改性增强复合材料(HDPE)在市政给排水管道中的应用研究

2023-08-08杨柯瑶

粘接 2023年7期

杨柯瑶

摘要：为了改善市政给排水波纹管的力学性能，采用粉煤灰用作高密度有机材料聚乙烯（HDPE）中的增强填料，以开发复合排水管道材料。将粉煤灰用硅烷偶联剂进行表面处理，HDPE-g-马来酸酐用作相容剂。通过挤压混合和注射成型制备复合排水管道样品。分析了复合材料的横截面形态、热稳定性和力学性能。研究结果表明，当10%的改性粉煤灰和5%的相容剂添加到聚乙烯中时，复合材料的拉伸屈服强度和拉伸断裂强度分别比纯聚乙烯高出近30.2%和40.4%，杨氏模量可以达到1 451.07 MPa。利用有限元分析对波纹管的环刚度进行了分析，变形主要发生在波纹管上方，并集中在它与上部钢板接触的位置。

关键词：复合材料；市政；管道；粉煤灰；聚乙烯

中图分类号：TQ317

文献标志码：A

文章编号：1001-5922（2023）07-0106-05

Application research of modified reinforced composite material （HDPE） in municipal drainage pipeline

YANG Keyao

（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xian 710043，China

）

Abstract：In order to improve the mechanical properties of municipal water supply and drainage corrugated pipes，fly ash was used as the reinforcing filler in high-density organic material polyethylene （HDPE） to develop composite drainage pipe materials.The surface of fly ash was treated with silane coupling agent，and HDPE-g-maleic anhydride was used as compatibilizer.Composite drainage pipe samples were prepared by extrusion mixing and injection molding.The cross section morphology，thermal stability and mechanical properties of the composite were studied.It was found that when 10% modified fly ash and 5% compatibilizer were added to polyethylene，the tensile yield strength and tensile breaking strength of the composite were nearly 30.2% and 40.4% higher than that of pure polyethylene，respectively，and the Young's modulus could reach 1 451.07 MPa.In addition，the ring stiffness of the bellows was analyzed by finite element analysis.The deformation mainly occured above the bellows and concentrates on the position where it contacts the upper steel plate.

Key words：composite materials;municipal;the conduit;fly ash;polyethylene

長期以来，市政给排水管道一直存在排水和排污管道性能不足、管道质量参差不齐等问题［1］。因此提高给排水管道的力学性能迫在眉睫。如今，埋地大直径双壁波纹管也逐渐从水泥或钢材升级为高分子材料［2］。高密度聚乙烯（HDPE）因其优异的综合力学性能而成为大多数波纹管制造商的首选材料。高密度聚乙烯（HDPE）的引入进一步拓宽了波纹管材料的市场。目前有在聚烯烃中掺入填料以增强材料的强度或韧性［3］。然而，这些填料通常来自采矿，很容易破坏地质和污染环境。因此，目前有使用固体废物作为增强填料。例如，已有学者使用有机材料改性粉煤灰，粉煤灰作为增强材料［4］，可以使HDPE具有出色的强度和刚度。且粉煤灰是一种富含铝硅酸盐的废物，质量轻，强度高，从燃煤发电厂获得。由于聚合物通常是疏水性的，而粉煤灰是亲水的，因此对填料、基质或二者进行改性是有帮助的［5］。使用硅烷偶联剂处理粉煤灰表面，制备了FA/HDPE复合材料。结果表明，添加粉煤可以极大提高复合材料的力学性能和热稳定性，但断裂伸长率会降低［6］。研究了超细粉煤灰（UFA）掺入对HDPE复合材料性能的影响。结果表明，未经表面处理的UFA颗粒可以均匀分散在聚乙烯中，UFA对刚性颗粒具有明显的增韧作用。然而，UFA的加入大大降低了复合材料体系的断裂伸长率［7］。综上所述，在HDPE中掺入不同的填料可以提高HDPE的强度或韧性。然而，在聚乙烯材料中很难同时保持高强度和韧性。因此，开发一种简单、有效、低成本的HDPE复合材料制备方法具有重要意义。

基于此，研究以粉煤灰为填料，探讨粉煤灰对有机材料高密度聚乙烯（HDPE）的强度和刚度的影响。且将粉煤灰与硅烷偶联剂混合以获得经过改性的粉煤灰。将一定量的粉煤灰与低密度聚乙烯（LDPE）熔融共混制备增强母粒。然后将混合物与HDPE-g-马来酸酐（HDPE-g-MAH）熔融共混作为相容剂。进一步研究粉煤灰和增容剂含量对复合材料拉伸性能、力学性能、微观形貌和热稳定性。此外，采用有限元分析法分析了复合材料制备的波纹管的环刚度。

1 材料和方法

1.1 试验材料

无水乙醇和冰醋酸是从阿拉丁生化科技有限公司购得。3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTS）由南京创石化工添加剂公司提供。聚乙烯（HDPE）购自陶氏化学公司，熔体流动指数为12.4 g（10 min）。粉煤灰（FA）购自山西湖津煤电新材料公司，并采用X射线荧光分析粉煤灰化学成分，结果如表1所示。

1.2 硅烷偶联剂改性粉煤灰

为了提高粉煤灰（FA）和聚乙烯（HDPE）的相容性，对FA的表面进行改性。硅烷改性FA是指将APTS嫁接到FA上［8］。首先，将无水乙醇和去离子水充分混合，产生混合溶剂。然后加入硅烷偶联剂（ATPS），并加入冰醋酸将pH值调至5。在室温下通过用磁力搅拌器搅拌30分钟获得水解ATPS。水解硅烷偶联剂中组分的质量比为硅烷偶联剂∶去离子水∶无水乙醇=1∶1∶9。将水解的ATPS喷洒在FA颗粒表面，其质量分数为FA颗粒的3%。使用高速混合器将材料高速混合约10 min，然后排出材料。将物料置于干燥箱中，在100 ～120 ℃干燥2 h，得到硅烷偶联剂改性的粉煤灰。

1.3 粉煤灰母料制备

为了使FA在HDPE中更均匀地分布，并防止其造成二次污染，FA被制备为填充母料。将一定量的线性低密度聚乙烯（LDPE）和适量的聚乙烯蜡添加到高速混合器中，然后在80 ℃的温度下高速混合15 min［9］。并将相同量的改性FA添加到高速混合器中。首先在低速下运行高速混合器10 min，然后在高速下运行10 min，可以获得FA母料的粗混合物。将粗混合物加入挤出机进行熔融挤出和造粒，以获得粉煤灰母料。

1.4 复合材料的制备

在210～215 ℃下以不同比例混合HDPE、FA母料和HDPE-g-MAH增容剂获得颗粒复合材料。然后按照GB/T 1040.2—2006［10］规范，将试样注射成型。相容剂的质量以FA的質量百分比表示。并对试件的抗张及耐热性进行了测定。

1.5 复合材料特性

本研究采用不同的技术测试硅烷处理FA和HDPE复合材料的特性。第1种测试方法是扫描电子显微镜。为了观察形态，样品在液氮中低温断裂。然后用喷金覆盖样品并在10 kV的工作电压下进行扫描。第2种技术是热重分析，在40～800 ℃的温度内工作，在氮气气氛中流速为100 mL/min，加热速率为10 ℃/min。第3种技术是傅里叶变换红外光谱（FT–IR）。使用Bruker Tensor 27 FTIR光谱仪进行FT-IR光谱分析。所有数据均在室温下记录，光谱范围为450～4 000 cm-1。使用FT-IR光谱比较未处理和处理的粉煤灰。并使用拉伸试验机（型号UTM-4304X）来测量拉伸性能。拉伸试验按照GB/T 1040.2—2006的规定进行。复合材料试样被安装起来，并以5 mm/min的速度施加应变，直到发生破坏。复合材料的拉伸试验是在室温下进行的。每批测试了5个试样，并计算平均强度。

2 结果与讨论

2.1 FT-IR光谱分析

图1为未处理和处理FA的FT-IR光谱。

由图1可知，在480 cm-1处观察到O—Si—O弯曲振动。改性后FA在480 cm-1处的峰值强度增强，这可能是由于FA表面上O—Si—O键含量的增加或硅烷改性FA中O—Si—OO键的稳定存在。1097 cm-1处的吸收峰对应于Si—O单键的拉伸振动，这在处理过的FA的光谱中也有所增强。这表明许多Si—O键被添加到改性FA的表面。这一现象与唐忠伟等人报道的结果一致［11］。此外，3 439 cm-1处的峰值是N-H单键的拉伸振动区域。3 439 cm-1处吸收峰强度的变化表明硅烷偶联剂中的氨基丙基成功附着到FA表面。

2.2 SEM分析

图2（a）为未改性粉煤灰的形态表面，图2（b）为3-氨基丙基三乙氧基硅烷处理粉煤灰SEM图像。

从图2（a）可以看出，未处理的粉煤灰颗粒呈球形或不规则形状，SEM图像表面均光滑。将图2（b）与图2（a）进行比较可以看出，改性粉煤灰的表面被膜覆盖，表面凹凸不平，这表明粉煤灰的表面被硅烷成功改性［12-14］。通过水解、氢键形成、硅烷偶联剂分子之间的缩合等一系列反应将3-氨基丙基三乙氧基硅烷涂覆在粉煤灰上。

2.3 粉煤灰对复合材料拉伸性能的影响

粉煤灰含量对其力学性质具有显著作用。在研究中，通过向聚乙烯（HDPE）中添加不同量的粉煤灰母料，制备了FA/HDPE复合材料。并进一步研究了FA对FA/HDPE复合材料拉伸性能的影响；结果如图3所示。

从图3可以看出，随着粉煤灰含量的增大， FA/HDPE复合材料的抗拉屈服强度和抗拉断裂强度呈现出先增大后减小的趋势。当粉煤灰母料的掺量为10%时，屈服拉伸强度和断裂拉伸强度分别达到27.55、21.62 MPa，分别比纯HDPE高24.5%和30.7%。这表明添加少量粉煤灰可以提高HDPE材料的拉伸强度。但当粉煤灰母料含量是15%，拉伸屈服强度和拉伸断裂强度开始降低。这可能是由于随着粉煤灰含量的增加，粉煤灰颗粒在HDPE中聚集［15］，使得HDPE无法很好地填充粉煤灰。当复合材料受到拉力或弯曲载荷时，这将导致FA和HDPE之间的界面断开。且会导致复合材料的裂纹扩展和应力集中将发生，并且复合材料的拉伸强度将降低。当粉煤灰母料掺量为20%时，拉伸强度得到提高。

杨氏弹性模量随粉煤灰母料含量的增大而增大，其变形规律与抗张强度基本一致，但断裂伸长率显著降低。加入10%的粉煤灰母料后，复合材料的断裂伸长率从500%显著降低至325.55%，降低约34.9%。这是因为刚性粉煤灰不能与HDPE一起拉伸，因此复合材料的拉伸伸长率显著降低。这种现象通常发生在大多数复合材料中［16］，在拉伸强度和断裂伸长率之间始终存在权衡。随着粉煤灰母料的进一步加入，复合材料的断裂伸长率得到了缓解，这可能是由于粉煤灰母料中LDPE的增韧作用所致。

2.4 复合材料SEM图像

图4为复合材料横截面的SEM图像，复合材料的脆性断裂表面均呈现韧性断裂现象。

从图4（a）中可以看出，粉煤灰没有表现出大面积的团聚现象［17］，聚乙烯（HDPE）有机材料将粉煤灰颗粒包裹在其中，因此会导致复合材料的力学性能良好。图4（b）是10%FA/HDPE复合材料横截面的SEM图像，与图4（a）相比，可以看出粉煤灰在HDPE有机材料中分布更均匀，但少量粉煤灰出现团聚和暴露。在高密度聚乙烯中封装了更刚性的粉煤灰，从而提高了复合材料的强度和刚度。图4（c）为含有10%FA、5%增容剂和HDPE的复合材料横截面的SEM图像，与图4（b）相比，粉煤灰的分布更均匀，并由HDPE涂覆，且粉煤灰没有团聚，因此复合材料的力学性能更好。这是因为加入增容剂后，增容剂中的酸酐基团与改性粉煤灰中的氨基反应形成化学键［18-19］，从而改善了粉煤灰和HDPE之间的相互作用。由于FA可以更好地封装在高密度聚乙烯中，复合材料的综合力学性能得到了进一步提高。图4（d）是含15%FA的HDPE复合材料横截面的SEM图像。粉煤灰存在明显的团聚现象，树脂基体没有形成完全覆盖粉煤灰的网状结构［20］，从而降低了复合材料的强度和刚度。

2.5 热重分析（TGA）

表2是纯HDPE和FA/HDPE混合物的热重分析。

从表2可以看出，HDPE的初始分解温度为390 ℃，最高分解温度为514 ℃，这是由于高温导致HDPE材料主链中的—C—C—解离所致。与纯HDPE相比，5%的FA/HDPE复合材料在220.8 ℃开始热降解，在571.75 ℃达到最大热降解，伴随着2.1%的碳形成。当FA的含量增加到20%时，复合材料的初始降解温度为221.93 ℃，热降解在568.05 ℃时趋于稳定，碳形成率为8.0%。与复合材料的TG和DTG数据对比，复合材料的初始降解温度、最快降解温度和最高降解温度随着FA掺量的增加都在一个较小的范围内，而碳形成率则随着FA的添加而逐渐增加。

2.6 有限元分析

提高市政给排水大直径高密度聚乙烯波纹管的环刚度是目前的一个难题，严重阻碍了大直径波纹管的普及。且提高大直径聚乙烯波纹管的环刚度是提高市政给排水管道质量的关键。为了验证由FA/HDPE复合材料制成的双壁波纹管的性能，利用SOLIDWORKS软件对直径为400 ～1 500 mm的大直径双壁波纹给排水管进行了建模。为了模拟测试波纹管环刚度的过程，在波纹管的上端和下端放置了2块平行的钢板。在x、y和z方向上与波纹管相切。长方体的长度是波纹管内径与波峰高度（D+h）之和，宽度是长的2倍，高度为50 mm。图5（a）为压缩后直径为1 000 mm的波纹管的位移分布，从图5（a）可以明显看出，波纹管的总变形从上到下减小，下部钢板和与下部钢板接触的部分几乎没有变形。变形主要发生在波纹管上方，并集中在它与上部钢板接触的位置。图5（b）为压缩后直径为1 000 mm的波纹管上的等效应力分布，从图5（b）可以看出，应力主要集中在波纹管的上侧。最大应力发生在上部钢板切线部分的两侧。不同管径波纹管上最大应力的位置没有明显变化。

3 结语

（1）随粉煤灰掺入量的增加，其抗拉强度及杨氏模量呈现先上升后下降的趋势，断裂伸长率随粉煤灰的添加而减小。粉煤灰中LDPE的存在可以缓解粉煤灰过量掺入引起的强度、刚度和断裂伸长率的下降。当HDPE中加入10%改性粉煤灰时，复合材料的抗拉强度达到最大值。与纯HDPE相比，10%FA/90%HDPE复合材料的拉伸屈服强度提高了约24.5%，拉伸断裂强度提高了约30.7%；

（2）少量的相容剂对提高其拉伸性能有一定作用，但添加过量的相容试剂会使其拉伸性能下降。在FA/HDPE复合材料中添加相容剂可以使粉煤灰与HDPE具有更强的相互作用。在FA/HDPE复合材料中加入增容剂后，复合材料的断裂伸长率增加，刚性降低。在10%FA/HDPE复合材料中加入5%相容剂时，复合材料的综合力学性能最好。与10% FA/HDPE复合材料比较，其拉伸屈服强度、断裂断裂强度及断裂延伸速率均有所改善，分别提高4.6%、7.4%和9.1%；

（3）通过有限元分析计算了10%改性FA/5%HDPE-MAH/85%HDPE复合材料制成的波纹管的环刚度，发现该复合材料制成的给排水波纹管可以有效提高环刚度。

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