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节能环保型塑覆铜水管及其挤出加工
上海宝洋塑业有限公司 周宝茂
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塑覆铜水管是近年来发展起来的一种新型管材，尤其是由于房地产行业的迅速发展给塑覆铜水管行业带来巨大的商机。
铜水管的特性
铜水管用于建筑领域有着悠久的制造及使用历史，考古学家在古埃及金字塔内发掘出的一段5000年前的供水管道就是铜制造的至今仍可使用。在我国铜质水管道的应用也有史可查，如北京协和医院、上海国际饭店、瑞金宾馆等上世纪20年代安装的铜水暖件历经80年左右的沧桑至今依然性能良好。在经济发达国家和地区铜水管早已成为建筑给水管材首选材料，例如：美国、加拿大、澳大利亚等国85%的给水系统是铜质的，英国达到95%；而在欧洲、东南亚新加坡、我国的香港等铜质给水管的比例也高达75%以上。铜水管之所以应用如此广泛是因为有以下优点特性：
1、铜的晶体结构为面心立方晶格，因而它的塑性好而没有低温脆性、易于加工、连接和安装。
2、铜可以承受很高的温度而又不会产生副作用或长期老化现象，同时铜能防腐、耐高水压、不会燃烧、在高温环境下仍能保持其形状和强度、永不变质，真正保用50年以上。
3、无论细菌、氧气或紫外线都不能够穿过铜，寄生虫也无法栖息在铜管内，而且铜管能防止管外的污染物如：石化药剂和杀虫剂等污染管内的水质，因此使用铜管非常安全。
4、铜离子可抑制水中细菌滋生并有益身体健康，没有其它管道材料可以与铜管在卫生健康方面相提并论，铜管拥有独特的抑菌功能，水中有害人体的多种细菌如：大肠杆菌、葡萄球菌、链球菌等绝大部分在铜管中几个小时内就被杀死。
建筑用铜水管与现行的各种水管材料（镀锌钢管、镀锌衬塑管、不锈钢管、PP-R塑料管、PVC塑料管等）相比具有诸多好处，其中突出的优点是：铜对人体和环境的友善性，铜是人体健康不可缺少的微量元素，而威胁人类健康的各种细菌在铜的表面不能存活，铜水管内能保障水质的清洁、卫生无菌，铜水管外部的油脂、碳水化合物、细菌、病毒、有害液体、氧气及紫外线均不能穿过铜管污染管内。
铜塑覆合水管为裸铜水管“锦上添花”
铜管输送冷水或热水具有安全、卫生、灭菌、长寿等多种优点，但因铜是热的良导体其导热系数高达383.3w/m.k，输送热水水温下降过快，输送冷水易在低温下管内结冰，而且冷热交替对管外混凝土建筑材料带来不良影响。裸铜管作为建筑供水管的不足之处可通过铜塑复合技术解决。
采用内层为铜管、外层为聚乙烯或聚丙烯（PPR）塑料的铜塑复合结构，可扬长避短，是新一代高档建筑供（冷、热）水管材。
微孔塑覆铜水管
为了避免传统金属管道和塑料管道的缺点，可选用微孔发泡塑料复合铜管的三层结构设计， 用N2发泡技术和“一步法”成型工艺生产微孔塑覆金属管，这种给水管具有保温、隔热、防冻、抗菌的效果。
适合直饮水输送材质标准的纯紫铜管作为防冻、保温抗菌型铜水管的首选基材，设计合理的产品结构，开发气体发泡塑料技术和挤出复合技术作为产品的加工工艺，设计合理的模具结构，是本项目研究的重要技术内容。
1、纯紫铜管与其他金属管材和非金属管材相比，具有以下优点：
● 强度大 — 比塑料管材坚硬，具有金属的高强度特性。
● 韧性好 — 比一般金属易弯曲、易扭转、不易裂缝、不易折断。
● 延展性强 — 可制成薄壁铜管及配件，重量轻，仅为同径钢管的1/3。
● 适配性强 — 纯紫铜管材及其配件品种规格较齐全，直径范围大，可从F6mm-250mm任意选用，能满足工程安装中管道布线和互相连接的需求，尤其在现场施工中管件的临时截断、折弯、打痕和焊接等非常方便。
● 经久耐用 — 铜是一种质地坚硬的金属，在化学活性排序中的序位很低，比氢还靠后，仅高于银、铂、金，性能稳定不易被腐蚀，因此用铜制的管材、配件及容器可以用于输送冷热水、海水、油类、酸、醇和非氧化性有机流体及煤气等，用途广泛。不污染流体，不易积存污垢，一旦完工可长期使用，几乎无需修理更换。
● 卫生健康 — 铜能抑制细菌生长，保持饮用水清洁卫生，英国应用微生物研究中心的一项研究表明，使用铜水管可以对饮用水中的一些致病生物体，尤其是大肠杆菌产生抑制作用。99%以上的水中细菌在进入铜管5小时后便被杀灭。
● 具有不可渗透性 — 铜制管材及其配件坚固密实，铜的表面形成了一层密实坚硬的保护层，无论是油脂、碳水化合物、细菌和病毒、有害液体、氧气或紫外线均不能穿过，也不能侵蚀它而污染水质。寄生物不能栖息于铜表面使其软化，这是塑料管道所不具备的性能。
2、N2发泡塑料研究
塑料泡沫如何具有最佳的隔热保温效果及适应一步法挤塑工艺生产技术是本项目的重要研究内容之一。物理发泡方式（气体）因泡体具有封闭的气泡结构而比化学发泡方式（化学发泡剂）的开孔结构的隔热能力提高数倍。封闭的气泡中填充气体种类也直接影响泡体的隔热能力，空气的导热系数（0℃时，单位为kcal/m.h.℃）为0.021，而空气中N2的导热率为0.0172，且来源广泛，价格便宜，用N2充填气泡形成的泡体其隔热效果具有较低值。因此本项目选择了N2作为填充气体。
3、保护层塑料的研究
发泡塑覆保温铜管的泡体表面有一层外表保护，其材料应具有一定机械强度，起到保护发泡体不易受到损坏，还应有防腐、抗光热老化、防火阻燃的作用。塑料的选择可以是聚乙烯，也可以是其他材料。
4、产品结构设计
在产品结构设计上，本项目产品的结构见图1。

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图1 发泡体塑覆保温管结构图

图中三层结构材料有机组合，各尽其能。铜金属管起安全输送作用，便于安装连接，N2充填的发泡体起到隔热、防冻保温作用，其封闭的气孔结构起到了保证管道输送畅通、隔热及防潮防露的功能。外保护层具有防止发泡体受损、防火阻燃、具有一定的机械强度和防老化作用，延长了管道的使用寿命。
5、工艺开发技术路线
两步法分两次将塑料挤出喷注于金属表面，由于先挤出的塑料冷却快于外层塑料，形成复合结构保温金属管，这一工艺难以控制，生产成本高。因此本项目在国内首先采用一步法成型技术生产保温塑复铜管，将塑料发泡体和铜管经挤出成型紧密结合在一起形成三层结构的成型技术。本项目采用的生产工艺流程见图2。

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图2 生产工艺流程图

6、共挤出模具设计
经过表面处理和预热处理的铜金属管连续不断通过塑料共挤出复合模具，塑料发泡体首先包覆铜金属管，外保护塑料层再包覆发泡体形成三层复合管，共挤出模具的合理结构非常重要。本项目经过技术研究，设计出能够实现金属管的表面处理 — 预热 — 发泡层挤出、外保护层挤出成型 — 冷却的模具结构，解决了共挤出的复合技术问题。
7、产品性能
一般家庭用热水的使用温度介于常温和80℃之间，在此温度范围内，钢筋混凝土在常温下的导热系数为1.628w/m.k，水的热量极易散失，造成管道末端无法达到所需温度。若水管温度直接传热到混凝土中，会造成混凝土周期性热胀冷缩引起内应力的反复变化，造成混凝土龟裂及材料疲乏，加速混凝土老化。暗埋热水系统管道的保温性能好坏，会影响建筑物的寿命以及能耗。本项目形成的以聚乙烯发泡塑覆保温铜管的性能见表1。
8、应用效果
由于本项目产品的防冻保温性能是其他水管道无法相比的，并配有自粘式发泡保温带保温管件，因此在建筑工程管道输送系统和民用装潢市场得到了广泛使用。在提高饮用水安全性和节约能源方面都起到了很好的效果。本项目产品还可以应用到民用天燃气、煤气、氧气及对铜无腐蚀作用的其他介质的输送系统中。
共聚丙烯PP-R内衬铜增强复合管
一种共聚丙烯（PP-R）塑料与铜金属管的复合管，其包含有铜管、PP-R塑料和胶粘层及抗铜老化剂。胶粘剂、抗铜老化剂层设置在铜管和PP-R塑料管层之间，并为一次性热熔粘结共挤出复合成为一整体结构。
其特点是在内层铜管的外侧沿周向和纵向均匀挤塑包覆PP-R塑料层,同时包覆具有抗铜老化性能的粘结剂中间层，三层为一次性热熔粘结挤出复合成一整体结构，此结构形成的产品能够提高管材的强度、刚度以及高温下的尺寸稳定及耐蠕变性能，并适应PP-R热熔焊接技术，建立了“一次焊接、终身连接、滴水不漏、永无隐患”的安全供水新概念，以及整个供水系统为全铜触水设计组合技术。供热水管道系统最高使用温度达100℃，（PP-R塑料管长期使用温度为70℃）质量安全可靠，100%隔氧，彻底消除渗透，耐腐蚀性极佳，可直接埋放于地下，消除管路老化隐患，延长了管道使用寿命，且PP-R管导热系数为0.21w/m.k仅为钢管的1/200，用于热水管道具有一定的保温节能效果，施工方便，比镀锌钢管、裸铜管安装效率高出了3-5倍，是目前极为理想的适于多种应用场合和环境的卫生用水管道系列产品。聚乙烯（PE）塑覆铜水管见图3。

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图3 PE塑覆铜水管剖面结构

聚乙烯是高韧性材料，常用的聚乙烯品种有高密度聚乙烯（HDPE）、中密度聚乙烯（MDPE）和低密度聚乙烯（LDPE）以及交联聚乙烯（PEX），它们具有比重小，强度和重量比值高，适用温度范围较广（-70~110℃）等特点。聚乙烯塑料层的压力松驰特性可有效地通过形变消耗应力，可有效地抵抗地下运动和端载荷，因此是抵御地基沉降以及温差伸缩的优秀的复合管道层。
因此，建筑用裸铜水管的不足之处可通过铜塑复合技术予以解决。无论是防止热量从管内散失到管外，还是希望在低温环境下防止管道内结冰都称之为保温，其效果和所用保温材料的导热系数有着直接的关系。通常根据材料的导热系数大小，将其分为四级。
聚乙烯发泡塑覆保温铜管A型、覆铜管B型及裸铜管在加热功率为50W相同条件下，其热损失、表面温度比较结果。
从表4可以看出聚乙烯发泡塑覆保温铜管与塑覆铜管相比，其热损失降低20%，表面温度降低21%；与裸铜管相比，热损失降低50%左右，具有较好的保温性能。
由图4可见，在趋向传热稳定的同等状态下保温管道内外表面温差达30℃。

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图4 发泡塑覆保温铜管内外表面温度随时间变化曲线

图5为第1代齿型塑覆铜管和第2代发泡塑覆保温铜管管外温度随时间变化曲线（电加热功率50W。由图5可见，在横座标为40分时，A型铜管管外温度比B型铜管低12℃，表面温度降低达21%。

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图5 不同塑覆铜管管外温度随时间变化曲线

管道在明设使用时，除了需具备防火阻燃、防烫与节能外，管道在寒冷环境下的防冻性能特别重要，聚乙烯发泡塑覆保温铜管与齿型塑覆铜管在-15℃的环境下，管内静止水的结冻数据表明，聚乙烯发泡塑覆保温铜管具有较理想的抗冻防冻性能。 9/20/2008

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