关于交联度对交联聚乙烯管材物理性能影响的研究报告

在此之前，已经有很多学者撰写了大量的文章来论述地暖加热管，但多数文章是定性分析多，定量分析少；理论分析多，实际应用少；分析推理多，试验证明少；还有一些文章商业炒作多，理性分析少。看完后总有一种云里雾里的感觉，尤其是对生产和应用的指导意义不多。2007年新疆产品质量监督检验院作了一个关于交联度对交联管物理性能影响的研究分析课题，用精密的试验方法严谨的回答了：“交联度为多少为最佳”的问题，其研究分析报告科学、严谨、直观、透彻，对交联管生产企业和地暖施工企业的生产有着很强的指导意义。本人有幸参加了该项目的研究和评审。该项目由新疆产品质量监督检验研究院冉文生、伊力多斯等研究员主研完成。现将该研究报告摘要刊登如下，与地暖同仁共享。
    一、问题的提出
    交联聚乙烯管材（以下简称交联管）产品主要用于建筑物内地面辐射采暖系统。尽管该采暖方式在国内应用的时间不长，但由于其合理的采暖方式，有益于人体健康的热量分布，以及显而易见的节能及环保等特点，使地暖产品正以前所未有的速度进入千家万户。从而也使交联管的用量和产量以前所未有的速度飞速发展。
    国家标准规定交联管的使用寿命为50年，和普通民用建筑的使用年限相同。由于要求使用年限较长，加之施工铺设时全部埋地，一旦发生质量问题，会造成较大的麻烦与浪费，因此，交联管质量应严格符合国家标准的规定。交联管技术要求中“交联度”反映了交联管物理性能的优劣，是该产品物理性能中的主要指标之一，其含量的多与少表明该产品在生产时助剂“交联剂”加入量的多或少。适量加入交联剂大大提高了管材的耐热性能，交联剂达到标准规定的要求该产品才能长期在高温水下正常工作。如上所述“交联度”在交联管检测中占有重要位置，国家各级标准对用不同工艺方法生产的交联管产品的“交联度”技术要求均做出了明确规定。国家标准GB/T18992.2-2003《冷热水用交联聚乙烯PE-X管道系统第二部分：管材》对“交联度”仅有下限技术要求，无上限规定。对于生产企业和工艺配方研究技术人员“交联度”上限是否限制，“交联度”是否越高越好？如果不是那么要多少较为合适？这些问题一直有争论并无明确定论。
从目前企业生产状况了解，交联管生产原料一般均为进口，交联剂在交联管的原料中属于助剂，并为较贵原料之一。为节省生产成本，使“交联度”既达到国家标准的要求又使其限制在合理水平，同时使产品质量达到最佳状态，我们提出了关于“交联度”对冷热水用交联聚乙烯管材物理性能影响的研究课题。
    二、概述
    1、聚乙烯的交联
    聚乙烯由于其结构特点不能承受较高的使用温度，加之机械性能较低，限制了它在许多领域的引用，为了改善聚乙烯的耐热和机械性能，行之有效的方法是对其进行交联改性。聚乙烯经交联后，其冲击强度，耐热性能和耐化学性能得到提高，同时也可提高耐蠕变性能；耐磨性能；耐环境应力开裂性能等。
    将热塑性聚合物转化为三维网状的过程称为交联，能使聚合物产生交联的物质称为交联剂。交联是聚合物改性的一个重要手段，它可以提高耐热性、拉伸强度和耐化学等性能，扩大制品的使用范围，由于聚合物的结构和化学性质不同，所用交联剂也不同，如有机过氧化物、胺类、酸酐等。
    生产交联管所用的主要原料为高密度聚乙烯树脂，聚乙烯在管材成型过程中或成型后进行交联。为使聚乙烯树脂产生交联可以采用不同的工艺方式。一般为：过氧化物交联、硅烷交联、电子束交联及偶氮交联四种形式。经交联工艺生产后其产品成为热固性塑料。
    国家标准规定，用不同工艺生产的交联管标准技术要求交联度含量不同：过氧化物交联≥70%、硅烷交联≥65%、电子束交联≥60%偶氮交联≥60%。由于疆内的生产厂家大多数采用过氧化物交联法生产管材产品，因此本课题仅研究讨论过氧化物交联工艺生产的交联管，找出“交联度”的最佳含量。
    2、交联的化学机理
    过氧化物交联的反应机理如下：过氧化物受热分解生成自由基，自由基进攻大分子链，夺取分子链上的氢原子，生成PE大分子链自由基，PE大分子链自由基具有高度反应活性，当2个大分子链自由基相遇时，便相互结合，形成高分子链间的化学键交联，到此化学反应完成。PE由二维结构形成三维网状结构。
    当聚乙烯树脂发生交联反应时，聚乙烯树脂的化学结构发生如下变化：PE分子链间通过化学键互相连接，形成三维网状结构。可用简图表示如下：