聚丁烯PB管道的生产和应用doc.docx
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聚丁烯PB管道的生产和应用doc
聚丁烯（PB）管道的生产和应用
北京塑料工业协会吴念 潍坊派康管业代占文
论文提要：
本文从介绍聚丁烯（PB）原料性能入手，介绍了聚丁烯（PB）管材的特点和生产，应用技术，以及国内聚丁烯（PB）管材生产和聚丁烯（PB）管材生产设备发展的现状，特别介绍了聚丁烯（PB）管材生产设备可以不配备熔体泵。
关键词：
聚丁烯（PB）树脂 管材 生产设备 熔体泵
一、聚丁烯（PB）管道概况：
近年来，我国建筑内用冷热水塑料管道的用量猛增，到2007年总量已经达到40万吨。
其中聚丙烯管道，包括PP-R、PP-B约22万吨；聚乙烯管道，包括PEX、PE-RT、HDPE、铝塑复合管及各种钢（铜）塑复合管约12万吨；聚氯乙烯管道，包括PVC-U、PVC-C、PVC-M约5万吨；其他管道比如聚丁烯（PB）、ABS约1万吨。
建设部一项调查表明，我国除去两广等少数地区外，绝大多数属于冬冷夏热四季分明气候，有90%的人口冬季需要采暖，夏季需要空调，而近年发展起来具有节能、舒适等特点的地面辐射供暖正在快速普及，极大的推动了新型塑料管材的发展。
展望未来，由于既定的节能国策，我国建筑内用冷热水管道将会保持持续高速发展的强劲势头。
其中，近几年发展异常的聚丁烯（PB）管道尤其引人瞩目。
其原料高昂的价位，被严格控制的原料供货渠道，“塑料黄金”的热炒，更增加了它的神秘色彩。
本文即是介绍这种产品的生产和使用技术，以拨开笼罩在聚丁烯管道上神秘的面纱。
聚丁烯（PB）树脂是以丁烯为原料的聚合物。
是一种线型分子结构的等规半结晶性聚烯烃热塑性塑料，结晶度一般为50-55%。
ISO8986-1：
1993规定了聚丁烯（PB）树脂可以是丁烯均聚物，也可以是丁烯含量在50%以上的共聚物。
聚丁烯的商业产品是基于等规立构（98～99.5%）、高分子量（平均分子量为23万～75万）的聚合物。
聚丁烯已知的有五种结晶型态变异：
型态I；型态II；型态III；型态I’；型态II’。
玻璃化转变温度范围从均聚物的约-20℃到高乙烯含量共聚物的-34℃。
熔体的结晶反应首先产生四方晶型的亚稳态型态II；在环境温度和常压下，均聚物经过5～7天，从型态II不可逆地转变到孪生六方晶型的稳定状态I，对共聚物来说这一过程则需要1～3天。
因此PB管材生产下线后，需要放置5-7天才能够出厂交付给用户；而在生产盘管时，应该平铺放置5-7天后再进行复卷成盘；否则盘管到了用户那里很难开卷拉直，将影响用户施工铺设。
对各种均聚物来说，型态I的熔点范围为107～130℃，对低乙烯含量的共聚物来说熔点范围为114～118℃，对高乙烯含量的共聚物来说熔点范围为90～95℃。
转换到型态I后，均聚物的结晶度为48～55%，而共聚物根据乙烯含量不同结晶度为35～45%。
PB树脂一般耐酸、碱、溶剂、石蜡油和环烷油、洗涤剂和各种化学药品，但在高温下耐受性将降低。
该树脂也具有良好的阻水性能和电绝缘性能。
该材料显示挠曲性能的范围很宽，均聚物的拉伸模量为286MPa，高乙烯含量共聚物为52MPa。
PB的耐蠕变、耐环境开应力及耐磨损都非常不错。
所有品级均以粒料供应。
熔融指数（MI）为0.4g/10min（ASTMD-1238，条件E）的PB树脂可用于加工冷热水管。
PB树脂还有许多其他品级，分别可以用于生产薄膜，或者用作对其他聚烯烃树脂的冲击性能改性剂和加工性能改性剂。
二、聚丁烯（PB）管道的特点
本文主要讨论使用MI=0.4的聚丁烯（PB）管道专用树脂，使用标准的单螺杆挤出聚烯烃管材生产线生产所需规格的聚丁烯（PB）冷热水管材，管件则可由标准注塑机生产。
聚丁烯（PB）管耐热蠕变性能和耐高温性能优异，可以在82.2℃长期使用，短时间使用温度可以高达95℃。
PB管道质轻、柔韧、抗冲击性好，因此被应用于建筑内冷热水系统中。
近年来国内生产的PB管道主要以荷兰巴塞尔（BASELL）公司生产出品的聚丁烯（PB）为原料（灰色4237，白色4235），巴塞尔（BASELL）公司采取了与其他欧洲厂商在中国开拓PP-R,HDPE管道专用料的敞开供应完全不同的原料供应方式，凡是希望生产聚丁烯（PB）管道的中国企业要向巴塞尔（BASELL）公司提出申请，经巴塞尔（BASELL）公司考察认为生产条件合格后才能够列入被供应原料的名单；此举使得在相当一段时间内国内生产聚丁烯（PB）管道的企业一直保持在七家，管道业界称之七家联盟即：
乔治-费歇尔、伟星、爱康、安固，宇信，华源亚太，北方精达（后来又增加一个“川路”）等。
巴塞尔（BASELL）公司严格控制原料供应使得市场上的聚丁烯（PB）管道产品只能来自这七家企业，有效的控制住让国内塑料管材界一直头疼不已的作假问题，也就保住了聚丁烯（PB）管道的信誉，维持住原料和产品的高昂价位和高额利润。
并且由于国家标准GB/T19473.1-2004的及时制定，使得聚丁烯（PB）管道生产和应用有标准可依，从而使得我国PB管道的发展一直比较健康。
但是市场规律不是任何人能够控制的，最近几年来，日本“三井”扩大聚丁烯（PB）树脂产能后，开始在中国市场推广聚丁烯（PB）管道专用料，潍坊派康、廊坊东洋等采用三井原料生产PB管材的公司也迅速崛起，因此巴塞尔（BASELL）公司对中国聚丁烯（PB）树脂的垄断已经被打破，今后国内聚丁烯（PB）管道生产和销售市场必定面临从新洗牌。
PB管道具有以下特点：
1、重量轻，柔软性好，施工方便：
PB管道重量为镀锌钢管的1/5左右，易于搬运，柔韧，最小弯曲半径为6D（D：
管外径），采用热熔连接，也可以采用机械式连接，施工方便；
2、耐久性能好，无毒无害：
由于其分子量很高，分子结构稳定，在没有紫外线照射的情况下，使用寿命不低于50年，且无毒无害；
3、抗冻耐热性好：
在-20℃的情况下，还能够保持有较好的低温抗冲击性能，解冻后，管材能恢复原样；在82℃的情况下，各方面的性能仍保持得较好；
4、管壁光滑，不结垢：
同镀锌管比较，可增加水流量30%；
5、连接方式先进：
连接方式为一体化热熔连接，因此在埋设时，可避免因温度变化和水锤现象引起管的移动及连接处的渗漏；PB管件是注塑生产的，国内开始时只能够生产全塑管件，近几年，由于技术不断进步，国内已经能够生产带金属嵌件的管件，实现了PB管件的系列化，大大推进了PB管道系统的应用。
6、易于维修：
PB管埋设时，不与混凝土粘接。
出现损坏时，可通过更换管道进行快速维修。
不过塑料管道埋设最好还是采用套管（即管中管）方式，首先在PB管外套上PVC单壁波纹管，然后再进行埋设，这样日后的维修才能够有保障。
。
三、聚丁烯（PB）管道的性能和应用
1、BASELL4235PB树脂特性
物理性能
ASTM
单位
数值
备注
熔融指数
D1238
g/10min
0．4
密度
D1505
g/cm3
0．937
介电常数
D150-65T
2．50
熔点
DTA
℃
124-126
软化点
D1525
℃
113
热膨胀系数
D696
mm/m.℃
0．13
导热系数
C177
w（m.℃）
0．22
熔解热
DSC
KJ/kg
100
屈服点
D638
Mpa
17．6
抗拉强度
D638
Mpa
33．4
断裂延伸率
D638
%
280
弹性模量
D638
Mpa
265
脆化温度
D746
℃
-21
2、三井PB树脂特性
项目
管材
普通掺混
薄膜
M801N
M4121
M0200
M1600SAA
熔体指数，g/10min
0.03
0.4
1.8
1.0
密 度，g/cm3
0.915
0.925
0.915
0.910
颜 色
本色
黑
本色
本色
屈服拉伸强度，MPa（kgf/cm2）
18.13
（135）
16.66（170）
13.72（140）
13.72
（140）
断裂拉伸强度，MPa（kgf/cm2）
41.16
（420）
33.32（340）
31.36（320）
38.22
（390）
断裂伸长率，%
280
280
350
200
拉升弹性模量，MPa（kgf/cm2）
392
（4000）
264.6（2700）
245（2500）
落镖冲击强度，F50，g
薄膜厚25um 200
Izod冲击强度
不断裂
不断裂
50um 380
肖氏硬度
D61
D60
D55
100um 500
耐应力开裂
不断裂
不断裂
不断裂
撕裂强度
熔点,℃
129
125
125
431kN/m（440kgf/cm）
催化温度，℃
-20
-18
透气性，
维卡软化点，℃
121
113
ml.mm/m2.d.MPa
热膨胀系数，1/℃
1.4×10-4
1.3×10-4
（ml.mm/m2.d.atm）
氧气1480 （150）
氮气394 （40）
二氧化碳3158 （320）
水蒸气39.48g.mm/m2.d.MPa
（4g.mm/m2.d.atm）
体积电阻，Ω.cm
>1017
1017
1017
1017
3、聚丁烯（PB）管道的主要应用领域
1）生活用水的冷热水管，直饮水工程用管，保证水质无二次污染；
2）采暖用管材，可用于连接暖气片等高温辐射采暖系统，亦适用于地板、墙壁辐射采暖等低温采暖系统及空调用管道系统；
3）太阳能住宅温水管，用于太阳能住宅的温水和取暖配管；
4）融雪用管，适用于公路、停车场下面作为除冰雪用加热配管；
5）工业用管，因材料耐化学腐蚀性强，无毒无味，可用作化学工程、食品加工、工业用水等领域。
4、阻氧型聚丁烯（PB）管道
在暖通空调领域，PB管道具备其它塑料所无法比拟的优越特性。
但聚丁烯管道的透氧率稍高，热水管路中如果含有较多的氧，容易对系统中的金属管件等装置产生腐蚀，对于联接金属暖气片的高温采暖系统就更为不利。
另外，虽然管道内壁光滑，不结垢；但实践证明：
在使用3～5年后，管材的内壁会附着一层很薄的生物粘泥，在这层粘泥完全覆盖管内壁后，管壁会很快缩径，水流阻力加大，水流量锐减；天长日久，还会堵塞管道。
管道的清洗很困难，只能用机械法清洗，其他方法如化学法等很难见效。
这是因为水中富含的氧导致了微生物繁殖，而管道的透氧率高意味着管道会呼吸，促使微生物大量繁殖。
死去的微生物大量堆积就形成了生物粘泥。
因此，必须采用阻氧技术，抑制微生物的繁殖，从而有效保证管道的使用安全。
目前市市场上有两种阻氧型PB管道，均采用很薄（只有10丝左右）的乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）树脂层做阻氧层。
一种是三层结构阻氧PB管，即在PB管道外均匀涂覆一层热熔胶和EVOH树脂层，从外向内的结构是：
阻氧层/热熔胶/PB树脂，20*2.0管材壁厚设计尺寸是：
0.10/0.05/2.0㎜。
由于EVOH树脂较易吸潮且吸潮后的EVOH树脂阻氧能力会大大降低，加之施工时对表面易有划伤，因此阻氧作用会降低；因此三层结构阻氧PB管不是完整意义上的阻氧管。
另一种是五层共挤阻氧PB管，其中，内层PB较厚，起承压作用，外层PB较薄，起保护和熔接作用，结构是：
PB树脂/热熔胶/阻氧层/热熔胶/PB树脂，20*2.0管材壁厚设计尺寸是0.60/0.05/.010/0.05/1.40；不难看出，这种管道较为理想，但加工难度大，设备成本高。
根据测试结果，阻氧层的增加可以把PB单层管的透氧量减少99.6%。
通俗一点讲，不加阻氧层，氧的透入量是100%（相当于每2天给整个系统换一次新水），如果要给它加了一层阻氧层之后，他的氧透入率减少了99.6%（相当于每125天给整个系统换一次新水），完全可以满足德国标准DIN4726对采暖用塑料管道氧阻隔性的要求。
阻氧型PB管道的生产比较复杂，三层结构的可以用一次共挤出工艺，也可以用二次共挤涂覆工艺。
后一种方法控制比较容易，模具的设计和制造也比较简单，最主要的优点是废品率比较低。
由于带阻氧层的PB管道废品无法回收再利用，而原料价位又很高，因此许多企业选择了二次共挤涂覆工艺。
当然它也有缺点，相对一次共挤出工艺，二次共挤涂覆工艺管材的涂覆层要厚一些；由于EVOH的价位比PB还要高出几乎一倍，涂覆层越厚，管材的生产成本也越高。
而生产五层结构带阻氧层的PB管道，目前只有一次共挤工艺在应用。
目前国内生产阻氧管的厂家不多，主要有乔治、伟星，安固、华源、博维信、派康等，其中一部分企业使用进口生产线，而像博维信、派康等企业则是采用国产设备生产。
5、聚丁烯（PB）管道的应用条件。
PB管道真正的优越性还是在于它的高强度，下表是各种冷热水塑料管道在不同使用条件下的设计应力。
可以看到，在所有的情况下，PB管道的设计应力是最高的，也就是在同等外径条件下，使用PB管道，管材的壁厚最小，通径最大。
使用条件
PP-R
PE-X
PB-1
PVC-C
PE-RT
使用条件级别1
3.09
3.85
5.73
4,.38
_
使用条件级别2
2.13
3.54
5.04
4.16
_
使用条件级别4
3.30
4.00
5.46
_
3.34
使用条件级别5
1.90
3.24
4.31
_
2.00
冷水20℃，50年
6.93
7.60
10.92
10.0
7.36
下表是潍坊派康PB管道的管道规格和技术参数
公称外径dn
公称壁厚
S5（PN1.6）
S4（PN2.0）
S3.2（PN2.5）
16
1.5
1.8
2.2
20
1.9
2.3
2.8
25
2.3
2.8
3.5
32
2.9
3.6
4.4
40
3.7
4.5
5.5
50
4.6
5.6
6.9
63
5.8
7.1
8.6
性能指标
试验项目
单位
试验方法
派康PB管
熔融指数
g/10min
ASTMD1238
0.5
密度
g/cm3
ASTMD1505
0.933
抗变强度
kgf/c㎡
ASTMD638
175
拉伸强度
kgf/c㎡
ASTMD638
400
伸张率
％
ASTMD638
330
弹性率
kgf/c㎡
JISk7113
4000
冲击强度
kgf/cm/cm
ASTMD256
NOBreak
硬度
Dscale
ASTMD2240
60
熔度
℃
DSC
127
软化点
℃
JISK7206
119
脆化温度
℃
JISK7216
-18以下
膨胀系数
cm/cm/℃
ASTMD696
1.3*0.0004
热传导率
Kcal/mhr℃
ASTMC177
0.33
下表表示了在不同的使用温度条件和不同的使用寿命要求下，各种系列PB管道所允许使用的工作压力。
PB管道设计温度、工作压力与使用寿命的对应关系
温度（℃）
使用年限
管系列S（公称压力PN）
5（PN1.6）
4（PN2.0）
3.2（PN2.5）
40
1
2.02
2.55
3.21
5
1.98
2.49
3.14
10
1.93
2.44
3.07
25
1.88
2.36
2.98
50
1.83
2.31
2.91
50
1
1.86
2.34
2.95
5
1.76
2.25
2.84
10
1.74
2.20
2.77
25
1.69
2.12
2.67
50
1.64
2.07
2.61
60
1
1.68
2.12
2.66
5
1.58
1.99
2.51
10
1.54
1.93
2.44
25
1.48
1.86
2.34
50
1.43
1.81
2.27
70
1
1.47
1.85
2.36
5
1.35
1.71
2.15
10
1.31
1.65
2.08
25
1.25
1.57
1.98
50
1.21
1.52
1.92
80
1
1.22
1.53
1.93
5
1.11
1.40
1.76
10
1.06
1.34
1.69
25
1.01
1.27
1.60
95
1
0.81
1.02
1.28
5
0.71
0.89
1.13
10
0.67
0.85
1.07
5，聚丁烯（PB）管道生产设备。
¨ 在国内开始生产PB管之初，主要依赖进口生产线，这种情况大大制约了我国PB管材行业的发展。
但是近年来，我国已经成为世界上最大的塑料机械生产国，国内一些塑机企业相继推出PB管材机组，并迅速占领市场，生产设备的国产化大大加快了我国PB管材行业的发展。
目前国产PB管材机组除速度外，在连续生产稳定性，管材产品的质量上已经和进口线相差无几；而在价格上仅为进口线的1/8-1/10左右，并且在几年前就已经有国产设备通过巴塞尔（BASELL）公司考察取得购买原料资格的实例。
因此目前国内新上PB管道的企业中绝大多数，都选择国产设备。
聚丁烯（PB）管道生产线与一般聚烯烃管道生产线主要区别在冷却定径部分，由于聚丁烯（PB）熔体粘度大，为了使管坯容易进入定径套，有的做法是在定径套前，增加一个预冷环。
另外由于聚丁烯（PB）热焓大，为了加快冷却速度，可以采用套管式和碟片式组合冷却定型装置。
一项最新的成果值得注意。
在以往的PB-1管材挤出生产线上一般配有熔体泵，熔体泵的使用有二个目的，其一是稳定熔体通过口模时的压力，有利于稳定挤出和控制产品的壁厚和外径；其二是对高分子量的PB树脂分子链进行解缠，以消除管材外表面的隐形波纹。
因此在PB管材挤出生产线上配置熔体泵，已经成为公认的习惯做法；并且由于熔体泵国内已经能够供应，价格仅为进口熔体泵的1/4左右，因此更是很少有人提出异议。
但是现在，“山东潍坊凯德塑料机械有限公司”采用了一种新型的蓄压式螺旋机头，并且在PB管材生产线上把熔体泵取消了，同样可以高速稳定的生产出同样质量的PB管材，也没有出现管材外表面的隐形波纹。
取消熔体泵带来的好处是：
其一，节省了熔体泵的固定投资，降低了设备成本。
其二，简化了操作，不需要进行调整泵前后的压力差，减少了开机时的原料损耗。
其三，由于物料不需要再经过熔体泵，挤出工艺温度可以降低15-20℃.有利于保持PB树脂的优良性能。
展望聚丁烯（PB）管道的发展前景，尽管它有种种优点，但是从根本上，其原料的来源，目前全世界只有“BASELL”和“三井”两家，这二家原料的性能和质量均可满足PB管的各项要求；这两家外商在中国市场上采取了不同的原料销售策略，有利于打破聚丁烯原料在中国市场上由“BASELL”垄断的局面，但是期望有比较大幅度的降价，显然是不可能的。
而国产原料的开发，现在还没有听到任何信息。
因此由于聚丁烯（PB）管道的价位比较高，不能不限制了它的应用范围和总量，预计在国内总用量达到已有的热水管道（铝塑复合管，PP-R管，PEX管等）品种的规模是比较困难的。
当然现在聚丁烯（PB）管道生产设备实现国产化，是我国发展聚丁烯（PB）管道生产和应用的有利因素。
消费市场高端需求将长期存在，而且这种需求将越来越大，这些都决定了PB管道在我国将会有比较大的发展空间。
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