基于Raman散射线型光纤感温火灾探测器的优化设计

基于Raman散射线型光纤感温火灾探测器的优化设计严洪1 ，姜明武2，徐海峰3(1. 广东省公安消防总队，510640； 2.，3. 深圳市安捷工业光电有限公司，518054 ) 摘要： 本文分析了分布式光纤温度传感技术在消防火灾探测报警领域的应用特性和系统优化设计方案。特别设计、开发了专用算法处理芯片（ASIC）、嵌入式硬件系统和基于嵌入式linux的软件平台，极大地提高了系统的性能及可靠性。快速响应、稳定可靠、低功耗以及符合消防操作习惯的一键式人机界面，使安捷工业光电的AT810 线型光纤感温火灾探测器不同于一般DTS仪器仪表式的产品设计，更好地满足消防行业的专业需求。 关键词：光纤温度传感器，拉曼，光时域反射，火灾探测。1 引言由于光纤本身不带电，以光纤作为传感部件的光纤传感器属于本征安全型传感系统，并具有良好的抗腐蚀性、耐高压、抗电磁干扰能力，因而光纤传感技术在安全、健康检测、航空航天领域受到了很大的关注。 分布式光纤温度传感器 (Distributed Optical Fiber Temperature Sensor，简称DTS)作为线型光纤感温探测器的一种，主要利用Raman散射来测温并通过光时域反射（OTDR）技术来对温度点进行定位。与其他原理系统相比具有实时，多点连续，精确定位，无盲区，系统分区容量大，综合成本低的优点，是今后应用于火灾探测技术的重要发展方向之一。2 传感原理2.1 OTDR定位技术 Barnoski博士于1976年提出的光时域反射技术，是检测光纤的损耗特性、进行空间故障定位的有力手段，同时也是分布光纤传感器的基础，它的典型结构如图 所示：图1 光时域反射仪的结构原理图 其工作原理与雷达的工作原理相似：将一束窄的激光脉冲通过双向耦合器注入光纤中，光纤中产生的背向散射光（瑞利散射和拉曼散射）也通过该双向耦合器耦合到光电探测器中。背向散射回到入射端所需的时间相应于光脉冲在光纤中所走的距离 L =t /2 。 时间的变化对应着光纤距离的不同，也就是说，光探测器探测得到的光功率是光纤位置的函数，随着L的变化，探测器就实现了对沿光纤分布的待测场的空间分布测量。 2.1 光纤中的Raman散射测温原理 在拉曼散射过程中，斯托克斯光强度正比于处于基态的粒子数密度，反斯托克斯光强度正比于激发态的粒子数密度。一般情况下，粒子数服从波尔兹曼因子分布，即光子数分布正比于能级上的粒子数1： Exp(E kT ) (1) 式中k波尔兹曼常数，T绝对温度，E能级能量。 式(1)表明，由于激发态E1的能量高，故处于激发态E1的反斯托克斯光子数比处于基态E2的Stokes的光子数少，在实际测量中相差近一个数量级2。 当激光脉冲在光纤中传播时，回到光纤的起始端每个激光脉冲产生的斯托克斯拉曼背向散射光的光通量为： s = Ks S s 4 e Rs (T ) exp(0 +s ) L （2） 反斯托克斯拉曼背向散射光的光通量可以表示为： a = Ka S a 4 e Ra (T ) exp(0 +a ) L （3） 式中，Ks 、Ka 分别为和光纤的Stokes散射截面、Anti-Stokes散射截面有关的系数， s ， a 分别为Stokes散射光子和Anti-Stokes散射光子的频率，0 、a 、s 为光纤中入射光、Anti-Stokes光以及Stokes 光的平均传播损耗，Rs (T ) 、Ra (T ) 为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，且有： R s(T ) =1exp( h / kT ) 1 （4）Ra (T ) =exp( h / kT ) 1 1 （5）由式（2)、（3）、（4）、(5)得到： as ( TT ) = KKas ( as )4 exp(h/ kT )exp(a s ) L （6） 在基线温度T0时： as ( TT 00) = KKas ( as )4 exp(h/ kT0) exp(a s ) L （7） 当光纤从基线温度T0变化到任一温度T时：a (T )/s (T ) = exp(h/ kT ) = exp h (1 1 ) （8）a (T0)/s (T0) exp(h/ kT0) k TT0由上式得： 1 = 1 k ln a (T )/s (T ) （9）TT0 ha (T0)/s (T0)在实际测量中，只要测出a(T )、s (T )、a (T0)、s (T0) ，经光电转换后的电平值，就能由上式求出温度T。3 优化设计在研发AT810 线型光纤感温火灾探测器产品过程中，我们认真研究了线型光纤感温火灾探测器GB/T21197-2007国家标准，分析了客户应用需求，综合评估了DTS的各类参数指标：测温精度、空间分辨率、测量时间、测量动态范围、测量距离等的相互关联关系，结合火灾探测领域的特殊要求，本着着重提高快速响应和产品可靠性两方面性能的原则，去设计火灾探测报警系统。 快速测量就要求我们设计的系统有强大的、实时的数据采集和处理能力；而高可靠性则对硬件系统的高集成度、冗余能力、架构合理性提出很高要求，同时采用嵌入式操作系统（如Linux，VxWorks）及软件也是工业级产品提升可靠性的重要途径。 31 信号处理系统优化设计国家标准GB/T21197-2007线型光纤感温火灾探测器5.4表2要求探测器响应时间不大于30s3， 而按照6.8的试验方法，光纤通过油渗透要达到报警温度所需时间应该在10s左右，因而要保证在后面的20s内必须所有通道都能完成一次温度测量，这对于依靠测量微弱回波信号来测温的DTS的信号处理能力来说是一个设计难题。 我们根据国标要求，推算出测量时间、通道数、硬件处理能力的关系。见下表1。表1 测量通道数与DTS 信号处理能力 类别 1 通道系统2 通道系统3 通道系统4 通道系统累加次数/每通道 40000 60000 110000 110000 每通道最大测量时间（s） 16 8 5 4 每通道最小处理速度（次/秒）2500 7500 22000 27500 最小接口速度（MB,2km系统） 13 38 110 138 从表1就可以由各个制造商的通道测量时间，推测出能满足消防需求的最大通道负载能力。 制造高性能的DTS必须有强大的数据采集和处理能力。设计中，我们从系统出发，开发了专用算法处理芯片（ASIC ）来完成实时时域累加平均等数字化微弱信号处理算法，即整个系统的速度极限在于光脉冲在光纤内的传输时间。每个脉冲间隔中不需要任何的停顿来处理数据，其主要技术难点集中在以下几个方面： 数据量大：系统的双通道ADC是10bit，虽然分辨率不高，但是采样率达到100MHz，要做到数据的实时采集累加。意味着每秒种要处理的数据量要有2.5Gbps,计算中间操纵的数据流量达到15.5Gbps，如此庞大的数据量对于现有接口技术是个挑战，因此在数据采集端采用累加和指数算法完成，以减少数据传输量，提高效率。 高速存储： 一个采样周期仅为10ns，一般TTL器件的极限速率也就8ns，读写一次需要16ns，无法满足需求，因此我们用逻辑器件内部资源，设计了读写频率在350MHz的存储器。 高速数字电路设计： 在高速数字电路设计中，必须充分考虑信号完整性（Signal Integraty），传输线匹配（Transmission line） ，时钟分配，电磁兼容（EMC），及良好的接地处理。 CPU处理能力:采用AMCC 高性能Power PC 440 嵌入式中央处理器，主频667MHz，高达1334MIPS 处理能力，支持DDR RAM 及多种通信接口（如PCI，Ethernet，USB，SPI， UART 等）。在保证系统有强大的运算能力的同时，能提供高效的通信和并行处理能力，为消防系统的实时操控，告警联动提供了快速反应能力。图2 DTS 信号处理系统结构图 综合以上分析，我们设计开发了AT810 线型光纤感温火灾探测器基于专用算法处理芯片ASIC和PowerPC 处理器的实时数据采集处理系统，其指标为:带宽100MHz,分辨率10bit，采样率100MSPS，板载处理支持260000次累加，达到了非常好的效果。 32 提高系统稳定性的措施z 硬件体系优化设计： 1 高性能Power PC 440嵌入式中央处理器，主频达到667MHz，具有强大的处理能力和浮点运算性能，该CPU 还集成了丰富的外设接口和通信接口（网络口，串口，USB等）。高集成度设计减少了品质控制点，带来了高可靠性。 2 通过欧标DIN连接器完成信号、电源、地的连接并可靠锁定，摈弃PC级的线缆连接方式，真正达到工业级标准，增加系统的可靠性； 3 Memory及CompactFlash）存储管理历史数据和用户配置数据，无机械式硬盘，具有长寿命、高可靠、抗震动、适应恶劣环境等优点； 4 以工业级标准进行元器件筛选，做到低功耗、高性能、宽温度范围。全面采用贴片封装工艺，结合激光钢网，自动贴装，保证批量生产的一致性。 5 采用嵌入式的低功耗设计，经此整体方案优化，主机运行功耗在28W，是业界其他解决方案的五分之一甚至是十分之一，为消防供电备电系统减轻负担，节能安全。 6 采用8层以上的多层线路板设计，保障了板内信号质量，提高了机器的抗电磁干扰能力，也减低对外电磁辐射的产生。 z软件体系优化设计： 1 1.采用嵌入式Linux 操作系统，内核精简，系统稳定，避免了商用windows 平台的冗余功能和不稳定因素，不会被病毒攻击，不会受不法应用软件影响而死机。 2 2.主机内嵌Web 服务器，客户端只需使用浏览器便可登录AT810 系统，无需安装客户端软件，便可进行设置、查询、监控等功能，易操作，易维护。同时组网及远程监控极其方便。 3 3.设计了符合消防操作习惯的一键式人机交互界面，主页面监控设备的状态及火警，可控制完成复位、自检、消音功能，简单明了，一旦发生火灾，可迅速定位及时操控。各种设置参数及温度曲线分布在子页面，操作方便。 4 4.由于线型光纤感温火灾探测器有大量的温度数据及分区信息、定位信息可以显示，传统的消防告警主机的LED 指示灯，LED 字符显示和按键的方式已不能满足其需要，而一般计算机常用的键盘、鼠标和显示菜单方式则略显繁复，不适合消防的一键式快速反应的要求。为此，我们特别采用工业级触摸屏显示方式，配合一键式人机界面，获得专家好评。 图3. AT810 一键式主控界面 z 感温光缆的优化设计： 感温光缆采用多模光纤，内部有不锈钢保护管和抗拉钢丝网保护光纤不受损害，外护套为高性能低烟无卤阻燃PVC,起到防水，防锈，防化学腐蚀的作用，是不可缺少的一道防护层。感温光缆在平衡了导热性和防护性能及使用寿命几个矛盾之后，具有优良的热传导特性、机械性能、防水性能及抗腐蚀特性，可以适应比较恶劣的施工条件和工作环境。 总结针对消防应用，我们对DTS系统做了如下优化： 1 1.采用“ASIC+嵌入式PowerPC ”的硬件架构，提高系统的数据处理运算能力，实现实时采集累加，为快速火灾探测提供了根本保障； 2 2.自行开发嵌入式平台，高密度，高性能，低功耗，高可靠； 3 3.基于嵌入式linux 平台的软件系统和内置Web 服务器架构，可靠性高，即插即用，方便快捷；触摸屏及一键式人机界面相配合，简单明了，符合消防操控习惯； 4 4.平衡了各项性能之后，设计的感温光缆具有良好的导热性和环境适应性。 经上述改进，我们所设计、制造的第一代机型AT810 线型光纤感温火灾探测器顺利通过了国家消防电子产品质量监督局检验中心的全性能型式检验。所设计指标均高于国标要求。 华能集团海门电厂在其一期 2x1000MW 机组项目中采用了多台AT810 线型光纤感温火灾探测器，对电缆桥架、输煤栈桥、油罐等进行感温检测和火灾预报警。客户对该产品的优异性能（组网、联动、分区）及产品的稳定性、可操作性给予极好评价。聚乙烯（PE）简介1.1聚乙烯化学名称：聚乙烯英文名称：polyethylene，简称PE结构式： 聚乙烯是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂，也包括乙烯与少量-烯烃的共聚物。聚乙烯是五大合成树脂之一，是我国合成树脂中产能最大、进口量最多的品种。1.1.1聚乙烯的性能1.一般性能聚乙烯为白色蜡状半透明材料，柔而韧，比水轻，无嗅、无味、无毒，常温下不溶于一般溶剂，吸水性小，但由于其为线性分子可缓慢溶于某些有机溶剂，且不发生溶胀。工业上为使用和贮存的方便通常在聚合后加入适量的塑料助剂进行造粒，制成半透明的颗粒状物料。PE易燃，燃烧时有蜡味，并伴有熔融滴落现象。聚乙烯的性质因品种而异，主要取决于分子结构和密度，也与聚合工艺及后期造粒过程中加入的塑料助剂有关。2.力学性能PE是典型的软而韧的聚合物。除冲击强度较高外，其他力学性能绝对值在塑料材料中都是较低的。PE密度增大，除韧性以外的力学性能都有所提高。LDPE由于支化度大，结晶度低，密度小，各项力学性能较低，但韧性良好，耐冲击。HDPE支化度小，结晶度高，密度大，拉伸强度、刚度和硬度较高，韧性较差些。相对分子质量增大，分子链间作用力相应增大，所有力学性能，包括韧性也都提高。几种PE的力学性能见表1-1。表1-1 几种PE力学性能数据性能LDPELLDPEHDPE超高相对分子质量聚乙烯邵氏硬度(D)拉伸强度MPa拉伸弹性模量MPa压缩强度MPa缺口冲击强度kJm-2弯曲强度MPa414672010030012.5809012174050152525055070152560702137400130022.540702540646730501508001003.热性能PE受热后，随温度的升高，结晶部分逐渐熔化，无定形部分逐渐增多。其熔点与结晶度和结晶形态有关。HDPE的熔点约为125137，MDPE的熔点约为126134，LDPE的熔点约为105115。相对分子质量对PE的熔融温度基本上无影响。PE的玻璃化温度（Tg）随相对分子质量、结晶度和支化程度的不同而异，而且因测试方法不同有较大差别，一般在-50以下。PE在一般环境下韧性良好，耐低温性(耐寒性)优良，PE的脆化温度(Tb)约为-80-50，随相对分子质量增大脆化温度降低，如超高相对分子质量聚乙烯的脆化温度低于-140。PE的热变形温度(THD)较低，不同PE的热变形温度也有差别，LDPE约为3850(0.45MPa，下同)，MDPE约为5075，HDPE约为6080。PE的最高连续使用温度不算太低，LDPE约为82100，MDPE约为105121，HDPE为121，均高于PS和PVC。PE的热稳定性较好，在惰性气氛中，其热分解温度超过300。PE的比热容和热导率较大，不宜作为绝热材料选用。PE的线胀系数约在(1530)10-5K-1之间，其制品尺寸随温度改变变化较大。几种PE的热性能见表1-2。表1-2几种PE热性能性能LDPELLDPEHDPE超高相对分子质量聚乙烯熔点热降解温度(氮气)热变形温度(0.45MPa)脆化温度线性膨胀系数(10-5K-1)比热容J(kgK)-1热导率/ W(mK)-11051153003850-80-501624221823010.351201253005075-100-751251373006080-100-701116192523010.421902103007585-140-704.电性能PE分子结构中没有极性基团，因此具有优异的电性能，几种PE的电性能见表1-3。PE的体积电阻率较高，介电常数和介电损耗因数较小，几乎不受频率的影响，因而适宜于制备高频绝缘材料。它的吸湿性很小，小于0.01（质量分数），电性能不受环境湿度的影响。尽管PE具有优良的介电性能和绝缘性，但由于耐热性不够高，作为绝缘材料使用，只能达到Y级（工作温度90）。表1-3聚乙烯的电性能性能LDPELLDPEHDPE超高相对分子质量聚乙烯体积电阻率/cm介电常数/Fm-1（106Hz）介电损耗因数（106Hz）介电强度/kVmm-110162.252.350.00052010162.202.300.0005457010162.302.350.0005182810172.350.0005355.化学稳定性PE是非极性结晶聚合物，具有优良的化学稳定性。室温下它能耐酸、碱和盐类的水溶液，如盐酸、氢氟酸、磷酸、甲酸、醋酸、氨、氢氧化钠、氢氧化钾以及各类盐溶液(包括具有氧化性的高锰酸钾溶液和重铬酸盐溶液等)，即使在较高的浓度下对PE也无显著作用。但浓硫酸和浓硝酸及其他氧化剂对聚乙烯有缓慢侵蚀作用。PE在室温下不溶于任何溶剂，但溶度参数相近的溶剂可使其溶胀。随着温度的升高，PE结晶逐渐被破坏，大分子与溶剂的作用增强，当达到一定温度后PE可溶于脂肪烃、芳香烃、卤代烃等。如LDPE能溶于60的苯中，HDPE能溶于8090的苯中，超过100后二者均可溶于甲苯、三氯乙烯、四氢萘、十氢萘、石油醚、矿物油和石蜡中。但即使在较高温度下PE仍不溶于水、脂肪族醇、丙酮、乙醚、甘油和植物油中。PE在大气、阳光和氧的作用下易发生老化，具体表现为伸长率和耐寒性降低，力学性能和电性能下降，并逐渐变脆、产生裂纹，最终丧失使用性能。为了防止PE的氧化降解，便于贮存、加工和应用，一般使用的PE原料在合成过程中已加入了稳定剂，可满足一般的加工和使用要求。如需进一步提高耐老化性能，可在PE中添加抗氧剂和光稳定剂等。6.卫生性PE分子链主要由碳、氢构成，本身毒性极低，但为了改善PE性能，在聚合、成型加工和使用中往往需添加抗氧剂和光稳定剂等塑料助剂，可能影响到它的卫生性。树脂生产厂家在聚合时总是选用无毒助剂，且用量极少，一般树脂不会受到污染。PE长期与脂肪烃、芳香烃、卤代烃类物质接触容易引起溶胀，PE中有些低相对分子质量组分可能会溶于其中，因此，长期使用PE容器盛装食用油脂会产生一种蜡味，影响食用效果。1.1.2聚乙烯的分类聚乙烯的生产方法不同，其密度及熔体流动速率也不同。按密度大小主要分为低密度聚乙烯（LDPE）、线型低密度聚乙烯（LLDPE）、中密度聚乙烯（MDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）。其中线性低密度聚乙烯属于低密度聚乙烯中的一种，是工业上常用的聚乙烯，其他分类法有时把MDPE归类于HDPE或LLDPE。按相对分子质量可分为低相对分子质量聚乙烯、普通相对分子质量聚乙烯、超高相对分子质量聚乙烯。按生产方法可分为低压法聚乙烯、中压法聚乙烯和高压法聚乙烯。1.低密度聚乙烯英文名称： Low density polyethylene，简称LDPE低密度聚乙烯，又称高压聚乙烯。无味、无臭、无毒、表面无光泽、乳白色蜡状颗粒，密度0.9100.925g/cm3，质轻，柔性，具有良好的延伸性、电绝缘性、化学稳定性、加工性能和耐低温性（可耐-70），但力学强度、隔湿性、隔气性和耐溶剂性较差。分子结构不够规整，结晶度较低（55%65%），熔点105115。LDPE可采用热塑性成型加工的各种成型工艺，如注射、挤出、吹塑、旋转成型、涂覆、发泡工艺、热成型、热风焊、热焊接等，成型加工性好。主要用作农膜、工业用包装膜、药品与食品包装薄膜、机械零件、日用品、建筑材料、电线、电缆绝缘、吹塑中空成型制品、涂层和人造革等。2.高密度聚乙烯英文名称：High Density Polyethylene，简称HDPE高密度聚乙烯，又称低压聚乙烯。无毒、无味、无臭，白色颗粒，分子为线型结构，很少有支化现象,是典型的结晶高聚物。力学性能均优于低密度聚乙烯，熔点比低密度聚乙烯高，约125137，其脆化温度比低密度聚乙烯低，约-100-70，密度为0.9410.960g/cm3。常温下不溶于一般溶剂，但在脂肪烃、芳香烃和卤代烃中长时间接触时能溶胀，在70以上时稍溶于甲苯、醋酸中。在空气中加热和受日光影响发生氧化作用。能耐大多数酸碱的侵蚀。吸水性小，具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，还具有较高的刚性和韧性，介电性能、耐环境应力开裂性亦较好。HDPE可采用注射、挤出、吹塑、滚塑等成型方法，生产薄膜制品、日用品及工业用的各种大小中空容器、管材、包装用的压延带和结扎带，绳缆、鱼网和编织用纤维、电线电缆等。3.线性低密度聚乙烯英文名称：Linear Low Density Polyethylene，简称LLDPE线形低密度聚乙烯被认为是“第三代聚乙烯”的新品种，是乙烯与少量高级-烯烃(如丁烯-1、己烯-1、辛烯-1、四甲基戊烯-1等)在催化剂作用下，经高压或低压聚合而成的一种共聚物，为无毒、无味、无臭的乳白色颗粒，密度0.9180.935g/cm3。与LDPE相比，具有强度大、韧性好、刚性大、耐热、耐寒性好等优点，且软化温度和熔融温度较高，还具有良好的耐环境应力开裂性，耐冲击强度、耐撕裂强度等性能。并可耐酸、碱、有机溶剂等。LLDPE可通过注射、挤出、吹塑等成型方法生产农膜、包装薄膜、复合薄膜、管材、中空容器、电线、电缆绝缘层等。由于不存在长支链，LLDPE的 6570用于制作薄膜。4.中密度聚乙烯英文名称：Medium density polyethylene，简称MDPE中密度聚乙烯是在合成过程中用-烯烃共聚，控制密度而成。MDPE的密度为0.9260.953g/cm3，结晶度为7080，平均相对分子质量为20万，拉伸强度为824MPa，断裂伸长率为5060，熔融温度126135，熔体流动速率为0.135g10min，热变形温度(0.46MPa)4974。MDPE最突出的特点是耐环境应力开裂性及强度的长期保持性。MDPE可用挤出、注射、吹塑、滚塑、旋转、粉末成型加工方法，生产工艺参数与HDPE和LDPF相似，常用于管材、薄膜、中空容器等。5.超高相对分子质量聚乙烯英文名称：ultra-high molecular weight polyethylene，简称UHMWPE超高相对分子质量聚乙烯冲击强度高，耐疲劳，耐磨，是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。其相对分子质量达到300600万，密度0.9360.964g/cm3，热变形温度(0.46MPa)85，熔点130136。UHMWPE因相对分子质量高而具有其他塑料无可比拟的优异性能，如耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能，广泛应用于机械、运输、纺织、造纸、矿业、农业、化工及体育运动器械等领域，其中以大型包装容器和管道的应用最为广泛。另外，由于超高相对分子质量聚乙烯优异的生理惰性，已作为心脏瓣膜、矫形外科零件、人工关节等在临床医学上使用，而且，超高相对分子质量聚乙烯耐低温性能优异，在-40时仍具有较高的冲击强度，甚至可在-269下使用。超高相对分子质量聚乙烯纤维的复合材料在军事上已用作装甲车辆的壳体、雷达的防护罩壳、头盔等；体育用品上已制成弓弦、雪橇和滑水板等。由于超高相对分子质量聚乙烯熔融状态的粘度高达108Pas，流动性极差，其熔体流动速率几乎为零，所以很难用一般的机械加工方法进行加工。近年来，通过对普通加工设备的改造，已使超高相对分子质量聚乙烯由最初的压制-烧结成型发展为挤出、吹塑和注射成型以及其他特殊方法的成型。6.茂金属聚乙烯茂金属聚乙烯(mPE)是近年来迅速发展的一类新型高分子树脂，其相对分子质量分布窄，分子链结构和组成分布均一，具有优异的力学性能和光学性能，已被广泛应用于包装、电气绝缘制品等。1.1.3聚乙烯的成型加工PE的熔体粘度比PVC低，流动性能好，不需加入增塑剂已具有很好的成型加工性能。前文已介绍了各类聚乙烯可采用的成型加工方法，下面主要介绍在成型过程中应注意的几个问题。聚乙烯属于结晶性塑料，吸湿小，成型前不需充分干燥，熔体流动性极好，流动性对压力敏感，成型时宜用高压注射，料温均匀，填充速度快，保压充分。不宜用直接浇口，以防收缩不均，内应力增大。注意选择浇口位置，防止产生缩孔和变形。PE的热容量较大，但成型加工温度却较低，成型加工温度的确定主要取决于相对分子质量、密度和结晶度。LDPE在180左右， HDPE在220左右，最高成型加工温度一般不超过280。熔融状态下，PE具有氧化倾向，因而，成型加工中应尽量减少熔体与空气的接触及在高温下的停留时间。PE的熔体粘度对剪切速率敏感，随剪切速率的增大下降得较多。当剪切速率超过临界值后，易出现熔体破裂等流动缺陷。制品的结晶度取决于成型加工中对冷却速率的控制。不论采取快速冷却还是缓慢冷却，应尽量使制品各部分冷却速率均匀一致，以免产生内应力，降低制品的力学性能。收缩范围和收缩值大(一般成型收缩率为1.55.0)，方向性明显，易变形翘曲，冷却速度宜慢，模具设冷料穴，并有冷却系统。软质塑件有较浅的侧凹槽时，可强行脱模。1.1.4聚乙烯的改性聚乙烯属非极性聚合物，与无机物、极性高分子相容性弱，因此其功能性较差，采用改性可提高PE的耐热老化性、高速加工性、冲击强度、粘接性、生物相容性等性质。常用的改性方法包括物理改性和化学改性。1.物理改性物理改性是在PE基体中加入另一组分(无机组分、有机组分或聚合物等)的一种改性方法。常用的方法有增强改性、共混改性、填充改性。（1）增强改性 增强改性是指填充后对聚合物有增强效果的改性。加入的增强剂有玻璃纤维、碳纤维、石棉纤维、合成纤维、棉麻纤维、晶须等。自增强改性也属于增强改性的一种。自增强改性。所谓自增强就是使用特殊的加工成型方法，使得材料内部组织形成伸直链晶体，材料内部大分子晶体沿应力方向有序排列，材料的宏观强度得到大幅度提高，同时分子链有序排列将使结晶度提高，从而使材料的强度进一步提高，由于所形成的增强相与基体相的分子结构相同，因而不存在外增强材料中普遍存在的界面问题。如采用超高相对分子质量聚乙烯(UHMPE)纤维增强LDPE，在加热加压成型的条件下，可以形成良好的界面，最大限度发挥基体和纤维的强度。纤维增强改性。纤维增强聚合物基复合材料由于具有比强度高、比刚度高等优点而得到广泛应用。如采用经KH-550偶联剂处理的长玻璃纤维(LGF)与PE复合制备的PELGF复合材料，当LGF加入量为3O(质量分数)、长度约为35mm时，复合材料的拉伸强度和冲击强度分别为52.5MPa和52kJm。晶须改性。晶须的加入能够大幅度提高HDPE材料的力学性能，包括短期力学性能及耐长期蠕变性能。晶须对HDPE材料的增强作用主要归因于它们之间的良好界面粘接，同时刚性的晶须则能够承担较大的外界应力使复合材料的模量得到提高。纳米粒子增强改性。少量无机刚性粒子填充PE可同时起到增韧与增强的作用。如将表面处理过的纳米SiO2粒子填充mLLDPE-LDPE，SiO2纳米粒子均匀分散于基材中，与基材形成牢固的界面结合，当填充质量分数为2时，拉伸强度、断裂伸长率分别提高了13.7MPa和174.9。（2）共混改性 共混改性主要目的是改善PE的韧性、冲击强度、粘接性、高速加工性等各种缺陷，使其具有较好的综合性能。共混改性主要是向PE基体中加入另一种聚合物，如塑料类、弹性体类等聚合物，以及不同种类的PE之间进行共混。PE系列的共混改性。单一组分的PE往往很难满足加工要求，而通过不同种类PE之间的共混改性可以获得性能优良的PE材料。如通过LDPE与LLDPE共混，解决了LDPE因大量添加阻燃剂和抗静电剂等助剂造成力学性能急剧降低的问题；LLDPE与HDPE共混后可以提高产品的综合性能。PE与弹性体的共混改性。弹性体具有低的表面张力、较强的极性、突出的增韧作用，因此与PE共混后，既能保持PE的原有性能，同时也可以制备出具有综合优良性能的PE。如LDPE-聚烯烃弹性体(POE)共混物，当POE的质量分数为3O时，共混体系的拉伸强度达到最大值，为21.5 MPa。PE与塑料的共混改性。聚乙烯具有良好的韧性，但制品的强度和模量较低，与工程塑料等共混可提高复合体系的综合力学性能。但PE和这类高聚物的界面问题也是影响其共混物性能的主要原因，因此通常需要加入界面相容剂以提高共混物的力学性能。（3）填充改性 填充改性是在PE基质中加入无机填料或有机填料，一方面可以降低成本达到增重的目的，另一方面可提高PE的功能性，如电性能、阻燃性能等，但同时对复合材料的力学性能和加工性能带来一定程度的影响。无论是无机填料还是有机填料，填料与PE基体的相容性和界面粘接强度是PE填充改性必须面临的问题，而PE是非极性化合物，与填料相容性差，因此，必须对填料进行表面处理。填料的表面处理一般采用物理或化学方法进行处理，在填料表面包覆一层类似于表面活性剂的过渡层，起“分子桥”的作用，使填料与基体树脂间形成一个良好的粘接界面。常用的填料表面处理技术有：表面活性剂或偶联剂处理技术、低温等离子体技术、聚合填充技术和原位乳液聚合技术等。PE中填充木粉、淀粉、废纸粉、滑石粉、碳酸钙等一类填料，不仅可以改善PE的性能，同时也具有十分重要的健康环保意义。2.化学改性化学改性的方法主要有接枝改性、共聚改性、交联改性、氯化及氯磺化改性和等离子体改性处理等方法。其原理是通过化学反应在PE分子链上引入其他链节和功能基团，由此提高材料的力学性能、耐侯性能、抗老化性能和粘接性能等。（1）接枝改性 接枝改性是指将具有各种功能的极性单体接枝到PE主链上的一种改性方法。接枝改性后的PE不但保持了其原有特性，同时又增加了其新的功能。常用的接枝单体有丙烯酸(AA)、马来酸酐(MA)、马来酸盐、烯基双酚A醚和活性硅油等。接枝改性的方法主要有溶液法、固相法、熔融法、辐射接枝法、光接枝法等。（2）共聚改性 共聚改性是指通过共聚反应将其他大分子链或官能团引入到PE分子链中，从而改变PE的基本性能。主要改性品种有乙烯-丙烯共聚物（塑料）、EVA、乙烯-丁烯共聚物、乙烯-其他烯烃（如辛烯POE、环烯烃）共聚物、乙烯-不饱和酯共聚物（EAA、 EMAA 、EEA、EMA、EMMA、EMAH）等。通过共聚反应，可以改变大分子链的柔顺性或使原来的基团带有反应性官能团，可以起到反应性增容剂的作用。（3）交联改性 交联改性是指在聚合物大分子链间形成了化学共价键以取代原来的范德华力，由此极大地改善了诸如耐热性、耐磨性、弹性形变、耐化学药品性及耐环境应力开裂性等一系列物理化学性能，适于作大型管材、电缆电线以及滚塑制品等。聚乙烯的交联改性方法包括过氧化物交联(化学交联)、高能辐射交联、硅烷接枝交联、紫外光交联。（4）氯化及氯磺化改性 氯化聚乙烯是聚乙烯分子中的仲碳原子被氯原子取代后生成的一种高分子氯化物，具有较好的耐候性、耐臭氧性、耐化学药品性、耐寒性、阻燃性和优良的电绝缘性。主要用作聚氯乙烯的改性剂，以改善聚氯乙烯抗冲击性能，氯化聚乙烯本身还可作为电绝缘材料和地面材料。氯磺化聚乙烯是聚乙烯经过氯化和氯磺化反应而制得的具有高饱和结构的特种弹性材料，属于高性能橡胶品种。其结构饱和，无发色基团存在，涂膜的抗氧性、耐油性、耐候性、耐磨性和保色性能优异，且耐酸碱和化学药品的腐蚀，已广泛应用于石油、化工等行业。（5）等离子体改性处理 等离子体是由部分电离的导电气体组成，其中包括电子、正离子、负离子，基态的原子或分子、激发态的原子或分子、游离基等类型的活性粒子。在聚乙烯等高分子材料表面改性中主要利用低温等离子体中的活性粒子轰击材料表面，使材料表面分子的化学键被打开，并与等离子体中的氧、氮等活性自由基结合，在高分子材料表面形成含有氧、氮等极性基团，由于表面增加了大量的极性基团从而能明显地提高材料表面的粘接性、印刷性、染色性等。1.1.5聚乙烯的应用聚乙烯是通用塑料中应用最广泛的品种，薄膜是其主要加工产品，其次是片材和涂层、瓶、罐、桶等中空容器及其他各种注射和吹塑制品、管材和电线、电缆的绝缘和护套等。主要用于包装、农业和交通等部门。1.薄膜低密度聚乙烯总产量的一半以上经吹塑制成薄膜,这种薄膜有良好的透明性和一定的拉伸强度,广泛用作各种食品、衣物、医药、化肥、工业品的包装材料以及农用薄膜。也可用挤出法加工成复合薄膜用于包装重物。高密度聚乙烯薄膜的强度高、耐低温、防潮，并有良好的印刷性和可加工性。线型低密度聚乙烯的最大用途也是制成薄膜，其强度、韧性均优于低密度聚乙烯，耐刺穿性和刚性也较好，透明性稍优于高密度聚乙烯。此外，还可以在纸、铝箔或其他塑料薄膜上挤出涂布聚乙烯涂层，制成高分子复合材料。2.中空制品高密度聚乙烯强度较高，适宜成型中空制品。可用吹塑法制成瓶、桶、罐、槽等容器，或用浇铸法制成槽车罐和贮罐等大型容器。3.管、板材挤出法可生产聚乙烯管材，高密度聚乙烯管强度较高，适于地下铺设。挤出的板材可进行二次加工，也可用发泡挤出和发泡注射法将高密度聚乙烯制成低发泡塑料，作台板和建筑材料。4.纤维中国称为乙纶，一般采用低压聚乙烯作原料，纺制成合成纤维。乙纶主要用于生产渔网和绳索，或纺成短纤维后用作絮片，也可用于工业耐酸碱织物。超高相对分子质量聚乙烯纤维（强度可达34GPa）,可用作防弹背心，汽车和海上作业用的复合材料。5.杂品用注射成型法生产的杂品包括日用杂品、人造花卉、周转箱、小型容器、自行车和拖拉机的零件等。制造结构件时要用高密度聚乙烯。超高相对分子质量聚乙烯适于制作减震,耐磨及传动零件。1.1.6聚乙烯的简易识别方法（1）外观印象 白色蜡状，半透明，HDPE透明性更差，用手摸制品有滑腻感；LDPE柔而韧，稍能伸长，HDPE手感较坚硬。（2）水中沉浮 比水轻，浮于水面。（3）溶解特性 一般熔融后可溶于对二甲苯、三氯苯等。（4）受热表现 温度达90135以上变软熔融，315以上分解。（5）燃烧现象 易燃，离火后继续燃烧，火焰上端呈黄色，下端蓝色，燃烧时熔融滴落，发出石蜡燃烧时的气味。