺陷可能性及焊件形状结构。加热时间太短，塑料件表面还未熔融，焊件时困难、压力要大、焊件接触面牢度不够；加热时间太长，由于温度的传导、辐射，整个管材都软化了，在承插焊接时就不能进行。
3.2.6 加热时间长短还取决于材质的热传导系数；PE-RT热传导系数为0.4，而PP-R塑料热传导系数为0.23，因此PE-RT升温时间、冷却时间要比PP-R短些。

3.3 转化时间：是指管材、管件表面被熔化后，迅速离开模具，然后将插口端迅速插入承口端的时间，这一过程应尽可能短。

3.4 冷却时间：当管材插入管件承接处后，让其自然冷却到环境温度的时间。它取决于环境温度高低。
下面推荐PE－RT承插式热熔连接时间，见表2（热熔温度为210±10℃）

表2
管外径
mm
加热时间
s
最长加工时间
s
最短冷却时间min
16
6
4
2
20
8
4
2
25
10
5
2
32
11
6
4

3.3 PE－RT承插式热熔连接步骤
3.3.1 承插式热熔设备;
3.3.1.1 带控温可调装置的加热器（手动焊接）
3.3.1.2 承插口加温的模头（各种规格一套）
3.3.1.3 大口径连接时采用机械装置，它可保证接头直线度，连接前可使承插口复原。
3.3.2 承插式热熔连接步骤（见承插式热熔连接示意图1）
3.3.2.1 准备工作：
a 检查带控温装置的加热器或机械焊接装置是否满足工作要求；
b 安装与管材、管件规格一致的模头于加热板上；
c 设定加热板温度至焊接温度（PE－RT为210±10℃）
d 用酒精或软纸擦拭加热板表面。（注意不要划伤PTFE防粘层）
3.3.3 焊接：焊接按焊接工艺参数操作，必要时根据天气、环境温度变化作适当调整。
a 用干净布清除管材及管件接触面的污渍；
b 将加热工具加热到熔接温度；（通常熔接温度为210±10℃）
c 插口管末端应切割平整，与中心轴垂直，用笔在承口和插口上做适当标记，以利连接定位，必要时须对承口和插口进行整圆处理或对插口管连接端刮削。
d 用加热工具将管材、管件的插口、承口的表面熔化；
e 将模具及加热器迅速移开，这一过程应尽可能短；
f 将插口端迅速插入承口端，在达到连接强度之前，应将接头固定；
g 让其接头自然冷却至环境温度。
3.4 注意事项：
3.4.1 注意工作环境：工作场地有大风，会对熔接质量有影响，因它会冷却加热板，导致不均匀温度分布。
3.4.2 将插口端插入承口端时，外力使用要均匀，不然管子会不直，影响接头使用寿命及强度。
3.4.3 注意管材与管件的熔体流动速率差异不能太大，不然不能得到最佳连接强度。MFR间差值尽可能小。（0.5－1.0g/10min）

图1 承插式连接示意图

3.5 承插热熔接头质量检验方式
3.5.1 用目测检查：
a 承口件和插口件是否对正；
b 承口件和插口件之间挤出熔融材料在整个外圆周上是否均一致；
c 剥开接触面，观察焊接区有无杂质、缩孔、裂纹或其它外伤；
d 观察有否由于熔接温度过高、焊接压力过大造成的管壁塌陷，卷边过大或形状不正确现象。
3.5.2 用实验方法来验证管接头处焊接牢度：
a 把焊接好的管材作静液压试验；有否出现破裂、渗漏现象；
b 工地上，在施工完毕后进行通水打压试验，一般冷水管试验压力为管道系统工作压力1.5倍，热水管试验压力为管道系统工作压力2倍，看整个管焊接处有否破裂、渗漏现象发生。

4 PE-RT采暖管的工程应用优势
4.1 良好的热稳定性和长期静液压强度，在地面辐射采暖和热水系统中可保证50年的使用寿命。金牛PE-RT管材管件工程典型应用实例：
①山东地区 德州华语学校 20万m2
②山东地区 威海西峡口高档别墅小区 10万m2
③内蒙古 阿拉善左旗体育场 5万m2

4.2 PE-RT管材具有很好的柔韧性，其弹性模量低、弯曲半径小（R=5D），易盘卷和弯曲，不易回弹，弯曲部分的应力可以很快松弛，避免使用过程中，由于应力集中而引起管材强度的减小。

4.3 抗冲击性能好，安全性高，低温脆裂温度达到-70℃，施工时不受环境温度变化限制，极具耐低温性能，且施工操作简单方便，可修复性强。

4.4 连接方便，可采用机械连接和同质热熔连接、电熔连接承插热熔焊接、热熔对接等，安全可靠，可修复性强，优于PEX管。■