在保溫管的制作過程中，為了增加聚氨酯發(fā)泡層 與PE外套管之間的粘結(jié)力，需要對(duì)PE外套管的內(nèi) 壁進(jìn)行極化處理。PE管內(nèi)壁的極化處理是通過高壓 放電，微小的電子和正離子轟擊PE管內(nèi)壁，使其表層 的分子獲得電子能后，重新排列交聯(lián)在一起,從而使 中性的聚乙烯表面具極性。聚氨酯泡沫 也是具有極性的物質(zhì)，當(dāng)二者接觸在一起時(shí)就會(huì)很容 易粘結(jié)。我廠在成立初期,購(gòu)買了兩套極化裝置，在 使用過程中我們逐漸發(fā)現(xiàn)了一些問題。一是極化處 理效果逐漸減弱,二是原來的內(nèi)電極在使用過程中也 開始變形,從而導(dǎo)致管材內(nèi)壁有些部位不能得到有效 的極化處理。若重新購(gòu)置設(shè)備，則價(jià)格非常昂貴。為了節(jié)省資金,我們從PE外套管的極化處理工藝原理 出發(fā),找到問題的關(guān)鍵所在，開發(fā)設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)實(shí)用的 極化處理裝置，并獲得了國(guó)家專利。

1問題分析

極化效果的衰減現(xiàn)象表明在線生產(chǎn)時(shí)PE管內(nèi) 壁的電轟擊強(qiáng)度不夠；管材內(nèi)壁的極化處理不均勻 又表明，在現(xiàn)有設(shè)備提供的高壓條件下，內(nèi)電極的變 形造成在其與PE管內(nèi)壁間隙大的地方不能正常放 polarization treatment

電。為了盡量減少投資額，盡量不更改原有 的極化控制設(shè)備，而又解決以上兩點(diǎn)極化處理的缺 陷，就必須搞清楚極化過程中的放電原理，設(shè)計(jì)出有 利于提高電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電子能的效率的內(nèi)電極。

2極化工藝原理

2. 1高壓放電等離子體的產(chǎn)生過程

正離子和電子空間密度（指單位體積內(nèi)的粒子 個(gè)數(shù)）大致相等的電離氣體稱為等離子體，電極間 氣體的絕緣性被破壞的現(xiàn)象稱為絕緣擊穿，又叫放電。如果在電極間沒有一個(gè)電子，全部是中性粒 子，那么無(wú)論在電極間加多高的電壓，都不可能發(fā)生 放電。因此，種子電子（初始電子）的存在是放電開 始的必要條件。PE管的極化處理過程是在常態(tài)的 空氣中進(jìn)行的，而自然界中經(jīng)常有高能宇宙射線、放 射線、紫外線等，它們?nèi)肷涞椒烹?/span>PE管中會(huì)引起電 離，從而產(chǎn)生電子。這種偶然電子成為啟動(dòng)放電的 種子，在電場(chǎng)作用下開始加速、碰撞、電離等連鎖反應(yīng)。這也是極化處理的必要前提條件。

2. 2影響電轟擊效果的因素

電轟擊作用的強(qiáng)弱取決于放電微粒所具有的動(dòng) 能，這部分動(dòng)能是由電場(chǎng)對(duì)放電微粒做功轉(zhuǎn)換而來 的。在放電微粒具有相同的轟擊能量時(shí)，轟擊效果 與放電微粒的數(shù)量有關(guān)。而電子的轟擊能量和放電 微粒數(shù)與放電電壓、電極間距、放電頻率、電場(chǎng)結(jié)構(gòu) 有關(guān)。對(duì)PE管內(nèi)壁作極化處理時(shí)應(yīng)充分利用電場(chǎng) 能，關(guān)鍵是盡量降低放電電壓等級(jí)，提高單位時(shí)間內(nèi) 的放電微粒數(shù)，使放電電流盡可能高。

① 放電電壓與電極間距

當(dāng)陰極和陽(yáng)極間的電壓增加至某一臨界值時(shí)， 電極間的氣體就會(huì)發(fā)生放電，把這個(gè)放電開始的瞬 間電壓稱為著火電壓。著火電壓由氣體壓力和電極 間距的乘積所決定，與陰極材料（它影響著離子 在電場(chǎng)加速作用下轟擊陰極時(shí)二次電離的出射效 應(yīng)）也有關(guān)系。對(duì)于極化處理工藝來說，放電是在 接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的條件下進(jìn)行的，即放電氣體壓力 已確定。而壓力固定時(shí)，電極間距越大，著火電壓越高。電極間距在mm級(jí)以下時(shí)，才可能是著火電壓。對(duì)于平行平板電極形成的電場(chǎng)（見圖1）,很 難實(shí)現(xiàn)mm級(jí)以下的電極間距。針狀電極與平板電 極形成的電場(chǎng)（見圖2、3）,沿線性針狀電極不同的 點(diǎn)對(duì)應(yīng)同一平板電極，相當(dāng)于電極間距在改變。外 加電壓時(shí)，必須保證內(nèi)外電極的間距，否則不會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

+
I

圖1平行平板電極電場(chǎng)線分布

Fig. 1 Distribution for electric field lines of paralleled
planar electrodes

② 放電頻率

在高頻交流電場(chǎng)中，粒子運(yùn)動(dòng)的振幅與質(zhì)量成 反比，并隨頻率的增大而減小。所以在極化處理中 需要釆用高頻交流電，這樣電場(chǎng)中電離出來的電子 由于質(zhì)量較輕，很容易抵達(dá)PE管內(nèi)壁表層產(chǎn)生轟 擊作用，而正離子由于質(zhì)量較大，在未到達(dá)PE管內(nèi) 壁表層前就反向運(yùn)動(dòng)了，如此在電場(chǎng)中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，結(jié) 果電極間出現(xiàn)正電荷空間，這些電荷會(huì)增強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng) 度，從而導(dǎo)致放電著火電壓下降。若繼續(xù)提高頻率,

圖2針狀電極對(duì)平板電極電場(chǎng)線分布

Fig. 2 Distribution for electric field lines of pinshaped electrode to planar electrodes

圖3同軸圓筒電極電場(chǎng)線分布

Fig. 3 Distribution for electric field lines of cylindrical electrodes at same axis 則輕質(zhì)量的電子也會(huì)被電極所約束。這樣，由于電 子長(zhǎng)時(shí)間地滯留在電極之間，所以電離概率變大，著 火電壓降低。但是對(duì)PE管的極化處理工藝來說, 外加電源頻率不能過高，因?yàn)槿绻^高，電離出來的 電子也在內(nèi)外電極之間來回振動(dòng)，而不能到達(dá)PE 管內(nèi)表面對(duì)其進(jìn)行轟擊來改變表層分子結(jié)構(gòu)。

③ 電場(chǎng)結(jié)構(gòu)

電子的激發(fā)直接與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。同時(shí)放電是在電極間距范圍內(nèi)才會(huì)發(fā)生，所以應(yīng)使放電 范圍內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度盡量大。即在盡量減小外加電壓的 情況下，在放電范圍內(nèi)形成局部強(qiáng)電場(chǎng)。下面分析 不同電場(chǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)氣體的放電情況。

圖1中在平行平板電極間施加均勻電場(chǎng)，在一個(gè)大氣壓的干燥空氣、電極間距為1 cm條件下的絕 緣擊穿電壓約為30 kV,這個(gè)結(jié)果得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。 但在圖2、3的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)下，絕緣擊穿電壓要遠(yuǎn)低于 相同電極間距的平行平板電極結(jié)構(gòu)時(shí)的絕緣擊穿電 壓。其原因是電場(chǎng)線集中在針狀電極端附近或者同軸中心導(dǎo)體周圍，使得電場(chǎng)較強(qiáng)。在強(qiáng)電場(chǎng)處局 部容易發(fā)生電離，可以觀察到等離子體的局部發(fā)光 現(xiàn)象。這時(shí)絕緣擊穿后的電流很微弱，會(huì)有不穩(wěn)定 的短脈沖電流流過。

當(dāng)外加電壓為著火電壓時(shí)，電極間形成的局部 強(qiáng)電場(chǎng)附近氣體已經(jīng)能電離放電了。若在著火 電壓的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加外加電壓，則電離出的電子 數(shù)量增多，電子運(yùn)動(dòng)速度加快，放電電流增加,PE管 受到的轟擊效果越好，即極化效果就會(huì)越好。當(dāng)外 加電壓和內(nèi)電極材料選定時(shí)，不均勻電場(chǎng)放電比均 勻電場(chǎng)放電效果好。所以局部強(qiáng)電場(chǎng)的形成，即內(nèi) 電極合理的結(jié)構(gòu)對(duì)放電效果有著極其重要的影響。

3. 解決方法

在極化處理工藝中內(nèi)電極為放電陰極，外電極 為緊箍在PE管外壁上的不銹鋼金屬圈。在高頻交 流放電中，氣體電離出來的大質(zhì)量的正離子在高壓 電場(chǎng)中來回以很小的振幅振動(dòng),停留在兩電極之間， 增加電場(chǎng)強(qiáng)度，降低了著火電壓，同時(shí)質(zhì)量相對(duì)較大 的正離子也很難被加速，避免了它高速撞擊放電陰 極而使電極過熱。

考慮到局部強(qiáng)電場(chǎng)的形成，持續(xù)的高壓高頻放電一般在電極到PE管內(nèi)壁的間距小于4 mm的 區(qū)域內(nèi)發(fā)生，我們綜合圖2和圖3兩種類型的電極 結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)電極進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。由于在放電過程中氣 體電離出來的離子與空氣中的氧氣結(jié)合生成臭氧, 而臭氧的氧化性極強(qiáng)，所以內(nèi)電極要選擇抗氧化性 強(qiáng)的材料。根據(jù)針狀電極并具有抗氧化性兩點(diǎn)要求,我們選擇不銹鋼絲作為內(nèi)電極的主要材料，外加一些PVC板、不銹鋼桿為框架輔助材料。大規(guī)格的 PE管從機(jī)頭擠出成型后，由于自重會(huì)導(dǎo)致扁塌。為了避免扁塌位置處內(nèi)電極與PE管內(nèi)壁的間隙過大 而造成局部不能正常放電，我們把不銹鋼絲制成長(zhǎng) 毛刷狀，并把其纏在圓柱形的內(nèi)電極支架上,設(shè)計(jì)合 理的安裝尺寸，讓內(nèi)電極以過盈配合的方式套在PE 管內(nèi)。這樣，只有不銹鋼絲與PE管內(nèi)壁接觸上的 那一點(diǎn)處（即零間隙處）不能參與放電，其他小于4 mm區(qū)域內(nèi)都能正 常放電。因?yàn)椴讳P鋼絲具有彈性，再加上設(shè) 計(jì)時(shí)已留有過盈量，原先的電極結(jié)構(gòu)造成的 極化效果不均勻的現(xiàn)象就能被很好地避免。

極化控制設(shè)備利用高壓變壓器實(shí)現(xiàn)輸出10 kV 以上的高壓，再利用可控硅實(shí)現(xiàn)高頻輸出。一般在 生產(chǎn)過程中對(duì)于不同規(guī)格的管材，極化控制設(shè)備輸 出頻率無(wú)須做任何調(diào)節(jié)，只是當(dāng)希望極化效果更好 時(shí)，輸出電壓需要更高，所以極化控制設(shè)備應(yīng)該具備 可調(diào)輸止忠到減少投資費(fèi)用，沒有改動(dòng)原有的極化控制設(shè)備以不同規(guī)格的 管材我］又做了大量的試驗(yàn)，總結(jié)出輸出頻率為10 kHz,輸H足化要求。如果對(duì)完全新投資的項(xiàng)目，可以很電易提高自動(dòng) 化控制程度。 

4 結(jié)語(yǔ)

極化處理工藝在保溫管的制作過程中不可缺少，制造廠家的極化處理設(shè)備也各不相同。我們?cè)O(shè) 計(jì)的內(nèi)電極制作方便簡(jiǎn)單，且成本較低，對(duì)外加電壓 的要求相對(duì)不高，生產(chǎn)實(shí)踐表明極化效果良好。