一步法成型保温管聚氨酯泡沫层力学性能研究

申希海，陆琴芳，赫连建峰，刘金霞，张丽萍

中国石油集团工程技术研究院，天津300451

一步法成型保温管聚氨酯泡沫层力学性能研究

申希海，陆琴芳，赫连建峰，刘金霞，张丽萍

中国石油集团工程技术研究院，天津300451

文章对采用“一步法”成型工艺生产的保温管取其聚氨酯泡沫保温层剖面不同位置的试样进行密度和力学性能研究，探讨了保温层试样性能的差异。采用扫描电子显微镜观察了初始泡孔结构，发现低密度聚氨酯泡沫的泡孔结构为多面体，泡孔之间以薄膜相隔离；高密度泡沫的泡孔结构呈球形，气泡之间相互孤立；中密度泡沫的泡孔以球形和多面体形状混合存在。

保温管；聚氨酯泡沫；力学性能；抗压强度；泡孔结构

近年来，聚氨酯泡沫塑料在海底油气保温管道、埋地输油管道上得到了广泛应用，为进一步提高聚氨酯泡沫保温管的生产质量，对“一步法”成型保温管聚氨酯泡沫层力学性能进行了研究。

1 “一步法”保温管生产方法

1.1 聚氨酯泡沫塑料的典型配方[1]（见表1）

表1中的异氰酸酯俗称黑料，其他成分如聚醚多元醇、催化剂、发泡剂、稳定剂、抗氧化剂等的混合物，俗称白料。实际使用时可通过调节黑白料的配合比来满足工艺和环境条件对保温材料的不同要求。

表1 聚氨酯泡沫塑料的典型配方

1.2 “一步法”生产工艺及要求（见图1）

（1）挤出机各段加热温度的控制：从加料段到挤出段温度呈梯度上升分布，挤出温度宜为（205±10）℃。

（2）泡沫塑料发泡前，应将钢管外表面加热到（30±5）℃，并应把白料和黑料预热到规定温度，白料应连续搅拌。

（3）泡沫塑料的原料可用喷枪连续混合，喷枪空气压力不低于0.5 MPa。

图1 “一步法”成型保温管生产工艺流程示意

2 保温层性能测试方法

保温管生产完成后应在厂房内熟化一定时间，环境温度较低时，在厂房内熟化时间应不少于4 h。将发泡熟化后的聚氨酯泡沫去除表皮，按照试验要求在不同的位置截取块料，进行力学性能试验的样品沿轴线方向取料，并按标准规定的要求进行磨制[2]。按GB/T 10297-1998、GB/T8813-2008、GB/T6343-2009的要求，分别测定保温材料的导热系数、抗压强度、表观密度。将聚氨酯泡沫样品在液氮中脆断，脆断样品经表面喷金处理后，用扫描电子显微镜观察泡沫的显微结构[3]。

3 结果与讨论

3.1 泡孔结构特性

聚氨酯泡沫塑料是由聚合物和气孔二相体系构成的，其中聚合物是连续相，气孔为分散相[4]。从图2可以看出，在泡孔结构的二维视图中，呈现高亮白色的部分为泡孔壁断面，呈现黑色或灰色的部分为充满气体的泡孔内部。

图2 不同密度的聚氨酯泡沫胞体的结构特性

比较图2的（a）、（b）、（c）照片可以看出，低密度聚氨酯泡沫的泡孔结构为多面体，泡孔之间以薄膜相隔离；高密度泡沫的泡孔结构呈球形，气泡之间相互孤立；中密度泡沫的泡孔以球形和多面体形状混合存在。

表2 不同温度下保温材料的导热系数

3.2 不同温度下保温材料的导热系数（见表2）

从表2可以看出，在21℃（常温）、50℃两种温度下，保温材料的导热系数均满足GB/T50538-2010《埋地钢质管道防腐保温层技术标准》的有关要求。

3.3 配料比例与密度、抗压强度之间的关系

在同等工艺条件下，按照四种不同黑白料配比进行发泡，分别测试聚氨酯泡沫塑料的表观密度和抗压强度，得到如图3所示的结果。从图3可以看出，当黑白料配比为1.15∶1时，泡沫的密度和抗压强度较高，分别为52 kg/m3和0.24 MPa。

图3 黑白料配比与密度、抗压强度的关系

3.4 保温材料密度和力学性能

3.4.1 不同位置保温材料的密度与抗压强度的关系

分别取聚氨酯泡沫保温层的上部、中上、中下、下部等位置的试样，经测试得到同等试验条件下各组试验样品的密度和抗压强度值，见图4。从图4可以看出，在一定范围内，随着聚氨酯泡沫表观密度的增大，泡沫塑料的抗压强度也随之增大。

图4 密度与抗压强度之间的关系

3.4.2 保温材料塑性力学模型的验证

Gibson与Ashby提出了闭孔和开孔泡沫塑料力学模型，并推导了硬质泡沫塑料杨氏模量、弹性屈服应力（压缩强度）与密度关系的半解析方程，即Gibson-Ashby公式[5]，见式（1）、（2）。

式中E0、E——分别为基体材料、泡沫材料的杨氏模量；

ρ、ρ0——分别为基体材料、泡沫材料的密度；

φ——棱边聚合物分数；

Pi——泡孔的内部压力；

Pat——大气压；

υ——泊松比；

σel——弹性屈服应力（压缩强度）。假定绝大多数聚合物都集中在棱边上（φ≈1），泊松比与致密固体接近（即v≈0.5），并且泡孔内部压力与大气压相等，则式（1）、（2）可以简化为各自的第一项，方程形成指数关系。Goods[6]对硬质闭孔聚氨酯泡沫塑料的模量、抗压强度与密度之间的关系进行了试验研究，结果表明抗压强度与密度之间存在特定的指数关系。Philip和Miller等人[7]针对高密度的硬质聚氨酯泡沫塑料的抗压强度、蠕变和蠕变恢复进行了研究，结果显示压缩强度也与密度的平方成正比。

通过以上文献资料的对比分析，可以验证本文试验结果与Goods，Philip和Miller等人的研究结果大致吻合，即在一定范围内，聚氨酯泡沫抗压强度随其表观密度的增大而增大，同时也与Gibson-Ashby公式一致。

从图4可以看出，“一步法”成型工艺制作的聚氨酯保温层从顶部到底部的密度、抗压强度存在明显的差异，可以断定，这是由于在发泡过程中泡沫保温材料受到重力的作用、发泡空间的位阻作用、气泡的上浮作用等，导致聚乙烯外护层底部形成的保温层密度、抗压强度明显高于上部，影响了保温层性能的均匀性。

4 结论

（1）采用“一步法”发泡工艺成型的聚氨酯泡沫保温层，聚乙烯外护层底部形成的保温层密度、抗压强度明显高于上部，因此在实际生产中要严格控制保温层材料的均匀性。

（2）在同等工艺条件下发泡成型的聚氨酯泡沫，其抗压强度随着密度的增大而增大，验证了Gibson-Ashby塑性力学模型。

（3）聚氨酯泡沫塑料是由聚合物和气孔二相体系构成的，低密度聚氨酯泡沫的泡孔结构为多面体，泡孔之间以薄膜相隔离；高密度泡沫的泡孔结构呈球形，气泡之间相互孤立；中密度泡沫的泡孔以球形和多面体形状混合存在。

[1]王伟力.硬质聚氨酯泡沫塑料力学性能与密度、增强剂含量的关系[J].工程塑料应用，2001，29（8）：8-10.

[2]李洪波.全水发泡聚氨酯硬质泡沫塑料的制备及结构与性能研究[D].北京：北京化工大学，2009.

[3]吴蓁，郭青，沈军，等.硬质聚氨酯泡沫塑料结构及其性能的研究[J].建筑材料学报，2009，12（4）：453-457.

[4]卢子兴.硬质聚氨酯泡沫塑料压缩力学性能[J].材料研究学报，1994，8（5）：452-456.

[5]梁书恩.聚氨酯泡沫塑料泡孔结构与力学性能关系的研究[D].四川绵阳：中国工程物理研究院，2005.

[6]Goods S，Neuschwanger C，Henderson C，etc．Mechanical properties of CRETE,a polyurethane foam[J].Journal of Applied Polymer Science，1998，68（7）：1 045-1 055.

[7]Philip C，Miller T，Sina T．Compressive properties of rigid polyurethane foams[J].Polymers and Polymer Composites，1999，7（2）：117-124.

Study on Mechanical Properties of One-step Forming Process of Polyurethane Insulating Pipe

Shen Xihai，Lu Qinfang，Helian Jianfeng，Liu Jinxia，Zhang Liping
CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China

The polyurethane foam layer test specimens are taken from different places at the cross-section of a polyurethane insulating pipe formed by one-step forming technology.The research on the densities and mechanical properties of the specimens is conducted and the discrepancies in the specimen properties are discussed.The structural characteristics of foam cellstructure are investigated by a scanning electron micrography（SEM）.It is found that the foam cells of low density polyurethane have the polyhedral structure separated by membranes；the foam cells of high density polyurethane have the spherical structure isolated each other；the foam cells of middle density polyurethane have the mixed structures of sphere and polyhedron.

thermalinsulation pipe；polyurethane foam；mechanicalproperties；compressive strength；foam cellstructure

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.021

申希海（1981-），男，山东沂水人，工程师，2009年毕业于南京工业大学，硕士，现主要从事防腐保温材料的监督检验工作。

2014-08-20