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)二者接觸在一起時就會很容 易粘結(jié)。我廠在成立初期,購買了兩套極化裝置，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。若重新購置設(shè)備，則價格非常昂貴。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)計出經(jīng)濟(jì)實用的 極化處理裝置，并獲得了國家專利。

1問題分析

極化效果的衰減現(xiàn)象表明在線生產(chǎn)時PE管內(nèi) 壁的電轟擊強度不夠；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)計出有 利于提高電場能轉(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電子，全部是中性粒 子，那么無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管中會引起電 離，從而產(chǎn)生電子。這種偶然電子成為啟動放電的 種子，在電場作用下開始加速、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

電轟擊作用的強弱取決于放電微粒所具有的動 能，這部分動能是由電場對放電微粒做功轉(zhuǎn)換而來 的。在放電微粒具有相同的轟擊能量時，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、電場結(jié)構(gòu) 有關(guān)。對PE管內(nèi)壁作極化處理時應(yīng)充分利用電場 能，關(guān)鍵是盡量降低放電電壓等級，提高單位時間內(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)陰極和陽極間的電壓增加至某一臨界值時， 電極間的氣體就會發(fā)生放電，把這個放電開始的瞬 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 在電場加速作用下轟擊陰極時二次電離的出射效 應(yīng)）也有關(guān)系。對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，電極間距越大，著火電壓越高。電極間距在mm級以下時，才可能是著火電壓。對于平行平板電極形成的電場（見圖1）,很 難實現(xiàn)mm級以下的電極間距。針狀電極與平板電 極形成的電場（見圖2、3）,沿線性針狀電極不同的 點對應(yīng)同一平板電極，相當(dāng)于電極間距在改變。外 加電壓時，必須保證內(nèi)外電極的間距，否則不會產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

+
I

圖1平行平板電極電場線分布

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

② 放電頻率

在高頻交流電場中，粒子運動的振幅與質(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) 壁表層前就反向運動了，如此在電場中往復(fù)運動，結(jié) 果電極間出現(xiàn)正電荷空間，這些電荷會增強電場強 度，從而導(dǎo)致放電著火電壓下降。若繼續(xù)提高頻率,

圖2針狀電極對平板電極電場線分布

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)量的電子也會被電極所約束。這樣，由于電 子長時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PE管的極化處理工藝來說, 外加電源頻率不能過高，因為如果過高，電離出來的 電子也在內(nèi)外電極之間來回振動，而不能到達(dá)PE 管內(nèi)表面對其進(jìn)行轟擊來改變表層分子結(jié)構(gòu)。

③ 電場結(jié)構(gòu)

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

圖1中在平行平板電極間施加均勻電場，在一個大氣壓的干燥空氣、電極間距為1 cm條件下的絕 緣擊穿電壓約為30 kV,這個結(jié)果得到實驗的證實。 但在圖2、3的電場結(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)時的絕緣擊穿電 壓。其原因是電場線集中在針狀電極端附近或者同軸中心導(dǎo)體周圍，使得電場較強。在強電場處局 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。這時絕緣擊穿后的電流很微弱，會有不穩(wěn)定 的短脈沖電流流過。

當(dāng)外加電壓為著火電壓時，電極間形成的局部 強電場附近氣體已經(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，電子運動速度加快，放電電流增加,PE管 受到的轟擊效果越好，即極化效果就會越好。當(dāng)外 加電壓和內(nèi)電極材料選定時，不均勻電場放電比均 勻電場放電效果好。所以局部強電場的形成，即內(nèi) 電極合理的結(jié)構(gòu)對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 電場中來回以很小的振幅振動,停留在兩電極之間， 增加電場強度，降低了著火電壓，同時質(zhì)量相對較大 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。

考慮到局部強電場的形成，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)對內(nèi)電極進(jìn)行重新設(shè)計。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，所以內(nèi)電極要選擇抗氧化性 強的材料。根據(jù)針狀電極并具有抗氧化性兩點要求,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管從機頭擠出成型后，由于自重會導(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 毛刷狀，并把其纏在圓柱形的內(nèi)電極支架上,設(shè)計合 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。因為不銹鋼絲具有彈性，再加上設(shè) 計時已留有過盈量，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現(xiàn)輸出10 kV 以上的高壓，再利用可控硅實現(xiàn)高頻輸出。一般在 生產(chǎn)過程中對于不同規(guī)格的管材，極化控制設(shè)備輸 出頻率無須做任何調(diào)節(jié)，只是當(dāng)希望極化效果更好 時，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用，沒有改動原有的極化控制設(shè)備以不同規(guī)格的 管材我］又做了大量的試驗，總結(jié)出輸出頻率為10 kHz,輸H足化要求。如果對完全新投資的項目，可以很電易提高自動 化控制程度。 

4 結(jié)語

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。我們設(shè) 計的內(nèi)電極制作方便簡單，且成本較低，對外加電壓 的要求相對不高，生產(chǎn)實踐表明極化效果良好。