刍议钢塑复合管用聚乙烯耐磨复合材料的研究

李云岩　瞿海德

摘要：钢塑复合管是在碳钢管的基础上，内壁衬上聚乙烯（PE）等塑料物质，经过特定工艺加工而成的复合型管材。让复合管既具有钢材料的特性，有具有塑料的耐磨和耐腐蚀性，是一种较为理想的管道材料。但在一些环境条件较差的企业中使用这种复合管材，也是会出现损耗迅速，发生管道破损的情况，这会给企业带来一定的不良影响，所以，对钢塑复合管用聚乙烯耐磨复合材料的研究是十分必要的。

关键词：钢塑复合管；线性低密度聚乙烯材料；低密度聚乙烯选择；填充改性；无机填料

钢塑复合管是新型的管道材料，是在碳鋼管的基础上，内壁衬上聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE）等物质，经过内衬冷拉复合工艺或是滚塑方法加工而形成的新的复合管道。钢塑复合管既具备了钢管材料的优点，又兼具了塑料管材的抗腐蚀性、耐磨性等特点，是一款性价比较高的复合管道。但对于一些工作条件较为艰苦的如电厂、矿山这类的企业来说，钢塑复合管的损耗速度一样很快，一旦出现管道的破损发生物质泄露也会给企业带来不小的损失。所以，对钢塑复合管内壁的聚乙烯耐磨复合材料的性能提升是很有必要的。

一、钢塑复合管的加工工艺

（一）钢塑复合管应用范围很广

因其具备了钢管的优点又兼具了塑料管的耐磨抗腐蚀性等特点，因此，被广泛应用于多个行业。比如电力、化工、矿山、医药、食品、石油等。钢塑复合管由于其性价比高，在经济发达国家发展的十分迅速，但对于我国来说还处于发展的初级阶段。随着相关技术、工艺上的突破和完善，技术标准的确定，使用范围的扩大和生产技术的成熟，未来钢塑复合管的发展空间巨大。

（二）钢塑复合管的滚塑成型工艺

滚塑成型工艺一般多用于加工中空型的产品，以旋转成型的方式进行加工，与其他成型工艺相比它的模具成本低，残留应力小等特点。可以用来生产大型的中空制品，其产品应用范围很广，发展速度很快。随着滚塑工艺和设备的进步，滚塑成型所生产的中空制品种类也在不断增加，更新速度很快。滚塑成型工艺的模具成本低、结构简单，适合制作大型结构复杂的塑料制品，投入原材料相对较少，成品厚度均匀无接缝，不容易发生变形，可以适用于绝大多数尺寸和形状的塑料制品的制作。

（三）滚塑成型工艺对原料的要求

滚塑成型的主要原理就是聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲醛等。它对材料是有一定要求的，必须是耐高温热稳定性好的液态或能高校研磨的425μm粉末。其中聚乙烯425μm的粉料最符合滚塑成型工艺的要求。

二、塑料的磨损过程、类型及影响因素

（一）塑料磨损的过程

有摩擦就会造成磨损，在这一点上塑料与金属物质的磨损是一致的。对于塑料来说，它的磨损过程分为三部分：磨合阶段，正常磨损阶段，高速磨损阶段。塑料的磨合阶段与金属相比，其磨损率高但时间短，但也有特例，比如超高分子量聚乙烯对不锈钢的磨损率，磨合阶段就小于正常磨损阶段。塑料的老化是造成它高速磨损的原因，处于摩擦中的塑料，由于各种因素造成的老化会加速磨损的速度，直至完全损坏。塑料磨损可以分为：粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损、腐蚀磨损。

（二）塑料磨损的影响因素

由于摩擦是造成磨损的原因，所以，对于摩擦有影响的因素都会对磨损造成影响。比如说材料、温度、湿度、滑动速度等都会有影响。但塑料的磨损不一定和摩擦系数相关，呈现出比较复杂多变的情形。一般规律是：塑料的磨损与所承受的力成正比，伴随着滑动速度的增大而增加，随着温度升高而增加，有润滑时磨损小，摩擦面的越细腻磨损越小。同种材料相互摩擦，硬度大磨损小。塑料的相对分子量越大，磨损越小。同时像结晶、辐射、添加剂、特殊处理等都对磨损有着不小的差异影响。

三、钢塑复合管聚乙烯耐磨复合材料的选择和研究

国内钢塑复合管的生产主要是使用滚塑成型技术，其内壁所选用的材料多为线性低密度聚乙烯，它具有较高的强度和刚性，同时又保留了良好的韧性和耐环境应力开裂的优点，与滚塑成型的要求相符。但低密度聚乙烯的表面硬度差，耐磨性不佳，这些缺陷是可以通过材料的选择和填充改性的方法来提升的。

（1）对不同牌号线性低密度聚乙烯进行了对比选择，其中线性低密度聚乙烯SR644其悬臂梁缺口冲击强度最高、零剪切粘度最低、综合力学性能不错，以此作为基本原料。然后运用填充改性的方法，添加了三种无机填料Al2O3微粉、SiO2微粉和Kaolin微粉，通过对填料和偶联剂的品种、比例进行调整，使原有的线性低密度聚乙烯在拉伸性、弯曲性、硬度、悬臂梁缺口冲击强度、零剪切粘度、熔体质量流动速率上获得提升，可以确定线性低密度聚乙烯的填充改性的填料品种和比例，让其可以获得更好的耐磨性能。

（2）可以选择超高分子量聚乙烯来替代原有的线性低密度聚乙烯作为钢塑复合管的内壁原料。超高分子量聚乙烯的线性结构有很好的综合性能，是一种较好的热塑性工程塑料。它物理性能优良，其耐磨性与其他塑料相比更佳。可考虑使用超高分子量聚乙烯作为内壁原料，可以通过加入硅烷偶联剂KH550使超高分子量聚乙烯整体性能更优，而在硅烷偶联剂KH550用量最好控制在无机填料的1%为宜。

（3）Al2O3、SiO2、Kaolin三种微粉对线性低密度聚乙烯的填充改性。Al2O3微粉对其流变性能影响最大，会使其复合材料的熔体质量流动速率显著提升。而Kaolin微粉对其零剪切粘度提升最高。对其硬度改善最佳、悬臂梁缺口冲击强度降幅最小的是Al2O3微粉，对其拉伸和弯曲性能改善最大的是 Kaolin微粉。而对其耐磨性的改变，则是随着无机填料用量的增多，磨损率呈现出先降后升的变化态势。对磨损率改善效果最明显的是Al2O3微粉。当用量达到15%时，其磨损率最低，仅是原有线性低密度聚乙烯的磨损率的46.1%。可见，无机填料的加入可以提高线性低密度聚乙烯复合材料的摩擦系数。但添加到一定数量后，其摩擦系数变化并不明显而是在一定数值范围内上下波动。

在填充了Al2O3微粉的线性低密度聚乙烯中加入超高分子量聚乙烯，可以让复合材料的磨损率更低。如果加入23.1%的超高分子量聚乙烯可以使复合材料的磨损率降到原有线性低密度聚乙烯的38.9%。

四、结语

总之，通过选择各方面性能良好的线性低密度聚乙烯，对其添加Al2O3、SiO2、Kaolin三种微分来进行填充改性，弥补原来线性低密度聚乙烯作为钢塑复合管内壁材料的不足。让以线性低密度聚乙烯为基础材料的复合材料更具耐磨性，能更好的应用滚塑成型工艺生产质量更佳的钢塑复合管。

参考文献：

[1]王泽.钢塑复合管用聚乙烯耐磨复合材料的研究[D].南京工业大学，2011.