导热地暖管材料的研究进展_竺俊豪.pdf

第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023导热地暖管材料的研究进展竺俊豪1,严 铭2,姚 鑫2,董海鹏2,崔 禹2,张 璐2(1 宁波工程学院建筑与交通工程学院,浙江 宁波 315021;2 浙江石油化工有限公司,浙江 舟山 316000)摘 要:地暖是近年来城市化推进过程中逐渐得到普及的一种新型采暖技术,通过设计布局形成微温对流,提升居住环境的舒适度。地暖的热源为暖管中的低温热水。目前市场流行的管材主要有 PE-X、PE-RT、PPR、XPAP 和 PB 等高分子聚合物材料,本文针对这些管材性能进行介绍,探讨多种在现有管材基础上的改良方案,包括生产工艺、低温脆性和热老化性等性能的改进,并分析了部分新型材料或组合在地暖领域的应用。关键词:地暖;传热管;聚烯烃材料中图分类号:TB332 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0031-05 基金项目:舟山市科技项目(2020C43256)。第一作者:竺俊豪(2000-),男,本科。通讯作者:张璐(1981-),女,高级工程师,研究方向为工程塑料。Research Progress on in Thermally Conductive Floor Heating Pipe MaterialsZHU Jun-hao1,YAN Ming2,YAO Xin2,DONG Hai-peng2,CUI Yu2,ZHANG Lu2(1 School of Civil and Transportation Engineering,Ningbo University of Technology,Zhejiang Ningbo 315021;2 Zhejiang Petrochemical&Chemical Co.,Ltd.,Zhejiang Zhoushan 316000,China)Abstract:Floor heating is a new heating technology that has been gradually popularized in the process ofurbanization in recent years.Through the design and layout,it forms micro temperature convection to improve the comfortof the living environment.The heat source of floor heating is the low-temperature hot water in the heating pipe.Atpresent,the popular pipes in the market mainly include PE-X,PE-RT,PPR,XPAP and PB and other polymermaterials.The properties of these pipes were introduced,a variety of improvement schemesbased on the existing pipes wasdiscussed,including the improvement of production technology,low-temperature brittleness and thermal aging properties,and the application of some new materials or combinations in the field of floor heating was described.Key words:floor heating;heat transfer tube;polyolefin materials目前全世界疫情形势严峻,在冬季时因采暖将会产生一系列的问题。与传统的空调采暖相比,地暖会是一种安全、舒适且有效的取暖方式。地暖,地热辐射采暖,是将温度不高于60 的热水或发热电缆,暗埋在地热地板下的盘管系统内加热整个地面,通过地面均匀地向室内辐射散热的一种采暖方式。传统的暖气空调主要通过强制对流热循环取暖,地板辐射采暖方式采取辐射导热的方法,不会使空气产生太大的扰动,可以极大程度地防止有害病菌随着暖风对流发生快速蔓延的现象,使得供暖期室内环境更为清洁。地暖的主要部件是用于传热的暖管。暖管管材的使用和施工需要符合国家相关标准,有产品合格证等专业证书。早期的地暖暖管采用材质以铜管和钢管为主,价格昂贵,质量不稳定,金属易被锈蚀也会导致使用寿命大打折扣。新型塑料管的研发,推动了地暖管的发展。本文聚焦地暖管材的性能研究,从材质、结构、性能、生产和实验优化等几个方面对近几年的文献进行归纳,并根据现状对暖管材质的发展进行展望,为地暖管材引入新型材料和拓宽相关材料的多渠道应用提供一定的参考。文章概况参考图 1。图 1 文章思维导图Fig.1 Mind map of this artcle32 广 州 化 工2023 年 1 月1 目前常用的地暖管材目前市场上所采用的地暖管材料主要为以下 5 种材质:PEX、PE-RT、PPR、XPAP 和 PB。1.1 交联聚乙烯管材(PEX)PEX 是高密度聚乙烯(HDPE)材料的改性,将 PE 原有的线性分子链通过枝接形成交联,提高了材料的力学性能和化学稳定性。PE 材料的使用温度上限由原有的 50 提升至 95。PEX 管材具有力学性能好、耐高温和低温性能好、材质硬度高等特点1。使其在世界地暖行业中占据主导地位。聚乙烯的交联工艺包括化学和物理两种。化学方法是添加化学交联剂,包括过氧化物交联、硅烷交联或偶氮交联。物理交联是利用高能射线,将聚乙烯分子激发产生自由基、自由基结合产生分子间的交联键、形成交联结构。依据其交联方式的不同,可以将其分为 4 类,分别是:过氧化物交联管(PE-Xa)、硅烷交联管(PE-Xb)2、辐射交联管(PE-Xc)和偶氮交联管(PE-Xd)3。国内使用偶氮交联的方式较少。在地暖系统中最早使用、应用最广的是硅烷交联管。由于其交联剂硅烷有毒,已淡出国外地暖管市场。这种管材的生产工艺简单,质量可靠。但是良好的交联需要在 90 的水浴或者蒸气浴中处理长达 6 h 以上,生产成本过高。因此,更具有价格优势的过氧化物交联管占据了主要的市场。1.2 非交联耐热聚乙烯管(PE-RT)耐热聚乙烯,简称 PE-RT(Polyethylene of raised temperatureresistance),是一种由乙烯单体与辛烯单体经过茂金属催化聚合而成的非交联聚乙烯材料,属于可控制的支链分布结构,通常被用于制作地热管材或冷热水供水管道。具有较强的柔韧性、长期热稳定性、散热性、可回收性和熔体强度高等特点4。耐热聚乙烯管近年来在管材行业逐渐被采用,分为 PE-RT型和 PE-RT型。目前使用和研究的主要以 PE-RT 型为主。1.3 无规共聚聚丙烯管(PPR)PPR(Polypropylene-Random copolymer),俗称三型聚丙烯。PPR 管是 PE 管、PE-X 管、PE-RT 管的迭代产品。通过无规共聚的技术手段,提升聚丙烯的各项性能。其是由丙烯与一定比例的乙烯在催化剂的作用下经过聚合反应获得的无规律的聚合物。乙烯的加入有效地降低了共聚物的熔点、洁净度。PPR 综合了均聚聚丙烯与嵌段共聚聚丙烯的优点,具有高透光性、耐高温、抗冲击、加工性能与综合性能良好的优点,在生产管材、高透明容器、家具用品、包装材料、注射器等方面得到了大规模应用5。PPR 管材要求产品具有极低的熔融指数(目前生产牌号中最低)、高乙烯含量(目前生产的无规共聚中最高),制成的管材必须具有优异的耐压性能、耐环应力、抗冲击性能、耐腐蚀及卫生环保性能。因此综合考虑,PPR 产品的熔融指数、拉伸屈服应力、冲击强度、添加剂的配方成为质量控制的关键。同时 PPR 产品极低的熔融指数、高乙烯含量对聚合、挤压操作提出了更高的要求。在无规共聚 PPR 管材性能测试中最重要的为液压性能和热稳定性能。根据冷热水管用聚丙烯国家标准及国际标准规定,管材要承受 110、环应力 1.9 MPa、8760 h的考核,并且具有长达 50 年的使用寿命。为了满足管材标准规定和实际使用,需要对产品质量控制6。1.4 交联铝塑复合管(XPAP)交联铝塑复合管是指以焊接铝塑管为中间层,内外层均为聚乙烯塑料,采用专用热熔胶通过挤出成型方法复合成一体的管材。交联铝塑复合管是采用交联中、高度聚乙烯塑料的铝塑复合管。具有无毒、质轻、机械强度高、耐腐蚀、抗静电 热膨胀系数低、保温性能好、施工方便等特点;同时内层聚乙烯非常光滑,管内流体阻力小、不易结垢、不滋生微生物、流体不会受污染7。1.5 聚丁烯管(PB)聚丁烯(PB)管,是由聚丁烯树脂添加适量助剂,经挤出成型的热塑性加热管,通常以 PB 为标记。PB 材料最突出的性能是耐热蠕变性能优良,耐高温性能优于 PEX、PE-RT,并具有良好的耐环境应力开裂性,保障管材 50 年以上的使用寿命。与传统的 PE 管道相比,PB 管材使用温度范围为 30 100。PB 材料质地较软,弯曲性能优异,可以满足弯曲铺设及弧形排管要求8。目前,于水暖领域主要采用米黄色 PB 管材。五种管材的特点如表 1 所示。表 1 五种管材的特点Table 1 Characteristics of five kinds of pipes管材特点交联聚乙烯管材(PEX)力学性能好、耐高温和低温性能好、材质硬度高等非交联耐热聚乙烯管(PE-RT)较强的柔韧性、长期热稳定性、散热性、可回收性和熔体强度高等无规共聚聚丙烯管(PPR)具有高透光性、耐高温、抗冲击、加工性能与综合性能良好的优点交联铝塑复合管(XPAP)具有无毒、质轻、机械强度高、耐腐蚀、耐热性能较好、脆化温度低、抗静电、氧渗透率低、热膨胀系数低、保温性能好、易于弯曲成型、施工方便等聚丁烯管(PB)耐热蠕变性能优良,耐高温性能,材料质地较软,弯曲性能优异2 针对材料的特性研究2.1 PEX 的交联效果郑迎雷等9以三种交联聚乙烯管材为样品,分别分析了不同试样厚度、抗氧剂体系、萃取回流时间及干燥时间对交联聚乙烯管材交联度测试结果的影响。Svoboda 等10以三种不同指标的分析(流变学、高温蠕变和凝胶含量)独立地证实,具有较高辛烯含量的乙烯-辛烯共聚物比具有较低辛烯含量者交联效果更好。2.2 PE-RT 的机械性能对于 PE-RT 的性能,Qi 等11在酸性油气介质条件下使用高压釜试验对耐高温聚乙烯(PE-RT)和聚乙烯(PE)的性能对比评估。分析表明,PE-RT 在 60 时具有良好的耐介质性。随着温度升高,其机械性能降低,同时重量增加。针对于这个温度点,可以很好地适用于地暖系统中作为暖管材料。静液压强度是判断 PE-RT 管材料耐压等级的关键性能指标,管材料的耐压强度性能与相对分子质量及其分布、共聚单第 51 卷第 2 期竺俊豪,等:导热地暖管材料的研究进展33 体含量及种类等多种结构因素有关12。由于聚合工艺及催化剂等的不同,PE-RT 管材料的相对分子质量及其分布、共聚单体含量及类型等存在明显差异。Zhang 等13使用三种耐高温聚乙烯(PE-RT)材料来探索不同类别之间和相同类别之间结晶动力学和机械性能差异。选择材料为:1-PE-RT 和 3-PE-RT 属于同一类(型),但共聚单体不同;而 2-PE-RT(型)和 3-PE-RT 使用相同的共聚单体。得到结果如表 2 所示。表 2 三种耐高温聚乙烯(PE-RT)材料的结晶动力学和机械性能差异Table 2 Differences in crystallization kinetics and mechanical properties of thre