一种交联聚乙烯PE-Xa管材生产工艺及原料高速混合机

技术领域

本发明属于交联聚乙烯管材生产领域，具体地说，尤其涉及一种交联聚乙烯PE-Xa管材生产工艺及原料高速混合机。

背景技术

在生活冷热水输送及地暖领域中，广泛使用的是交联聚乙烯管材，这主要得益于交联聚乙烯管材自身耐液压、耐高温性能优异的特点。在交联聚乙烯管材的生产过程中，主要采用的是过氧化物交联（PE-Xa）和硅烷交联（PE-Xb），例如在中国专利公开号为CN103275274A公开了一种单螺杆挤出机一步法生产硅烷交联聚乙烯热水软管的方法，并具体公开了将原料加入单螺杆挤出机中，经过熔融段和均化段后完成接枝反应和各组分间的混合，再经机头磨口挤出成型，挤出的管材经真空定径、冷却、牵引和卷曲后得到接枝的聚乙烯管材，所得的接枝的聚乙烯管材在热水中交联，即得硅烷交联聚乙烯热水软管。同样相近似的方案也可参见中国专利公开号为CN110294884A所公开的一种管材专用交联聚乙烯及其制备工艺。

上述工艺需要借助水蒸气才能够完成交联，随着管材壁厚的增加，水分子进入到管材内部的难度加大，会导致管材的表面和内部存在交联度不均匀的问题。为克服上述问题，现有行业多采用恩格尔生产工艺制备PE-Xa管材，并通过冲压柱塞式挤出机挤出成型。

但是，通过冲压柱塞式挤出机挤出成型的PE-Xa管材会出现抗氧剂和交联剂分散不均匀的问题。以抗氧剂为例，熔点较高的抗氧剂小颗粒熔融后通常以独立颗粒的形态镶嵌于管壁内部，参见图1，不仅起不到抗氧化的作用，还会因为上述缺陷造成管材破裂。因此管材生产企业多采用熔点较低、粒径较小的抗氧化剂，但是这会造成PE-Xa管材生产效率的降低，加大提高管材抗老化性能的难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交联聚乙烯PE-Xa 管材生产工艺及原料高速混合机，其通过优化PE-Xa的生产工艺及原料配方组成和比例，进而提高管材交联度的均匀性，并可大幅提高管材的抗老化性能，可赋予管材优良的耐氯、抗氧化性能。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本申请公开了一种交联聚乙烯PE-Xa 管材生产工艺，该工艺包括以下步骤：

1）、按照以下重量份的原料制备而成：高密度聚乙烯树脂100份、过氧化二叔丁基0.2~1份、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.2-0.6份、亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯)酯0.1-0.3份；

2）、将高密度聚乙烯树脂、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯)酯在高速混合机中混合5~10分钟，并通过粉体计量称后进入到双螺杆挤出机主喂料口，在双螺杆挤出机中完成塑化和均匀混合形成熔合物I；

3）、通过液体计量泵将0.2~1份的过氧化二叔丁基送入至双螺杆挤出机中，并在双螺杆挤出机中将过氧化二叔丁基与熔合物I混合均匀得到熔合物II；

4）、将熔合物II从双螺杆挤出机送入至单螺杆挤出机，并且在单螺杆挤出机中进一步混合加压得到熔合物III；

5）、将熔合物III从单螺杆挤出机的尾端送入至冲压式挤出机模具，并将熔体物III在冲压式挤出机模具中成型和交联。

6）、将冲压式挤出机模具中的管材经过冷却定型得到交联聚乙烯PE-Xa管材。

优选地，作为本申请技术方案之一，所述步骤2）中的双螺杆挤出机挤出温度控制在135℃至150℃，螺杆转速控制在100rpm至150rpm。

优选地，作为本申请技术方案之一，所述步骤4）中的单螺杆挤出机的基础温度为140℃~150℃，螺杆转速为10rpm~40rpm。

优选地，作为本申请技术方案之一，所述冲压式挤出机模具的长度为0.5m~2m，温度为220℃~240℃。

一种应用于上述一种交联聚乙烯PEX-A管材生产工艺的原料高速混合机，所述原料高速混合机包括混合罐体，所述混合罐体包括与其内部连通的混合入料口，所述混合入料口位于混合罐体的顶部；所述混合罐体内设置有搅拌轴，搅拌轴的中心轴线与混合罐体的中心轴线重合，且所述搅拌轴被位于混合罐体顶部的搅拌驱动器驱动；所述搅拌轴通过内连杆连接有内搅拌杆，所述内搅拌杆与混合罐体的内壁之间设置有外搅拌杆，外搅拌杆通过外连杆与搅拌轴连接；所述外搅拌杆与内搅拌杆交替设置并绕搅拌轴的中心轴线均布；所述混合入料口与初级分散罐体连接，初级分散罐体具有与其同轴设置的筛筒驱动轴，筛筒驱动轴在位于初级分散罐体内部的位置处固定连接有分散筛筒，分散筛筒的外壁上具有若干通孔；所述分散筛筒位于初级分散罐体的入口下方，且所述分散筛筒的外壁与所述初级分散罐体的内壁之间留有足够物料通过的距离；所述初级分散罐体的入口连接有入料管，入料管的内部设置有入料绞龙，入料绞龙被入料绞龙驱动器驱动，且所述入料绞龙驱动器位于入料管的单料入料口处。

优选地，作为本申请的技术方案之一，所述混合罐体的底部为与其同轴设置的锥形出料端，混合出料口位于锥形出料端的底端且与锥形出料端的内部连通，在搅拌轴伸入至锥形出料端的位置处固定连接有螺旋搅拌叶片，所述螺旋搅拌叶片在沿搅拌轴向混合罐体与锥形出料端连接位置处延伸时，所述螺旋搅拌叶片的半径逐渐增加；所述外搅拌杆具有与混合罐体内壁、锥形出料端内壁平行设置的垂直段和倾斜段，垂直段与倾斜段的连接位置处形成钝角结构；所述内搅拌杆、外搅拌杆上均设置有若干搅拌斜杆。

优选地，作为本申请的技术方案之一，所述混合罐体及锥形出料端的外壁上设置有混合罐加强筋，混合罐加强筋绕混合罐体的中心轴线均布。

优选地，作为本申请的技术方案之一，所述初级分散罐体包括固定为一体的缩径段、直筒段，所述分散筛筒具有位于缩径段内的扩口入料段，扩口入料段与位于直筒段内的筛分筒体段固定为一体，且扩口入料段与筛分筒体段的连接位置处采用圆滑过渡；所述筛分筒体段通过底部连接端与筛筒驱动轴的底端固定连接。

优选地，作为本申请的技术方案之一，所述底部连接端的截面为三角形，其具有向分散筛筒上的通孔倾斜的斜向引导面。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过将不同重量份的高密度聚乙烯树脂、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯)酯首先形成熔合物I后再与过氧化二叔丁基混合形成熔合物II，熔合物II再经过单螺杆挤出机形成熔合物III，在对熔合物III经冲压式挤出机模具成型和交联后形成交联聚乙烯PE-Xa管材，相比单纯的冲压式挤出机，能更好地实现不同重量份原料的充分混合，且使得管材的交联度分布更加均匀，不存在鸟笼式的微交联胶囊，管材的抗氧化性能也更加持久和均匀。

2、本发明能够有效将抗氧剂等粉体添加剂更加有效、更大程度上发挥抗氧剂的作用，使得在PE-Xa管材生产过程中能够完全塑化且均匀地分散在高密度聚乙烯树脂中。

3、本发明能够有效提高交联聚乙烯PE-Xa管材的生产速度，使得交联聚乙烯PE-Xa管材的生产速度达到5~10m/min。

4、本发明中所述的高速混合机能够实现原材料混合效率和混合质量的提升，有助于与上述工艺配合实现交联聚乙烯PE-Xa管材生产质量及生产速度的提升，通过采用含有入料绞龙的入料管、初级分散罐体的结构，实现了物料在混合罐体内的初始分布效率的提升，便于后续物料在混合罐体内的搅拌混合，且能够一并提高搅拌装置的灵活性。

附图说明

图1是产生以独立颗粒的形态镶嵌于管壁上的抗氧剂小颗粒图像。

图2是本发明的整体及安装位置示意图。

图3是本发明的整体结构示意图一。

图4是本发明的整体结构示意图二。

图5是本发明中混合罐体的结构示意图。

图6是本发明中入料管及初级分散罐体的结构示意图一。

图7是本发明中入料管及初级分散罐体的结构示意图二。

图8是本发明中入料管及初级分散罐体的内部结构示意图。

图9是本发明中内搅拌杆与搅拌斜杆的位置示意图。

图中：1、单料入料口；2、入料绞龙驱动器；3、楼板；4、入料管；5、初级分散驱动器；6、初级分散罐体；7、混合入料口；8、混合罐体；9、混合罐加强筋；10、锥形出料端；11、混合出料口；12、搅拌驱动器；13、搅拌轴；14、内连杆；15、外连杆；16、内搅拌杆；17、外搅拌杆；18、搅拌斜杆；19、入料绞龙；20、分散筛筒；21、筛筒驱动轴；22、螺旋搅拌叶片；23、筛筒加强筋；61、缩径段；62、直筒段；171、垂直段；172、倾斜段；201、扩口入料段；202、筛分筒体段；203、底部连接端。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明所述的技术方案作进一步地描述说明。

实施例1

一种交联聚乙烯PE-Xa 管材生产工艺，所述交联聚乙烯PE-Xa管材由以下重量份的成份制作而成，包括高密度聚乙烯树脂100份、过氧化二叔丁基0.2份、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.2份、亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯)酯 0.1份。将上述原料中的高密度聚乙烯树脂100份、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.2份、亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯)酯 0.1份送入到高速混合机中进行混合，混合时间为5分钟，通过粉体计量称后送入至双螺杆挤出机主喂料口，在双螺杆挤出机中完成塑化和均匀混合并形成熔体物I，并控制双螺杆挤出机的挤出温度在140℃，双螺杆挤出机的转速为100rpm。

通过液体计量泵将所述0.2份的过氧化二叔丁基送入至双螺杆挤出机中，并且与熔体物II在双螺杆挤出机中混合均匀并形成熔体物II。

将混合均匀的熔体物II从双螺杆挤出机中送出至单螺杆挤出机中，在单螺杆挤出机中进一步混合并建压以形成熔体物III，此时单螺杆挤出机的挤出温度为140℃，单螺杆挤出机的转速为10rpm，单螺杆挤出机的机头压力为25MPa。

将熔体物III从单螺杆挤出机送出至模具中以完成交联聚乙烯PE-Xa管材的成型和交联，所述模具的长度为0.5m，模具的温度为220℃。

模具送出并经过冷却定型得到交联聚乙烯PE-Xa管材。管材的牵引速度为6m/min。

实施例2

一种交联聚乙烯PE-Xa 管材生产工艺，所述交联聚乙烯PE-Xa管材由以下重量份的成份制作而成，包括高密度聚乙烯树脂100份、过氧化二叔丁基0.7份、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.25份、亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯)酯 0.2份，将上述原料中的高密度聚乙烯树脂100份、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.25份、亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯)酯 0.2份送入到高速混合机中进行混合，混合时间为7分钟，通过粉体计量称后送入至双螺杆挤出机主喂料口，在双螺杆挤出机中完成塑化和均匀混合并形成熔体物I，并控制双螺杆挤出机的挤出温度在150℃，双螺杆挤出机的转速为120rpm。

通过液体计量泵将所述0.7份的过氧化二叔丁基送入至双螺杆挤出机中，并且与熔体物II在双螺杆挤出机中混合均匀并形成熔体物II。

将混合均匀的熔体物II从双螺杆挤出机中送出至单螺杆挤出机中，在单螺杆挤出机中进一步混合并建压以形成熔体物III，此时单螺杆挤出机的挤出温度为150℃，单螺杆挤出机的转速为20rpm。

将熔体物III从单螺杆挤出机送出至模具中以完成交联聚乙烯PE-Xa管材的成型和交联，所述模具的长度为1m，模具的温度为230℃，单螺杆挤出机的机头压力为28MPa。

模具送出并经过冷却定型得到交联聚乙烯PE-Xa管材。管材的牵引速度为7.5m/min。

实施例3

一种交联聚乙烯PE-Xa 管材生产工艺，所述交联聚乙烯PE-Xa管材由以下重量份的成份制作而成，包括高密度聚乙烯树脂100份、过氧化二叔丁基1份、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.6份、亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯)酯 0.3份。将上述原料中的高密度聚乙烯树脂100份、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.6份、亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯)酯 0.3份送入到高速混合机中进行混合，混合时间为7分钟，通过粉体计量称后送入至双螺杆挤出机主喂料口，在双螺杆挤出机中完成塑化和均匀混合并形成熔体物I，并控制双螺杆挤出机的挤出温度在140℃，双螺杆挤出机的转速为120rpm。

通过液体计量泵将所述1份的过氧化二叔丁基送入至双螺杆挤出机中，并且与熔体物II在双螺杆挤出机中混合均匀并形成熔体物II。

将混合均匀的熔体物II从双螺杆挤出机中送出至单螺杆挤出机中，在单螺杆挤出机中进一步混合并建压以形成熔体物III，此时单螺杆挤出机的挤出温度为150℃，单螺杆挤出机的转速为30rpm。

将熔体物III从单螺杆挤出机送出至模具中以完成交联聚乙烯PE-Xa管材的成型和交联，所述模具的长度为1.5m，模具的温度为230℃，单螺杆挤出机的机头压力为30 MPa。

模具送出并经过冷却定型得到交联聚乙烯PE-Xa管材，管材的牵引速度8m/min。

实施例4

一种交联聚乙烯PE-Xa 管材生产工艺，其配方和工艺与实施例3相近，不同之处在于

单螺杆的转速为40 rpm，单螺杆挤出机的机头压力为33MPa，管材的牵引速度9m/min。

实施例5

一种交联聚乙烯PE-Xa 管材生产工艺，其配方和工艺与实施例4相近，不同之处在于单螺杆挤出机的机头压力为35MPa，模具的长度为1.8 m，管材的牵引速度8.5m/min。

在上述实施例的基础上，以实施例3为参照，设置对比例1，对比文件1中所采用的配方组成与实施例3相同，其制备过程如下：将高密度聚乙烯树脂、过氧化二叔丁基、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯)酯在高速混合机中混合5分钟送入冲压式挤出机，在挤出机中完成挤管。挤出机温度220℃，管材牵引速度1m/s。

参照国标GB/T18474、GB/T19466和GB/T6111的测试方法对本发明实施例1至实施例3、对比例1中所得到的管材进行测试，测试结果如下表所示：

从表中数据可以看出，本发明实施例交联度等各项指标均优于对比例，采用冲压试挤出机的对比例1，其氧化诱导时间明显下降，抗氧化能力大幅下降。这是由于冲压机没有混合剪切的作用，导致抗氧剂和交联剂分散很不均匀，从而无法有效的提升材料的抗氧化性能。

同时可以看出，单螺杆挤出机的转速和模具长度对管材的性能有较大的影响。提高单螺杆转速，可以明显提高管材的挤出速度，但会降低管材在模具中的停留时间，管材的交联度会降低，氧化诱导时间会提升；提高模具长度，将提高管材在模具中的停留时间，管材的交联度会提高，氧化诱导时间降低，爆破压力提升明显。

如图2至图9所示，本发明公开了一种原料高速混合机，包括入料管4，所述入料管4的入口端及出口端均与水平面垂直设置，在入料管4的入口端和出口端之间连接有相对于水平面倾斜设置的斜管，斜管内设置有入料绞龙19，所述入料绞龙19的两端轴体分别穿过入口端、出口端后伸出。在入料绞龙19的轴体与入口端、出口端连接的位置处设置有带密封结构的轴承，轴承可位于轴承套内，轴承套固定连接于入口端、出口端处的入料管4上。

在本发明中，所述的入料绞龙19被入料绞龙驱动器2驱动，入料绞龙驱动器2为带有减速机构的驱动电机。所述入料绞龙驱动器2可以被设置于楼板3上，入料管4穿过楼板3后伸出，并且可在入料管4与楼板3的连接位置处采用辅助件进行吊装，以本领域的技术人员在现有技术下可实现为准。

所述入料管4的出口处连接于初级分散罐体6的入口端，初级分散罐体6的入口端位于初级分散罐体6的盖体上并且绕初级分散罐6的中心轴线均布。如图6至8所示，所述初级分散罐6为底部开口的中空圆柱形罐体，其包括缩径段61、直筒段62，缩径段61与直筒段62构成一体，且缩径段61的最大内径大于直筒段62的内径，所述缩径段61的最小内径与直筒段62的内径相同，缩径段61的顶端开口处设置有含入口端的盖体。

所述初级分散罐体6的中心轴线处还设置有筛筒驱动轴21，筛筒驱动轴21伸出初级分散罐6的盖体后被初级分散驱动器5驱动，初级分散驱动器5为具有减速机构的驱动电机。所述筛筒驱动轴21在位于初级分散罐体6的内部区域固定连接有分散筛筒20，分散筛筒20的外壁上分布有若干通孔，通孔构成分散筛筒20的筛孔。所述分散筛筒20的结构如图7所示，其包括扩口入料段201，扩口入料段201位于缩径段61内，且可设置成与该位置处的缩径段61内壁平行。所述扩口入料段201与筛分筒体段202固定为一体，两者的连接位置处采用圆滑过渡。所述筛分筒体段202的底端具有收口结构并通过底部连接端203封堵，底部连接端203与筛筒驱动轴21固定为一体。本发明中所述的筛筒驱动轴21的截面为三角形，其具有向分散筛筒上的通孔所在方向倾斜的斜向引导面。同时，本发明中所述的分散筛筒20的外壁上还设置有与其一体且同轴设置的环状结构的筛筒加强筋23。

本发明中所述的初级分散罐6的出口通过法兰结构连接于混合入料口7上，而混合入料口7分布于混合罐体8顶部的盖体上。本发明中所述的混合罐体8的结构如图5所示，其包括圆筒状结构的罐体，在混合罐体8的底部连接有与其一体的锥形出料端10，锥形出料端10的底端设置有混合出料口11，所述混合罐体8及锥形出料端10的外壁上固定连接有若干混合罐加强筋9，混合罐加强筋9起到支撑与加强上述两者强度的作用，同时还能够通过螺栓等与支架连接，以实现混合罐体8及锥形出料端10与所在基座的连接，并使得混合出料口11与基座之间留有足够出料的距离。

在本发明中，所述的混合罐体8的中心轴线处设置有搅拌轴13，所述搅拌轴13被位于混合罐体8盖体上的搅拌驱动器12驱动，所述搅拌驱动器12带动搅拌轴13在混合罐体8内转动。所述搅拌轴13向下延伸至锥形出料端10内，并且在位于锥形出料端10内的位置处固定连接有螺旋搅拌叶片22，螺旋搅拌叶片22具有随锥形出料端10内壁一同变大的半径，以使得螺旋搅拌叶片22在锥形出料端10的高度方向上始终与锥形出料端10的内壁具有较为一致的间距。

所述搅拌轴13在位于混合罐体8内的位置处固定连接有内连杆14、外连杆15，所述内连杆14与内搅拌杆16固定连接，所述外连杆15与外搅拌杆17固定连接，所述内搅拌杆16与外搅拌杆17上均分布有若干搅拌斜杆18，搅拌斜杆18的端部与混合罐体8的内壁之间留有可供搅拌转动的余量。

如图9所示，所述搅拌斜杆18向背离转动的方向倾斜，且所形成的夹角α为锐角。搅拌斜杆18能够有效增加边沿物料的搅拌分散效果。

在本发明中，所述的外搅拌杆17与内搅拌杆16交替设置在搅拌轴13的周向方向上，且绕搅拌轴13的中心轴线均布。内搅拌杆16上搅拌斜杆18能够对外搅拌杆17与搅拌轴13之间的物料进行分散搅拌。同时，作为优选的技术方案，所述搅拌斜杆18分布于内搅拌杆16的两侧。

本发明中，所述的外搅拌杆17为L型结构，其包括垂直段171、倾斜段172，垂直段171与倾斜段172的连接位置处构成夹角β，夹角β为钝角。本发明中所述的垂直段171相对于水平面垂直设置，所述倾斜段172相对于水平面倾斜设置，且所述倾斜段172位于锥形出料端10内，而所述垂直段171位于所述混合罐体8内。

本发明中所述的螺旋搅拌叶片22能够将位于锥形出料端10内的物料向上翻出，并使得周边被外搅拌杆17搅动的物料进入到靠近锥形出料端10中心轴线的位置处。在本发明中，所述的内搅拌杆16及其上所设置的搅拌斜杆18均能够将位于靠近中心轴线处的物料向外部输送。上述三者的配合能够有效实现物料在混合罐体8的循环搅拌，进而有效增加搅拌效率。

本发明在使用时，需要将不同的原料通过单料入料口1送入至入料管4，并且在入料绞龙驱动器2驱动的入料绞龙19的作用下送入入料管4的出料端，直至进入到初级分散罐体6中，入料绞龙19的搅拌送料还能够对结块的物料进行破碎。由于入料管4的出料端位于初级分散罐6内的分散筛筒20的入口上方，因此，进入到初级分散管体6内的物料会掉落于分散筛筒20内。

所述分散筛筒20被初级分散驱动器5驱动的筛筒驱动轴21带动并转动，通过转动所产生的离心力对分散筛筒20内的物料进行再次分散，被分散的物料经由分散筛筒20上的通孔进入到初级分散罐体6中，并以较为分散的方式进入到混合入料口7内，进而进入到混合罐体8中。

本发明中所述的混合罐体8内设置有搅拌轴13，所述搅拌轴13能够在搅拌驱动器12的驱动下转动，并带动内搅拌杆16、外搅拌杆15及其上所分布的若干搅拌斜杆18对落于混合罐体8内的物料进行搅拌混合，同时，在锥形出料端10内的螺旋搅拌叶片22能够对位于锥形出料端10内的物料进行搅拌，避免物料沉积于混合出料端11。

所述混合出料端11处设置有放料阀门，在搅拌完成后，放料阀门打开能够使得物料从混合出料端11处排出。

最后，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。