聚丁烯（PB）管道的生产和应用

时间：2015-10-10 13:45:39 来源：作者：北京塑料工业协会吴念<

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%。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（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(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/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、BASELL 4235 PB树脂特性

2、三井 PB 树脂特性

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 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，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。

下表是潍坊派康PB管道的管道规格和技术参数

性能指标

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

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，已经成为公认习惯的做法；并且由于熔体泵国内已经能够供应，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”通过实践努力，在PB管材生产线上把熔体泵取消了，同样可以稳定的生产出质量合格的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。

参考资料：
1，张玉川 “中国塑料管业的发展概况和前景-2008调研报告”
2，董孝理“塑料压力管道的力学破坏和对策”
3，徐绍宏“聚丁烯树脂和聚丁烯管道“

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