改性聚乙烯树脂引入双壁波纹管的制备及质量优化结果

胡华 樊明珠 罗琛杰 张荣荣

摘要：针对传统双壁波纹管用树脂拉伸强度低，拉伸模量和缺口冲击强度低问题，提出用玄武岩纤维对聚乙烯树脂进行改性，并用双壁波纹管制备，研究了改性后聚乙烯树脂的增强机理。结果表明，最佳改性条件为硅烷偶联剂含量和型号分别为0.25%和A172，玄武岩纤维的含量和长度分别为7.5%和8 mm，双壁波纹管复合材料最佳制备条件为注塑温度220℃、保压时间30 s、注塑压力为轻微溢料。在此条件下制备的复合材料拉伸强度和拉伸模量分别为28 MPa 和1.75 GPa，缺口冲击强度为16 kJ/m2；双壁波纹管在荷载达0.1 MPa 条件下，BF/HDPE 材料较HDPE 材料竖向和横向变形量分别降低了15.9%和8.8%，表现出较好的稳定性。

关键词：玄武岩纤维；改性聚乙烯树脂；拉伸性能；双壁波纹管

中图分类号：TQ322.4；TQ342+.61文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）05-0077-05

Preparationandqualityoptimizationtestof doublewall corrugatedpipeusingmodifiedpolyethyleneresin

HU Hua，FAN Mingzhu，LUO Chenjie，ZHANG Rongrong

（Yuncheng University Department of Physics and Electrical Engineering，Yuncheng 04600，Shanxi China）

Abstract： Due to the problems of low tensile strength，tensile modulus and notched impact strength of traditional double-wall corrugated pipe resin，we proposed to modify the polyethylene resin with basalt fiber for the prepara? tion of double-wall corrugated pipe. The reinforcement mechanism of the modified polyethylene resin was studied. The experimental results showed that the optimal modification conditions of polyethylene resin were：silane cou? pling agent content and model were 0.25% and A172，basalt fiber content and length were 7.5% and 8mm，respec? tively. The optimal preparation conditions of double wall corrugated pipe composite were：injection temperature was 220℃ ， holding time was 30s，and injection pressure was slight overflowed. The tensile strength and tensile modulus of the composites prepared under these conditions were 28Mpa and 1.75gpa respectively，and the notch impact strength was 16kj / m2. When the load reached 0.1MPa，the vertical and lateral deformation of BF / HDPE material were reduced by 15.9% and 8.8%，respectively，compared with HDPE material，showing good stability.

Keywords： Basalt fiber；Modified polyethylene resin；Tensile properties；Double wall bellows

双壁波纹管因其质量轻、耐低温、耐腐蚀和埋地使用寿命长的特点，常用于市政排水排污、水利工程输水管道和化工流体输送。但传统高密度聚乙烯（HDPE）管道受树脂材料特性的影响，存在强度低、缺口冲击强度低的问题，在使用时，可能因为流体压力过高，造成管道破裂的问题，给管道使用安全和经济效益都产生影响。为了提升HDPE 树脂的性能，部分学者也进行了很多研究，如通过玻璃纤维对聚乙烯热塑性复合材料冲击性能进行提升，玻璃纤维對聚乙烯热塑复合材料的冲击韧性有较好的提升作用[1]；通过连续长玻璃纤维对聚乙烯功能母粒进行增强，改善聚乙烯的拉伸强度和断裂伸长率[2]；研究也证明了通过纤维可有效增强超高分子量聚乙烯的性能[3-4]；通过多种方式制备了多元杂化填料改性的聚乙烯基导热复合材料[5]。以上学者的研究都证明，纤维能有效增强聚乙烯树脂的性能。基于此，本研究以文献[6]为参考，通过改性玄武岩纤维对HDPE 塑料进行进一步改性，探讨了改性材料制备的双壁波纹管性能变化。

1 试验材料与

1.1 材料与设备

主要材料：无水乙醇（AR），汝新化工贸易；高密度聚乙烯（HDPE）（优级），文阁塑化；玄武岩纤维（优级），环润工程材料）；A-172硅烷偶联剂（KH550），能德新材料技术。

主要设备：YZG 型真空干燥箱（升溢干燥设备）； MYP11-2型恒温磁力搅拌器，梅颖浦仪器仪表制造； SJ-45型单螺杆挤出机，锡华机械科技；ZY-9000S 型万能试验机，卓亚仪器。

1.2 试验方法

1.2.1 纤维表面改性

（1）在无水乙醇中分别放入不同质量的KH550、 A-172型硅烷偶联剂，在MYP11-2型恒温磁力搅拌器的作用下混合搅拌30 min；

（2）按照纤/液比3∶10的比例在装有硅烷偶联剂溶液中的烧杯中放入聚乙烯纤维，放置时需注意使得硅烷偶联剂完全浸没纤维，浸泡时间为1 h。取出纤维自然风干后，置于真空干燥箱中加热，加热温度和时间分别为120℃和120 min。待第1加热阶段结束后，将真空干燥箱的温度降低至80℃ ， 继续干燥，干燥时间为8 h，得到改性后纤维。

1.2.2 改性聚乙烯树脂复合材料的制备

（1）使玄武岩纤维束筒依次从干燥装置和浸渍模具中穿过，并将其固定在单螺杆挤出机上。将高密度聚乙烯（HDPE）置于YZG 型真空干燥箱内进烘干，烘干温度和时间分别为40℃和8 h；

（2）将 HDPE 放入挤出机机筒，通过挤出机将 HDPE 熔融，进入浸漬模具。将连续玄武岩纤维通过放线和干燥装置，并以一定速率通过浸渍模具，使 HDPE 完全包裹住纤维，最后经过牵引将改性聚乙烯树脂复合材料拉出，待其冷却固化后通过切粒机进行切粒；最后在真空干燥箱的作用下进行烘干，烘干温度和时间分别为40℃和8 h，得到纤维增强粒料；

（3）将纤维增强粒料与纯HDPE 粒子进行混合，然后在注塑机的作用下进行注塑。

1.2.3 改性聚乙烯树脂复合材料双壁波纹管的制备

分别以HDPE和BF/HDPE为材料，通过挤出成型得到HDPE双壁波纹管，制备双壁波纹管进行试验。

1.3 性能测试

1.3.1 拉伸性能测试

参照 GB/T 1040—2006，用ZY-9000S 型万能试验机对材料拉伸性能进行测试，万能试验机加载速率为2 mm/min[7]。

拉伸强度表达式：

σF/A（1）

式中：σ为拉伸强度，MPa；F 为试件极限荷载，N；A 为试件截面面积。

拉伸模量表达式为：

E （F0.5-F0.2）/（ε0.5-ε0.2）A（2）

式中：E为拉伸模量，GPa；F0.5、F0.2分别为应力达到极限应力的50%和20%的拉伸荷载，N；ε0.5、ε0.2分别为应力达到极限应力的50%和20%的应变。

1.3.2 缺口冲击强度测定

参照 GB/T 1043.1—2008对试件的缺口冲击强度进行测定[8]。冲击参数：冲击能力7.5 J，锤子举起角度150°。

1.4 双壁波纹管数值模拟试验

参照GB/T 19472.1—2004对管道尺寸进行设计，通过ABAQUS 的Standard 模块进行建模[9]。为使得计算结果与实际效果更为接近，在建模的过程中，设计管道沟槽宽度为2 m、沟槽两侧原状土体各取2 m、管底土体取1 m、管顶覆土取1 m、整体模型沿管道径向长度为1 m[10]。双壁波纹管体与土体分别采用四边形网格和六面体网格划分；根据 GB 50332—2002及 GJBT—77804S520规范，采用标准值作为代表值[11-12]。

2.1纤维表面改性处理

本试验主要采用 KH550、A-172型硅烷偶联剂对纤维改性，2种改性纤维制备的改性聚乙烯树脂复合材料力学性能的变化如图1所示。

从图1可以看出，在低含量的条件下，A-172硅烷偶联剂对纤维改性聚乙烯树脂复合材料的影响较优，随溶液含量的增加，A-172型硅烷偶联剂对材料的力学性能增强作用开始减弱，KH550型硅烷偶联剂对材料力学性能增强作用增加，二者最佳改性效果分别出现在质量分数分别为0.25%和0.75%时。出现这个变化的主要原因在于，A-172分子结构中同时存在甲氧基和对称性较好的乙氧基；而KH-550分子结构中仅存在甲氧基[13-14]。A-172中的乙氧基对电荷均匀分布产生积极的影响，在多电子的作用下，使硅烷偶联剂更易与纤维结合，低含量硅烷偶联剂就能达到理想的改性效果。同时，A-172在纤维表面附着，使其表面存在很多凹凸不平的颗粒。受冲击作用，在纤维上形成可吸收大量能量的银纹，在一定程度上提升了改性聚乙烯树脂复合材料的缺口冲击强度。综合比较，质量分数0.25%的A-172型硅烷偶联剂的改性效果较好，以此继续进行试验。

2.2纤维含量及长度优化

以力学性能为指标，对改性聚乙烯树脂复合材料中纤维长度和含量进行优化，结果如图2所示。

从图2可以看出，在同等纤维长度的条件下，随纤维含量的增加，纤维力学性能表现出先增加后降低的变化趋势。这是因为纤维负担了部分树脂基体界面应力，在外界压力条件下，纤维掺量越多，承受的应力作用也越多，因此力学性能也越好[15]。但纤维用量存在适宜值，一旦超过适宜值，过量的纤维在基体内部互相缠结结团，在受外界压力时，无法承受更多的压力，使得力学性能有一定下降。同时，从图2还可看出，当纤维长度增加至8 mm 时，改性聚乙烯树脂复合材料力学性能明显上升，继续增加纤维长度，改性聚乙烯树脂复合材料力学性能反而有所下降。出现这个变化的主要原因在于，纤维较短，与树脂基体的结合面积小，产生的界面力也较小，在受外力作用时，难以发挥作用。而纤维长度增加，界面结合面积增加，界面力也随之增加，在受外力作用时，能分担部分应力，增强其力学性能。但纤维超过一定值后，在注塑的过程中，受注塑压力的影响，纤维会出现断裂，缠结的情况，使得纤维无法均匀分散，这就导致了基体整体力学性能下降的情况。因此，纤维长度超过8 mm时，改性聚乙烯树脂复合材料的力学性能反而下降。综上比较，选择适合的纤维掺量长度分别为7.5%和8 mm。

2.3 注塑工艺的优化

确定改性聚乙烯树脂复合材料中，纤维掺量和纤维长度后，对注塑工艺进行优化。

2.3.1 注塑温度的优化

图3为注塑温度的影响。

从图3可以看出，注塑温度提升至210℃后，改性聚乙烯树脂复合材料的拉伸强度和拉伸模量从上升状态趋于平衡，但缺口冲击强度并且达到最高点。当注塑温度继续提升至220℃后，缺口冲击强度才达到最高点15 kJ/m2。出现这个变化的主要原因，在一定注塑温度条件下，树脂完全熔化，与纤维更好的结合，因此在刚开始提升注塑温度时，拉伸强度和拉伸模量有所增加；而注塑温度达到树脂熔点后，树脂已经与纤维完全结合，因此继续增加注塑温度，拉伸强度和模量并没有太大的变化。注塑温度主要是通过对树脂黏度的影响，影响改性聚乙烯树脂复合材料的缺口冲击强度，在低温条件下，树脂黏度高，难以充分浸润纤维，试件难以成型，改性聚乙烯树脂复合材料整体性差，缺陷也多。随注塑温度的提升，树脂黏度增加，对纤维的浸润程度增加，缺口冲击强度也随之增加。但过高的注塑温度，树脂的部分成分被分解，树脂本身性能下降，因此缺口冲击强度也有所下降。综合比较，选择适宜的注塑温度为220℃。

2.3.2 注塑压力的优化

图4为注塑压力的变化。

从图4可以看出，纯 PE材料性能明显差于复合材料。但注塑压力对复合材料整体力学性能并没有太大的影响。这是因为注塑压力不对聚合物化学变化产生影响，只决定充模质量的好坏。在注塑的过程中，注塑压力过小会导致聚合物难以在模具中充分流动，制备的改性聚乙烯树脂复合材料结构不够密实，但过大的注塑压力会导致溢料现象，因此在进行注塑时，注塑压力应该控制在轻微溢料，此时树脂材料完全在模具中充盈，也不会造成物料的浪费。

2.3.3 保压时间优化

图5为保压时间对材料力学性能的影响。

从图5可以看出，保压时间几乎不影响改性聚乙烯树脂复合材料的力学性能。这是因为保压时间主要影响试件内部的应力，几乎不影响树脂与纤维的结合力，因此改性聚乙烯树脂复合材料力学性能几乎不发生改变。但保压时间较短时，可能导致试件出现翘曲变形的情况，保压时间过长又会造成资源的浪费。因此在后续试验中选择保压时间为30 s。此时制备的复合材料拉伸强度和拉伸模量分别为28 MPa 和1.75 GPa，缺口冲击强度为16 kJ/m2。

2.4 双壁波纹管变形

通过对管道施加不同荷载，确定制备的管道的承压能力；管道变形情况如图6所示。

从图6可以看出，在小荷载条件下，2种材料的变形差别不大；但随荷载的提升，2种材料变形差异性凸显出来，BF/HDPE 材料抗变形能力更优。当管道承受荷载达到0.1 Pa 时，BF/HDPE 较HDPE 竖向和横向变形量分别降低了15.9%和8.8%，这说明BF/HDPE 复合材料能够在双壁波纹管结构中发挥本身高模量的特点，减小管道的变形，发挥较好的作用。

3 结语

（1）质量分数0.25%的A-172型硅烷偶联剂对玄武岩纤维表面改性作用最好；

（2）纤维长度和含量优化结果为，纤维长度为8 mm、质量分数为7.5%的玄武岩纤维对复合材料的改性效果最好；

（3）注塑工艺优化结果，适宜的注塑温度为220℃、保壓时间为30 s，注塑压力为轻微溢料；

（4）制备的复合材料用于双壁波纹管制备时，在荷载达到0.1 MPa 时，BF/HDPE 较HDPE 竖向和横向变形量分别降低了15.9%和8.8%，发挥出更好的性能，表现出较好的稳定性。

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