超高分子量聚乙烯复合管材研制应用

 1 概述
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）发展始于二十世纪六十年代，它的分子结构和普通聚乙烯（PE）完全相同，其分子量一般在1×106以上，比普通PE高2个数量级，因此它具有普通PE所没有的性能，比如耐磨性是钢铁的8~9倍，耐冲击性是聚碳酸酯（PC）的2倍、（丙烯腈/丁二烯/苯乙烯）共聚物（ABS）的5倍、聚甲醛（POM）的15倍；耐化学药品性和消音性优良，摩擦系数小等优良特性。可用于冶金、矿山、煤炭、石油、天然气、化工、电力、纺织、造纸、海湖盐化工、排水等行业[1]，用于固体颗粒、粉状物料、浆体、固液混合物和气体等介质的输送，解决管道输送系统中的难题，包括超高分子量聚乙烯耐磨衬板，在解决料仓结垢、堵仓、磨损严重的问题起到了关键性的突破作用。
UHMWPE由于其具有多种优异性能而受到广泛的关注。超高分子量聚乙烯挤出管材生产工艺，实现了超高分子量聚乙烯的工业化连续生产，使超高分子量聚乙烯的加工技术有了新的突破。工艺技术日趋成熟，但是，随着UHMWPE应用领域的不断扩大也逐渐发现了它的不足之处：
a、维卡软化点低、刚性小、易变形，影响其美观并且不适宜架空敷设。
b、超高分子量聚乙烯管材膨胀系数大（1.465×10-4℃-1），是钢管的十倍多，受温度影响明显，不易用在温差变化大的区域。
c、超高分子量聚乙烯管承受压力相对钢管低，一般不超过1.5MPa。
为此，笔者在UHMWPE中填加填料进行共混改性提高其耐热性能和力学性能，从而制备出机构性能优良的UHMWPE材料。
在此基础上研制开发了超高分子量聚乙烯复合管材，该塑钢复合管充分发挥了UHMWPE管材和钢管各自的优异性能，同时提高了管材的使用压力和刚性，使之取长补短，扩大了超高分子量聚乙烯产品的应用领域，是一种更为理想的超高管材。
2 实验部分
2.1 主要原材料
     主要原料、配方及组成。UHMWPE管材产品所用原料为超高分子量聚乙烯（粘均分子量200万—300万）及部分添加剂，为了保证产品质量，原料均采用国内外著名公司的产品。
原料组成如下：
名称                       产地
超高分子量聚乙烯              北京助剂二厂
聚烯烃添加剂A                 美国
聚烯烃添加剂B                 美国
聚烯烃添加剂C                 德国
聚烯烃添加剂D                 日本
有机着色剂                     上海
钢管                           山东
2.2 工艺过程
UHMWPE复合管材生产路线采用UHMWPE塑料管材连续式单螺杆挤出成型，首先经过原料配制，然后进入螺筒塑化挤出成型。
复合管材通过特制复合设备，采用过盈配合进行复合过程。
生产工艺流程如下：
原料配混→挤出机内熔融塑化→模具成型→冷却→牵引→定尺切割→检测→成品→复合→翻边制作→打压试验→成品
2.1.1 混料
原料配料是UHMWPE管材挤出工艺技术的关键部分之一，使用高速混合机，将超高分子量聚乙烯树脂、进口加工助剂等物料通过高速搅拌得到均匀的分散，并通过摩擦生热去除所含的水分，配制好的原料突出优点就在于增加了超高分子量聚乙烯流动性，使挤出成为可能。
2.1.2 塑化挤出
混合完毕的物料从料斗喂入挤出机，经加料、压缩、熔融、均化等过程，在外加热和螺杆剪切作用下，由粉状固体逐步变为高粘弹性体，并连续经机头挤出。
2.1.3 模具成型
在适宜的设定温度下，从挤出机挤出来的超高分子量聚乙烯熔体通过过滤板由旋转运动变为直线运动，进入管材模具，分流融合成型。
2.1.4 冷却成型
从模具挤出的热管坯进入冷却定型装置，物料温度逐渐下降到室温，管坯固化成型。
2.1.5 牵引
成型的管材在牵引装置的作用下，匀速向前移动。
2.1.6 切割
管材切割采用管材行星切割锯，既保证了切割精度也保证了管材翻边的平整性。
2.1.7 产品质量检验
产品质量检验从原料配料开始至整个工艺过程结束，包含：原料抽样测定—产品挤出外观质量（色泽、外型尺寸、壁厚均匀度）—产品性能测试（冲击强度、弯曲强度、拉伸强度、维卡软化点、热变形温度等）—管材复合翻边质量检验—耐压实验。对整个工艺过程实施质量监控，并根据测量结果对产品挤出速度、机头、冷却系统进行随时调整。
2.1.8 复合
选择合格产品采用特制设备进行复合，提高了管材的使用压力及刚性。
2.1.8 翻边制作
根据翻边制作工艺进行成品的制作。
2.1.10 打压试验
根据复合管的使用条件，进行强度及密封性打压试验。
2.1.11 成品检验
根据企业标准及客户要求对制作好的复合管材进行全面检查。
3 结论及其分析
3.1 超高分子量聚乙烯塑料管材挤出
特殊设计挤出设备、成型模具，解决三大技术难题，作为热塑性工程塑料，UHMW-PE在固态时具有优良的综合性能，但其熔体特性和普通聚乙烯等一般热塑性塑料又截然不同，给加工带来极大的困难，主要表现在以下三个方面。
3.1.1 熔融粘度高
超高分子量聚乙烯特有的弹性体状态，其熔体流动速率近似为0，流动性极差，使用普通挤出设备容易形成“塞流”，物料容易堵塞在压缩段，无法挤出。
3.1.2 摩擦因数小
 UHMW-PE摩擦因数极低，因此在进料过程中容易在进料段发生打滑，无法向前推进，这是螺杆挤出加工时遇到的第二大难题。
3.1.3 临界剪切速率低
相对分子质量极高的UHMW-PE在剪切速率很低（10-2/s）时就可能产生熔体破裂现象，因此挤出加工时常会遇到由于熔体破裂而引起的裂纹现象，这是加工超高分子量聚乙烯管材的又一大难题。
笔者通过改造单螺杆挤出设备，依据超高挤出特性设计特殊成型模具，设计特殊挤出工艺，且在生产实际中采用自循环冷却系统，充分应用了电子压力跟踪系统，彻底解决了超高分子量聚乙烯挤出过程中上述三大难题，真正实现了超高分子量聚乙烯管材的工业化挤出。
3.2 超高分子量聚乙烯复合管材研制
超高分子量聚乙烯复合管材是在超高分子量聚乙烯管材的各工艺基础上开发研制，它成功的解决了超高分子量聚乙烯管材易变形、伸缩性难控制的缺点，并且大大提高了超高管材的使用压力和刚性。超高分子量聚乙烯复合管材内层是超高分子量聚乙烯薄壁管道，外层是螺旋焊管或直缝焊管，通过过盈配合而成.
在超高分子量聚乙烯复合管材的开发研制过程中，应注意以下方面技术问题：
3.2.1 依据钢管规格开发内衬超高薄壁管道
薄壁管外径尺寸的大小以国产螺旋焊管或直缝焊管为参考，保证超高管与钢管的成功复合，并且控制两者间隙尽可能的小。应用了“工艺参数动态显示”技术，实行了自循环冷却定型工艺，改变了某些生产工艺参数，并使其趋于稳定，生产出质量合格的产品。
3.2.2 使用特制设备，完成机械化复合操作。
复合是劳动量比较大的一个过程，为了降低劳动强度，提高生产效率，通过多次研究和反复实验，成功研制出了复合设备，并且制作了一些配套的附属设施，完善了复合工艺，达到了工艺独创，技术领先。
3.2.3 开发复合管道新型翻边连接工艺
复合管的连接及其密封性能是能否被用户所接受的主要因素之一，其中钢管的连接以法兰连接最为便捷，而复合管又外套钢管，因此采用外套钢法兰翻边对接作为超高分子量聚乙烯复合管材的连接工艺，通过对翻边设备进行技术改造，采用复合管道新型翻边连接工艺。
3.2.4 解决钢管与超高管的线膨胀系数不一致
线膨胀系数的不一致导致在外界温度变化时，使得钢管与超高管的伸缩量有很大的差异，针对这一现象，要紧密关注温度这一关键因素。首先了解复合管材使用区环境温度及输送介质温度，然后读取超高管生产线环境温度，分别计算出钢管及超高管对应状态的伸缩量，计算公式如下：
                 ΔL＝αLΔt
ΔL——伸缩量（米）
α—— 线膨胀系数（℃-1）       
L——计算长度（米）
Δt——温差（℃）
选取最佳的复合加工温度（此温度一般是接近用户输送介质温度，目的是使复合管长时间在相对稳定状态下工作，提高其使用寿命），根据上式计算伸缩量，并对照钢管的长度来确定超高管下线长度，在制作车间将超高管与钢管复合，然后通过辅助控温设备来调节复合管温度至最佳加工温度，并在此温度下翻边。显然，成品复合管在离开控温设备后，钢管及超高管的伸缩量又出现不一致的情况，但是超高所特有的抗应力开裂性能，使的它相对钢管运动所产生的应力远小于其开裂应力，这就保证了复合管在运输、安装、使用过程中的稳定。
3.3 复合管与相应型号的超高塑料管材承压能力对比表超高管承压能力对比表
超高塑料管 超高复合管
规格 承受压力（MPa） 规格 承受压力（MPa）
φ110×10 2.0 φ114×3—φ108×10 6.0
φ159×10 1.5 φ165×3.0—φ159×8.0 5.0
φ219×10 1.1 φ219×6.0—φ205×7.0 7.0
φ273×12 1.1 φ273×6.0—φ256×7.0 5.0
φ325×15 1.0 φ325×6.0—φ310×8.0 4.0
φ426×18 1.0 φ426×6.0—φ410×10 4.0

4 结论 
所研制的UHMWPE复合管材，解决了UHMWPE 塑料管材受温度影响收缩大、不适宜高空敷设、使用压力低等问题，更加适用于尾矿高浓度输送、架空使用等，是一种更为理想的超高产品。