CN102128316A - 高热导率耐热聚乙烯塑料管 - Google Patents

Abstract

一种高热导率耐热聚乙烯塑料管，其特征在于，它是由耐腐蚀性、耐热性兼优的耐热聚乙烯树脂与导热系数高的导热材料及其它助剂通过熔融共混改性后挤出成型的，可以是单组份单层、也可以是多组分多层的高热导率耐热聚乙烯塑料管，其导热系数为基础树脂-耐热聚乙烯的2倍以上，当输送介质为水时，在70℃下连续工作设计寿命可达50年，短期(六年)工作温度可达90℃，(一年)工作温度可达110℃，这种管材可直接用于土壤源热泵、海水源热泵系统、污水源热泵系统和辐射供冷、供暖系统做热交换管，提高了系统的传热能力，也可经焊接加工成不同形式不同结构的热交换器，用于介质温度较高的化工、食品、医药制造过程。

Description

高热导率耐热聚乙烯塑料管

技术领域

本发明涉及一种换热器用耐腐蚀性、导热性和耐热性能兼优的聚乙烯塑料管。

背景技术

大多数塑料的耐腐蚀性能优秀，在许多领域中得到广泛应用，如化工过程中所使用的许多塑料容器，塑料管道等，塑料已成为不可替代的主要材料。在工业领域，传统的金属材料，虽然力学性能、耐热性能和传热性能都很好，但因其耐腐蚀性差，使用寿命短，污染被处理的介质，给应用带来很大困难；尤其是近年发展迅速的污水源热泵、海水源热泵和土壤源热泵，换热器的需求量很大，设计使用寿命要求十几年到几十年，多数金属管道都难以胜任，这些恰恰就是塑料的优势。聚乙烯塑料是目前产量最大、应用最为广泛、价格低廉的一种塑料品种，它耐酸、耐碱、常温下没有任何一种溶剂可以溶解它、抵抗刮擦能力强、低温冲击韧性极佳、脆化温度-50℃以下，超高分子量聚乙烯更是一种可以用于液氮环境下的塑料品种。聚乙烯管材已成为第一大塑料管材品种，广泛用于上下水、燃气、电线电缆护套、化工和矿山等领域，其优势超过绝大多数塑料管道，特别是上下水管道、燃气管道，其设计使用寿命为50年，欧洲也已开始制造和应用设计使用寿命100年的聚乙烯管道。

普通的聚乙烯管材冲击韧性、耐腐蚀性、抗蠕变能力、使用寿命、可焊性等都比较适合做换热工程中所用的换热器及管道等。目前市场上用做换热器的塑料管就有普通聚乙烯管、导热聚丙烯管和少量导热聚乙烯管，它们均在换热工程中发挥了重要作用。导热聚丁烯管和导热交联聚乙烯管也在研制中。

但是，这些塑料管仍然存在许多不足之处，如普通聚乙烯管和导热聚乙烯管它们有一个共同的先天不足就是耐热性很差，连续工作温度一般不超过40℃。工作温度超过40℃，其承压能力和使用寿命均将急剧下降。另外，普通高密度聚乙烯管的导热系数仅0.4w/m.k左右，传热效率低下。计算得知，若将聚乙烯管的导热系数提高到1.00w/m.k时，在竖直地埋管地源热泵系统中，导热聚乙烯管比普通聚乙烯管单位管长的换热能力在冬制热夏制冷工况下提高幅度均大于15％；导热聚丙烯管耐热性较好，但弹性模量高，柔性差，冲击韧性差，使其应用受到很大限制，用于上述几种热泵系统则更加困难；导热聚丁烯管耐热性较好，但对缺口敏感，抗划擦能力差，透氧率和价格过高，其开发难度很大；导热交联聚乙烯管综合性能很好，但其热熔焊接性极差，PE-Xc管不可焊接，PE-Xa管、PE-Xb管虽可焊接，但长期性能不详，因此其应用也受到很大限制。如果能将聚乙烯塑料的耐热性和导热系数提高，保留其固有的可焊性及其他物理、化学、机械性能，则其将全面超过导热交联聚乙烯管，用其制成换热器，使用寿命、传热效率、节能效果等也都会超过以往任何一种导热塑料管。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐腐蚀性、导热性和耐热性兼优的聚乙烯塑料管，采用这种塑料管，可以制成各种形式和结构，用途不同的热交换器，如列管式换热器、蛇管式换热器，污水源热泵、海水源热泵用的螺旋管式换热器，土壤源热泵系统中所用U型管式换热器，可广泛用于如大坝修筑的混凝土冷却管，冰蓄冷空调导热管，地面辐射供冷、供暖盘管，化工过程、食品药品生产过程中等。

本发明的技术方案

以近年市场上出现的耐腐蚀性能、耐热性能、抗蠕变性能、可焊性和低温下柔韧性均佳的耐热聚乙烯(PE-RT)树脂为基础材料，对其进行共混改性，以提高其较低的导热系数。通过在基材树脂中添加高热导率的组份做导热改性剂，采用熔融共混的技术方法制成导热塑料管的原料，再挤出成型为导热塑料管。或者采用多组分、多层共挤技术挤出成型为多层复合导热塑料管。这种导热塑料管材继承了基材树脂的耐化学腐蚀性、耐热性、低温柔韧性和可焊接性及其它主要物理、化学、力学性能，导热系数的提高可达基材树脂(PE-RT)的2倍以上，进而可以加工成各种形式和结构的换热器。当输送介质为水、设计使用寿命为50年时，其连续工作温度可达70℃，设计使用寿命为6年时，其连续工作温度可达90℃，短期(1年)连续工作温度可达110℃。所述基材树脂必须是耐热聚乙烯(PE-RT)树脂，其组成可以是乙烯与任何一种α烯烃的共聚物，如乙烯与辛烯、乙烯与己烯、乙烯与丁烯的共聚物等，并且以II型PE-RT树脂为首选。所述导热改性剂可以是导热系数高的任何材料的微粉体、纤维或晶须等，如铜、铝、石墨、氮化铝、氧化铍、碳化硅、碳纤维等。但导热改性剂的表面必须进行活化处理，配方中应含有分散剂、增强剂、增韧剂、增容剂等组分。熔融共混工艺及所用设备包括开炼机或密炼机或连续密炼机或双螺杆挤出机组。物料经熔融共混造粒后，可由挤管机组(单组分或者多组分、单层或者多层复合)挤出成型为导热塑料管，也可以通过熔融共混制成具有导热性的浓缩母粒，再用基材树脂掺混稀释后挤出成型为导热塑料管。当采用连续密炼机或双螺杆挤出机进行熔融共混时，亦可采用本发明者发明的导热塑料管的制造方法(申请号：200910181023.6)，直接进行管材挤出成型、工艺流程短，制造过程中能耗也最低，对降低生产成本极为有利。

具体实施方式

实施例

(1)配方

配方中导热助剂可根据管材结构及其功能需要进行调整，如铜纤维、铝纤维、不锈钢纤维、或者镀铝玻璃纤维、镀银玻璃纤维等易产生外露弊端，不宜用于管材的外表面层；一些耐腐蚀性差的导热材料不宜用于管材的内表面层等；而需要对材料进行增强时，则配方中以添加纤维类导热材料为宜。

(2)采用偶联剂对导热助剂表面进行活化处理

(3)上述各组份掺混后在连续密炼机造粒机组上熔融共混塑化拉条切粒，制得PE-RT导热塑料管原料。

(4)按本发明者发明的“多层复合导热塑料管”的方法，经挤管机组挤出成型得高热导率耐热聚乙烯塑料管。在三组分(或二组分)三层共挤管材挤出机组上，以PE-RT导热塑料管原料为管壁的中间层、内外壁层可以采用管道级PE-RT树脂，也可以在管道级PE-RT树脂中添加适量改进剂，经挤管机组挤出成型得多层复合高热导率耐热聚乙烯塑料管。

(5)将高热导率耐热聚乙烯塑料管段热熔焊接连接，并按CJ/T175-2002《冷热水系统用耐热聚乙烯管材》标准进行常规性能测试，各项性能通过。

(6)测定高热导率耐热聚乙烯塑料管导热系数：采用Hot Disk热常数分析仪-2500s，按ISO22007-2：2008规定测试，样品直接取自于被测试管材管壁(管壁厚度以大于3mm为宜)，并压平、磨平，导热系数大于1.00w/m.k。

Claims (5)

1.一种高热导率耐热聚乙烯塑料管，其特征在于，它是以耐热聚乙烯树脂(PE-RT)为基础材料，添加了适量的高热导率的导热材料和其他助剂等，通过熔融共混改性并经挤出成型为高热导率耐热聚乙烯塑料管。

2.根据权利要求1所述高热导率耐热聚乙烯塑料管，其特征在于，是多层复合高热导率耐热聚乙烯塑料管，其内外表面和中间层分别采用不同组份、具有不同功能的高热导率耐热聚乙烯塑料制成。

3.根据权利要求2所述多层复合高热导率耐热聚乙烯塑料管，所述管材内外表面和中间层分别采用不同组份、具有不同功能的耐热聚乙烯制成，其特征在于，中间层以高热导率、高力学性能为主要功能，以耐热聚乙烯为基础材料，添加了易形成导热网络和使材料得到增强的金属纤维、碳纤维或者镀铝镀银等高热导率材料。

4.根据权利要求2所述多层复合高热导率耐热聚乙烯塑料管，所述管材内外表面和中间层分别采用不同组成、具有不同功能的耐热聚乙烯制成，其特征在于，管材的内表面以耐热聚乙烯为基础材料，添加了耐腐蚀性优秀的高热导率材料。

5.根据权利要求2所述多层复合高热导率耐热聚乙烯塑料管，所述管材内外表面和中间层分别采用不同组成、具有不同功能的耐热聚乙烯制成，其特征在于，管材的外表面以耐热聚乙烯为基础材料，添加的导热材料为不含易外露的金属纤维或者镀铝、镀银的玻璃纤维等。