芻議鋼塑復合管用聚乙烯耐磨復合材料的研究

李云巖　瞿海德

摘要：鋼塑復合管是在碳鋼管的基礎上，內壁襯上聚乙烯（PE）等塑料物質，經過特定工藝加工而成的復合型管材。讓復合管既具有鋼材料的特性，有具有塑料的耐磨和耐腐蝕性，是一種較為理想的管道材料。但在一些環境條件較差的企業中使用這種復合管材，也是會出現損耗迅速，發生管道破損的情況，這會給企業帶來一定的不良影響，所以，對鋼塑復合管用聚乙烯耐磨復合材料的研究是十分必要的。

關鍵詞：鋼塑復合管；線性低密度聚乙烯材料；低密度聚乙烯選擇；填充改性；無機填料

鋼塑復合管是新型的管道材料，是在碳鋼管的基礎上，內壁襯上聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE）等物質，經過內襯冷拉復合工藝或是滾塑方法加工而形成的新的復合管道。鋼塑復合管既具備了鋼管材料的優點，又兼具了塑料管材的抗腐蝕性、耐磨性等特點，是一款性價比較高的復合管道。但對于一些工作條件較為艱苦的如電廠、礦山這類的企業來說，鋼塑復合管的損耗速度一樣很快，一旦出現管道的破損發生物質泄露也會給企業帶來不小的損失。所以，對鋼塑復合管內壁的聚乙烯耐磨復合材料的性能提升是很有必要的。

一、鋼塑復合管的加工工藝

（一）鋼塑復合管應用范圍很廣

因其具備了鋼管的優點又兼具了塑料管的耐磨抗腐蝕性等特點，因此，被廣泛應用于多個行業。比如電力、化工、礦山、醫藥、食品、石油等。鋼塑復合管由于其性價比高，在經濟發達國家發展的十分迅速，但對于我國來說還處于發展的初級階段。隨著相關技術、工藝上的突破和完善，技術標準的確定，使用范圍的擴大和生產技術的成熟，未來鋼塑復合管的發展空間巨大。

（二）鋼塑復合管的滾塑成型工藝

滾塑成型工藝一般多用于加工中空型的產品，以旋轉成型的方式進行加工，與其他成型工藝相比它的模具成本低，殘留應力小等特點。可以用來生產大型的中空制品，其產品應用范圍很廣，發展速度很快。隨著滾塑工藝和設備的進步，滾塑成型所生產的中空制品種類也在不斷增加，更新速度很快。滾塑成型工藝的模具成本低、結構簡單，適合制作大型結構復雜的塑料制品，投入原材料相對較少，成品厚度均勻無接縫，不容易發生變形，可以適用于絕大多數尺寸和形狀的塑料制品的制作。

（三）滾塑成型工藝對原料的要求

滾塑成型的主要原理就是聚乙烯、聚氯乙烯、尼龍、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲醛等。它對材料是有一定要求的，必須是耐高溫熱穩定性好的液態或能高校研磨的425μm粉末。其中聚乙烯425μm的粉料最符合滾塑成型工藝的要求。

二、塑料的磨損過程、類型及影響因素

（一）塑料磨損的過程

有摩擦就會造成磨損，在這一點上塑料與金屬物質的磨損是一致的。對于塑料來說，它的磨損過程分為三部分：磨合階段，正常磨損階段，高速磨損階段。塑料的磨合階段與金屬相比，其磨損率高但時間短，但也有特例，比如超高分子量聚乙烯對不銹鋼的磨損率，磨合階段就小于正常磨損階段。塑料的老化是造成它高速磨損的原因，處于摩擦中的塑料，由于各種因素造成的老化會加速磨損的速度，直至完全損壞。塑料磨損可以分為：粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損、腐蝕磨損。

（二）塑料磨損的影響因素

由于摩擦是造成磨損的原因，所以，對于摩擦有影響的因素都會對磨損造成影響。比如說材料、溫度、濕度、滑動速度等都會有影響。但塑料的磨損不一定和摩擦系數相關，呈現出比較復雜多變的情形。一般規律是：塑料的磨損與所承受的力成正比，伴隨著滑動速度的增大而增加，隨著溫度升高而增加，有潤滑時磨損小，摩擦面的越細膩磨損越小。同種材料相互摩擦，硬度大磨損小。塑料的相對分子量越大，磨損越小。同時像結晶、輻射、添加劑、特殊處理等都對磨損有著不小的差異影響。

三、鋼塑復合管聚乙烯耐磨復合材料的選擇和研究

國內鋼塑復合管的生產主要是使用滾塑成型技術，其內壁所選用的材料多為線性低密度聚乙烯，它具有較高的強度和剛性，同時又保留了良好的韌性和耐環境應力開裂的優點，與滾塑成型的要求相符。但低密度聚乙烯的表面硬度差，耐磨性不佳，這些缺陷是可以通過材料的選擇和填充改性的方法來提升的。

（1）對不同牌號線性低密度聚乙烯進行了對比選擇，其中線性低密度聚乙烯SR644其懸臂梁缺口沖擊強度最高、零剪切粘度最低、綜合力學性能不錯，以此作為基本原料。然后運用填充改性的方法，添加了三種無機填料Al2O3微粉、SiO2微粉和Kaolin微粉，通過對填料和偶聯劑的品種、比例進行調整，使原有的線性低密度聚乙烯在拉伸性、彎曲性、硬度、懸臂梁缺口沖擊強度、零剪切粘度、熔體質量流動速率上獲得提升，可以確定線性低密度聚乙烯的填充改性的填料品種和比例，讓其可以獲得更好的耐磨性能。

（2）可以選擇超高分子量聚乙烯來替代原有的線性低密度聚乙烯作為鋼塑復合管的內壁原料。超高分子量聚乙烯的線性結構有很好的綜合性能，是一種較好的熱塑性工程塑料。它物理性能優良，其耐磨性與其他塑料相比更佳。可考慮使用超高分子量聚乙烯作為內壁原料，可以通過加入硅烷偶聯劑KH550使超高分子量聚乙烯整體性能更優，而在硅烷偶聯劑KH550用量最好控制在無機填料的1%為宜。

（3）Al2O3、SiO2、Kaolin三種微粉對線性低密度聚乙烯的填充改性。Al2O3微粉對其流變性能影響最大，會使其復合材料的熔體質量流動速率顯著提升。而Kaolin微粉對其零剪切粘度提升最高。對其硬度改善最佳、懸臂梁缺口沖擊強度降幅最小的是Al2O3微粉，對其拉伸和彎曲性能改善最大的是 Kaolin微粉。而對其耐磨性的改變，則是隨著無機填料用量的增多，磨損率呈現出先降后升的變化態勢。對磨損率改善效果最明顯的是Al2O3微粉。當用量達到15%時，其磨損率最低，僅是原有線性低密度聚乙烯的磨損率的46.1%。可見，無機填料的加入可以提高線性低密度聚乙烯復合材料的摩擦系數。但添加到一定數量后，其摩擦系數變化并不明顯而是在一定數值范圍內上下波動。

在填充了Al2O3微粉的線性低密度聚乙烯中加入超高分子量聚乙烯，可以讓復合材料的磨損率更低。如果加入23.1%的超高分子量聚乙烯可以使復合材料的磨損率降到原有線性低密度聚乙烯的38.9%。

四、結語

總之，通過選擇各方面性能良好的線性低密度聚乙烯，對其添加Al2O3、SiO2、Kaolin三種微分來進行填充改性，彌補原來線性低密度聚乙烯作為鋼塑復合管內壁材料的不足。讓以線性低密度聚乙烯為基礎材料的復合材料更具耐磨性，能更好的應用滾塑成型工藝生產質量更佳的鋼塑復合管。

參考文獻：

[1]王澤.鋼塑復合管用聚乙烯耐磨復合材料的研究[D].南京工業大學，2011.