地暖管内壁表面粗糙度的研究
地面辐射采暖具有节能环保和舒适安全的优点，符合政府大力倡导的节能减排和可持续发展理念，因此，地暖在中国获得了超高速发展。据统计，在我国东北、华北和西北地区，地暖在新建建筑中所占采暖方式的比例已经超过50%，不少北方城市的地暖已经占到采暖方式的90%以上。而长江流域依经济发展水平、技术和信息发达程度不同，地暖所占比例也达到了10～30%。在目前的地暖应用中，以通低温热水的水地暖占了较大比例。
水地暖系统在使用几个采暖季后，地暖管道的内壁有可能会形成生物粘泥、泥沙和水垢附着，结垢速度因各地区水质不同而有所不同。结垢严重者可致热水循环不畅，影响供暖效果。有人计算过，地暖管内壁污垢厚度每增加1mm，供暖的室内温度下降6℃。为解决此问题，地暖应用较广泛的北方城市出现了专业的地暖清洗公司对用户家的地暖管道进行清洗。清洗管道按平方收费，常用的有物理清洗法和化学清洗法两种。
地暖管内壁污垢的沉积速度除了与采暖供水的水质、流速及地暖回路的设置方式有关外，与地暖管内壁的表面粗糙度也密切相关。表面粗糙度是指管材表面具有的微小峰谷不平度，即波峰与波谷之间高度差。表面粗糙度越小，则表面越光滑，污垢越难附着。因其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小，用肉眼很难区别，国标GB/T1031-2009《产品几何技术规范 表面结构 轮廓法 表面粗糙度参数及其数值》中规定了采用中线制（轮廓法）评定表面粗糙度的测量方法和仪器。本文的表面粗糙度数据即按此标准而测量所得。
国内目前使用的地暖管品种分为PE-RT，PEX-a和PEX-b管,收集了市面上各主流品牌的地暖管材，按国标GB/T 1031-2009对各地暖管内壁表面粗糙度测试数据列于表1。
从表1数据看出，三种地暖管中，PEX-b管的内壁表面粗糙度在0.301～0.770μm之间；PE-Xa管的内壁表面粗糙度在0.191～0.368μm之间；而地暖行业用量最大的PE-RT地暖管，各品牌管材内壁表面粗糙度的实测值在0.061～0.768μm之间。各品牌PE-RT地暖管内壁表面粗糙度差异较大，说明不同原料性能和生产工艺对PE-RT管材内壁表面粗糙度的影响较大。本文对不同PE-RT原料和成型工艺对地暖管内壁的表面粗糙度作了初步的研究, 通过工艺和材料的优化，获得了一种低表面粗糙度的“日丰PE-RT精品管”。
1 实验部分
1.1 试验原料
选取目前国内PE-RT管材市场常用的四个牌号原材料：
SP980， PE-RT，LG化学
DX800，PE-RT，SK公司
2388， PE-RT，陶氏化学
XRT70，PE-RT，道达尔
1.2 试验仪器和设备
塑料熔融指数测试仪，KJ-3092，科建仪器公司
φ75单螺杆挤出机，长径比32，杭州双林机械设备有限公司
表面粗糙度测试仪，TR200，上海峰志仪器有限公司
1.3 样品制备
样品制作流程：混料→单螺杆挤出→真空定径→冷却→干燥→检测；
制作相同生产工艺不同原材料的测试样管时，螺杆转速和工艺温度设置恒定，每一种原材料持续生产1h后取样。
制作相同原材料不同生产工艺的测试样管时，原材料保持不变，每一种工艺温度和螺杆转速（生产速度）均保持1h后取样。
1.4 性能测试与结构表征
按GB/T 1031-2009测试管材内表面粗糙度
2 结果与讨论
高聚物制品的表面粗糙度是由高聚物的分子量及其分布、结晶度和加工时分子链的取向和解取向共同作用而形成。下面通过三组对比实验来探讨以上因素对管材表面粗糙度的影响。
2.1 分子量及分子量分布对PE-RT地暖管内表面粗糙度的影响
选取地暖行业常用的四个PE-RT原材料牌号，在相同的加工工艺下挤出管材，测试其管材内壁粗糙度，并与不同重锤下实测熔体流动指数MFR比较,结果如表2：
（温度设置：175℃ 185℃ 190℃ 195℃ 200℃ 205℃/210℃ 210℃ 215℃ 215℃；螺杆转速60rpm；生产速度17.5m/min）
从上表中看出，四种PE-RT管材的内壁表面粗糙度从大到小依次为DX800＞XRT70＞2388＞SP980，与熔流比MFR2/MFR1的比值呈反向关系。对于同种结构的高聚物，分子量越小, 流动性越好, 相同工艺条件下的表面粗糙度越小. 如果分子量相当, 即2.16kg重锤下的熔体流动指数MFR1值相近时，熔流比MFR2/MFR1的比值越大，表明该牌号高聚物分子量分布越宽、挤出流平性越好，制品的表面粗糙度越小。四种常用牌号PE-RT原料中,SP980的熔流比MFR2/MFR1最大，分子量分布最宽。故在相同的生产工艺下管材的内壁表面粗糙度最小.
2.2 加工温度对PE-RT管材内壁表面粗糙度的影响
选取SP980，在175℃～235℃范围内设定三个加工温度区间，螺杆转速固定为60rpm（17.5m/min）的条件下，测试其样管的内壁表面粗糙度数据。
SP980在60rpm螺杆转速下不同加工温度的内壁表面粗糙度对比
条件1：175℃ 185℃ 190℃ 195℃ 200℃ 205℃/210℃ 210℃ 215℃ 215℃
条件2：185℃ 195℃ 200℃ 205℃ 220℃ 225℃/220℃ 220℃ 225℃ 225℃
条件3：195℃ 205℃ 210℃ 215℃ 230℃ 235℃/230℃ 230℃ 235℃ 235℃
从中可以看出，加工温度与管材内壁粗糙度系数呈反向关系。加工温度越高，管材内壁粗糙度越小。原因是随加工温度提高，熔体粘度减小，挤出熔体的流平性变好，表面粗糙度更小,管材宏观表现为内壁更光滑。因此, 提高加工温度有利于降低表面粗糙度, 但要注意过高的温度有使聚合物分解的风险, 从而影响到管材的使用寿命。
2.3 不同生产速度对PE-RT管材内表面粗糙度的影响
SP980在2.2中条件1的温度设定下，不同生产速度的管材内表面粗糙度测试结果中可以看出，螺杆转速越大，管材内表面粗糙度也随之增大。但螺杆转速对管材内表面粗糙度的影响较为复杂，一方面随螺杆转速增大，熔体受到的剪切力越大，熔体的粘度下降，挤出流平性变好，管材表面更光滑；另一方面,随螺杆转速增大时，大分子链的取向增大，当口模平直段长度不足以消除其取向应力松驰时,从口模中挤出的熔体，因其所受到的压力突然消失而产生解取向，大分子链急剧回弹,导致制品的表面粗糙度变大。而且当螺杆转速增大后，生产速度随之加快，熔体在流道内停留时间缩短。一般来讲，熔体在挤出机内停留时间越长，流平性越好，挤出的制品表面越光滑。因此，在原材料和加工温度一定的情况下，生产速度越慢，管材的表面粗糙度越小。
3 结束语
通过上述实验,我们大致可以得出如下几个结论:
1、在常用的4个牌号PE-RT原材料中（SP980、2388、DX800、XRT70），熔流比最大的SP980制品内壁表面粗糙度系数最小。
2、提高加工温度可以降低PE-RT管材的内壁表面粗糙度系数。
3、生产速度越慢，熔体停留时间越长，熔体受到的剪切力越小，PE-RT管材的内壁表面粗糙度系数越小。
但实际生产过程中，影响管材内壁表面粗糙度的因素还有很多,如结晶度和结晶形态(球晶大小) 的影响，口模加工精度和冷却水温的影响等等，因此，要想稳定地生产低表面粗糙度的PE-RT管材还需要更深入的研究。
究竟表面粗糙度对地暖管表面结垢影响有多大,我们可以比较一下两种不同表面粗糙度的地暖管内壁的扫描电镜照片。
从图5图6中可以看出，放大500倍后表面粗糙度为0.577um的普通PE-RT管材内壁表面凹凸不平，呈沟壑状分布，容易附着、粘连污垢；而表面粗糙度为0.051um的精品PE-RT管材内壁微观表面就比较光滑、细腻，基本没有凸起和凹陷的部分，相同水质条件下,不易粘附污垢。
细节决定成败，本文试图通过对地暖管内壁粗糙度的初步研究，呼吁行业同仁能够去关注地暖系统内部一些不为人知的技术细节。只有这样的精益求精，我们地暖行业才能不断的进步和发展。
