衬管用改性超高相对分子质量聚乙烯管材的制备

2022-07-25杜悦

合成树脂及塑料 2022年3期

杜悦

（北京燕山石化高科技术有限责任公司，北京 102500）

超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）是指黏均分子量大于1.5×106的线型聚乙烯，是一种综合性能优异的热塑性塑料，具有优异的耐磨性、自润滑性、耐化学药品腐蚀性、抗结垢及抗结蜡性能。油田抽油和注水等过程中使用的钢制管道［1］普遍存在磨损、腐蚀和结蜡问题，影响油管的使用寿命。为此，将UHMWPE管材衬入常规钢制油管内部，形成抗磨、耐化学药品腐蚀性能优越的非金属衬层，利用衬层隔绝流体介质及抽油杆与油管内壁的直接接触，阻止钢制油管内壁腐蚀，防止金属管杆间相互摩擦，对钢制油管及抽油杆起到保护作用，切实有效地减少井筒故障频次，延长了油井检泵周期，确保了油井正常生产［2-3］。本工作选取不同牌号和用量的高密度聚乙烯（HDPE）及润滑剂，对UHMWPE进行共混改性，研究了HDPE和润滑剂对UHMWPE加工性能和力学性能的影响，通过配方筛选和优化，制备了一种既满足使用需求又具有良好加工性能的抽油管内衬管用改性UHMWPE管材。

1 实验部分

1.1 主要原料

UHMWPE YSU；HDPE YS-1，YS-2，YS-3，YS-4：中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司。润滑剂聚乙烯蜡，市售。抗氧剂JY B-225，北京极易化工有限公司。

1.2 主要仪器与设备

SJ 75型单螺杆管材挤出机，张家港格兰机械有限公司；MP600型熔体流动速率仪，美国Tinus Olsen公司；5567型电子万能试验机，美国Instron公司；XJJD-50型简支梁冲击试验机，承德市金建检测仪器有限公司；NO.148-HAD型全自动热变形维卡温度检测仪，日本安田精机制作所；Nova Nano SEM 450型场发射扫描电子显微镜，美国FEI公司。

1.3 试样制备

按表1配方准确称量各组分，将全部组分在高速混合机中由常温混合至80 ℃（耗时约10 min），使润滑剂能均匀包覆于树脂粉料表面。将混合好的物料降至40 ℃以下加入单螺杆管材挤出机，挤出机类型为牵引挤出法，挤出机各段温度为223，230，245，255，246，230，125，68 ℃，喂料转速3 r/min，挤出转速11 r/min，真空度0.08 MPa，牵引速度根据不同配方进行调整，得到的改性UHMWPE管材分别记作试样1～试样8。

表1 实验配方Tab.1 Experimental formula phr

1.4 性能测试

U H M W P E 管材的使用要求指标参照Q/SH1020 1889—2011，其中，UHMWPE管材的拉伸性能按GB/T 8804.3—2003测试，拉伸速度50 mm/min；简支梁缺口冲击强度按GB/T 1043.1—2008测试；维卡软化温度按GB/T 1633—2000测试，测试条件为A50，即10 N的力和50 ℃/h的加热速率。扫描电子显微镜（SEM）观察，将试样黏在导电胶上，进行喷Au/Pt处理，观察冲击断面。

翻边实验：翻边实验的目的是考察管材的柔韧性是否满足抽油管生产安装需要。将UHMWPE管材衬入钢制抽油管内，衬管与加热炉中心对正，加热均匀后放入翻边机用固定钳夹住，将衬管管壁向外翻，用手轻柔形成喇叭状，将翻边模具塞入衬管，放正模具，开启气缸将翻边模具顶入衬管内，等待10～30 s，并用压缩空气冷却翻边区域。

2 结果与讨论

2.1 UHMWPE用量对管材力学性能的影响

从表2可以看出：随着UHMWPE用量的增加，管材的拉伸屈服应力、断裂拉伸应变提高，冲击强度变化不大。试样3的结果较接近目标值，说明在设计配方时，UHMWPE用量在70.0 phr左右，才能基本保证管材的基础力学性能，而更高的UHMWPE用量会降低管材的挤出速度，影响生产效率，还会提高原料成本。从表2还可以看出：随着UHMWPE用量的升高，维卡软化温度逐步提高，但没有达到130 ℃。根据实验现象可以推断，如果不断提高UHMWPE用量，维卡软化温度还会有所提高，但考虑生产成本以及管材加工性能，UHMWPE用量最好不超过70.0 phr。维卡软化温度的进一步提高还可以通过调整其他组分来实现。

表2 管材性能测试结果Tab.2 Test results of pipe

2.2 HDPE牌号对改性UHMWPE性能的影响

根据HDPE熔体质量流动速率（MFR）的差异性，选取了4个牌号HDPE制备试样3～试样6，用于改善UHMWPE加工性能、力学性能及热性能，使UHMWPE能够便于挤出，并保证管材的性能达到使用要求。从表3可以看出：HDPE的维卡软化温度在124～130 ℃，UHMWPE的维卡软化温度为135℃，因此，管材的热性能指标主要是靠UHMWPE部分提升的，随着UHMWPE用量的增加，维卡软化温度逐渐提高。在UHMWPE与HDPE比例一定的条件下，选择维卡软化温度较高的HDPE有利于进一步提升材料的维卡软化温度。

表3 树脂的性能Tab.3 Properties of resin

从表4可以看出：4个试样的力学性能基本都能够满足或接近管材的使用要求。试样4的流动性比其他3个试样有较大程度的提高，是由于使用的HDPE YS-2具有较高的MFR造成的。热性能主要是由材料自身性能决定的，只有采用YS-4改性的试样6的热性能满足管材使用要求。

表4 UHMWPE管材的性能测试结果Tab.4 Performance test results of UHMWPE pipe

从图1看出：试样3和试样5的断面均具有一定方向性的褶皱带，褶皱带数量通常表征材料在形变过程中吸收能量的多少［4］，褶皱带越多，材料断裂吸收的能量越高，韧性越好；试样4的断面有较多不规则鱼鳞状断裂结构，在宏观力学性能上表现为冲击强度相对较低；试样6的断面形成了云朵状被拉断的细微纤维拉丝，在UHMWPE聚集态结构中，无定型区和中间相的模量较低，在受到冲击时无定型区和中间相的片晶被拉出或断裂，在试样表面形成拉丝状结构，这些拉丝在材料受到冲击时起到一定的联结作用，能够一定程度上抑制破坏的作用，提高材料力学性能［5］，因此，试样6的断面虽然不具有褶皱带，但力学性能仍然较好。

图1 试样3～试样6冲击样条断面的SEM照片（×5 000）Fig.1 SEM photos of impact spline section of sample 3，4，5，6

HDPE的MFR对UHMWPE管材挤出速度影响较显著。由于YS-2的MFR较大，使试样4的挤出速度较快，但在口模处可以看到物料挤出后仍呈现白色。这一现象说明，管材中有一部分UHMWPE在螺杆中尚未完全熔融就已经挤出。这是由于MFR较大的HDPE与UHMWPE共混时，两者在熔融状态下容易出现黏度失配现象，HDPE不能均匀地分散在UHMWPE中，流动性较好的HDPE成为润滑剂，夹带着熔融不充分的UHMWPE很快从螺杆挤出。试样5和试样6由于挤出速度较合适，原料在螺杆中有充分的时间熔融，口模处物料呈现透明状。

综上所述，采用YS-4制备的试样6的力学性能、热性能都能够达到使用标准，是较理想的共混体系。这是材料自身性能以及组分间的相容性共同决定的，因此继续采用YS-4开展实验。

2.3 润滑剂对管材性能的影响

润滑剂主要对UHMWPE和HDPE的混合均匀性和挤出速度有影响。从表5可以看出：3个试样的性能均满足使用要求。试样的力学性能随着润滑剂用量的提高逐渐降低，而挤出速度提高。熔融的润滑剂渗透进入UHMWPE分子链内部，有助于分子链的打开并促进与HDPE的互相扩散，提高了加工速度。另一方面，由于润滑剂的熔点较低，用量过多又会成为小分子杂质，影响材料的力学性能，因此润滑剂用量不宜过高。

表5 UHMWPE管材性能测试结果Tab.5 Performance test results of UHMWPE pipe

试样7表面光洁度较高，试样8表面光洁度较差，出现不光滑粗糙感。可能是由于润滑剂用量偏高，在高温条件下分解，造成表面质感下降。另外，由于润滑剂相对于聚乙烯的流动性很高且熔点较低，在混合物料中流速过快，添加量较高会造成UHMWPE与HDPE之间发生滑移，造成相分离，在管材表面留下熔体流动的痕迹。从试样6～试样8的实验结果看出，添加润滑剂起到了提高加工效率的效果，润滑剂用量不超过4.0 phr较为合适，试样6和试样7既满足了材料的使用要求，又提高了管材挤出速度，管材挤出速度最高可达0.26 m/min。

2.4 管材翻边实验

为了满足管材衬入钢管安装的实验要求，对管材的穿衬翻边效果进行考察。管材翻边实验的成功与否与UHMWPE和HDPE的相容性、混合均匀性有关。试样4的翻边实验不成功（见图2），其他试样都成功进行了翻边实验。说明这些试样的韧性良好，制品内部无缺陷。由于试样4使用的YS-2流动性与UHMWPE相差过大，两者产生了相分离，降低了分子链相互扩散均匀性，最终导致两种组分的物料融合不够充分，从而影响了材料的力学性能。HDPE牌号的选择应当遵循流动性适中原则，既不能太快，需要保证UHMWPE在螺杆中有足够的停留时间待其熔融，使UHMWPE分子链与HDPE分子链相互缠结；也不能太慢，要保证管材厂家有较高的生产效率。