聚丁烯PB管道的生产和应用

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1、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

2、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

3、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%。ISO 8986-1：1993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（9899.5%）、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57天，从型态II不可逆地转变到孪生

4、六方晶型的稳定状态I，对共聚物来说这一过程则需要13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107130，对低乙烯含量的共聚物来说熔点范围为114118，对高乙烯含量的共聚物来说熔点范围为9095。转换到型态I后，均聚物的结晶度为4855%，而共聚物根据乙烯含量不同结晶度为3545%。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

5、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(ASTM D-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.

6、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

7、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/T 19473.1-2004 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

8、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

9、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

10、应用1、BASELL 4235 PB树脂特性物理性能ASTM单位数值备注熔融指数D1238g/10min04密度D1505g/cm30937介电常数D150-65T250熔点DTA124-126软化点D1525113热膨胀系数D696mm/m.013导热系数C177w(m.)022熔解热DSCKJ/kg100屈服点D638Mpa176抗拉强度D638Mpa334断裂延伸率D638%280弹性模量D638Mpa265脆化温度D746-212、三井 PB 树脂特性项目管材普通掺混薄膜M801NM4121M0200M1600SAA熔体指数，g/10min0.030.41.81.0密 度，g/cm30

11、.9150.9250.9150.910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，%280280350200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 200Izod冲击强度不断裂不断裂 50um 380肖氏硬度D61D60D55 100um 500耐应力开裂不断裂不断裂不断裂撕裂

12、强度 熔点, 129125125431kN/m（440kgf/cm）催化温度，-20-18透气性，维卡软化点，121113ml.mm/m2.d.MPa热膨胀系数，1/1.410-41.310-4（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，.cm10171017101710173、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

13、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35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

14、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E

15、VOH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

16、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 DIN 4726 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

17、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-RPE-XPB-1PVC-CPE-RT使用条件级别13.093.855.734,.38_使用条件级别22.133.545.044.16_使用条件级别43.304.00

18、5.46_3.34使用条件级别51.903.244.31_2.00冷水20，50年6.937.6010.9210.07.36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)161.51.82.2201.92.32.8252.32.83.5322.93.64.4403.74.55.5504.65.66.9635.87.18.6性能指标试验项目单位试验方法派康PB管熔融指数g/10minASTM D12380.5密度g/cm3ASTM D15050.933抗变强度kgf/cASTM D638175拉伸强度kgf/cASTM D

19、638400伸张率ASTM D638330弹性率kgf/cJIS k71134000冲击强度kgf/cm/cmASTM D256NO Break硬度D scaleASTM D224060熔度DSC127软化点JIS K 7206119脆化温度JIS K 7216-18以下膨胀系数cm/cm/ASTM D6961.3*0.0004热传导率Kcal/mhrASTM C1770.33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(P

20、N2.5)4012.022.553.2151.982.493.14101.932.443.07251.882.362.98501.832.312.915011.862.342.9551.762.252.84101.742.202.77251.692.122.67501.642.072.616011.682.122.6651.581.992.51101.541.932.44251.481.862.34501.431.812.277011.471.852.3651.351.712.15101.311.652.08251.251.571.98501.211.521.928011.221.531.93

21、51.111.401.76101.061.341.69251.011.271.609510.811.021.2850.710.891.13100.670.851.075，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

22、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

23、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

24、）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。