PPR-BF复合管材的制备与研究

2023-12-27吕爱龙王松钊秦小梅

合成材料老化与应用 2023年6期

吕爱龙，王松钊，秦小梅

(日丰企业集团有限公司, 广东省功能化塑料复合管道系统企业重点实验室，广东佛山 528000)

在冷热水领域，无规共聚聚丙烯（PP-R）管材由于具有优良的物理和机械性能、加工性能、良好的化学稳定性、耐热性和耐蠕变性、连接可靠等优点得到广泛应用[1]。然而，由于其高温尺寸稳定性的不足，造成管道在热水环境下轴向方向不断伸长，导致位置已经固定的塑料管材长度方向扭曲变形[2]。纤维改性聚丙烯复合管不但具备聚丙烯（PP-R）管材的优点，而且高温尺寸稳定性好，纤维在PP-R树脂中取向以后可以有效束缚树脂的膨胀[3]。另外，玄武岩纤维由于生产过程中非常环保，与玻璃纤维相比有着明显的优势，因此玄武岩纤维改性PP-R是管材性能提升的重要研究方向[4]。

玄武岩纤维改性聚丙烯管材要实现较小的线膨胀系数，就要求玄武岩纤维添加量要充分。周洪涛等[5]研究了玄武岩纤维含量为10%、20%、30%和40%的纤维增强聚丙烯复合材料，他们发现随着玄武岩纤维含量的增加，复合材料的拉伸、弯曲强度和模量呈先增加后减小的趋势，当纤维含量在30%时达最大值。邓鹏飞等[6]在玄武岩纤维改性聚丙烯复合材料中引入PP-g-GMA（聚丙烯接枝甲基丙烯酸环氧丙酯）材料，从而改善复合材料的界面性能，并且在承受载荷时增加吸收外力能力，使得抗冲击性能显著提高，实现PP复合材料的增强。然而，在玄武岩纤维增强聚丙烯管材方面，目前相关的研究鲜有报道。

为了能够解决PP-R管材线膨胀系数不足的问题，本文首先通过双螺杆挤出技术制备玄武岩纤维/聚丙烯改性料，然后通过三层共挤的管道成型设备制备PPR/PPR-BF/PPR三层管材，并对改性料及管材进行了相关性能的研究。

1 实验部分

1.1 主要原料

无规共聚聚丙烯（PPR）：4220，中国石化集团茂名石油化工有限公司；玄武岩纤维（BF）：直径13μm，短切长度3.5mm，四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司；相容剂：PP-g-MAH5701，佳易容相容剂江苏有限公司。

1.2 试样制备

1.2.1 玄武岩改性PPR材料的制备

将玄武岩纤维、相容剂和聚丙烯(PPR)粒料充分混合均匀后加入到双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出机各区段的挤出温度依次设定为160、190、210、220、220、220、220 ℃，螺杆转速设定为300r/min，控制下料速度使螺杆扭矩不大于50%，造粒后的改性颗粒在80℃下干燥2h，在干燥环境下保存备用。

1.2.2 玄武岩改性PPR管材的制备

将玄武岩纤维改性PPR改性料作为管材的中间层原料，纯PPR树脂作为管材的内层和外层材料，通过三台单螺杆挤出机三层共挤制备玄武岩改性PPR管材。三台挤出机均为三区段挤出机，三区段挤出温度均为160、190、190 ℃，管材内层、中间层、外层的下料速度分别为55、90、65 kg/h，管材生产线速度21m/min。管材规格尺寸为S3.2-dn20 -2.8，内、中、外三层的厚度比为2：3：2。

1.3 测试表征

材料力学性能测试按GB/T 9341-2008《塑料弯曲性能试验方法》制备标准样条进行测试；改性料的微观相容性测试采用日立的扫描电镜（SEM）S4800进行测试；管材的基础性能按GB/T 18742.2-2017《冷热水用聚丙烯管道系统》测试；改性料和管材的线膨胀系数采用热机械分析（TMA）测试，氮气气氛，测试温度范围-30～100 ℃。管材的落锤性能按照标准CJ/T 258-2014测试，落锤重量1.5kg，高度1m；管材的静液压测试条件为95℃、22h、环应力5.0MPa。

2 结果与讨论

2.1 PP-BF复合材料的热力学性能与BF添加量的关系

图1a是PPR-BF复合材料的弯曲强度与BF含量的关系曲线。在BF添加量为25%时，复合材料的弯曲强度达到53MPa，继续提升BF含量，弯曲强度上升变缓。复合材料弯曲强度的提高主要是因为BF自身的力学强度很高，赋予了复合材料优异的刚性。继续提高BF含量，导致聚丙烯树脂与BF的共混体系由于分散效果弱化而出现缺陷，因此弯曲强度的提升放缓。复合材料的弯曲强度越高，成型的管材刚性就越强，在管材埋地时能提供更大的耐力。图1b是PPR-BF复合材料的线膨胀系数随BF含量变化的关系曲线。复合材料的线膨胀系数越小，成型的管材受热时的尺寸就越稳定。随着BF含量的提升，线膨胀系数越来越小，说明BF可以明显改善复合材料的线膨胀系数。在玄武岩纤维含量为25%时，PPRBF复合材料的线膨胀系数低至3.8×10-5m/m·℃，符合行业标准CJ/T 258-2014的要求。继续增加BF的含量，线膨胀系数的降低逐渐趋缓。2

图1 玄武岩纤维改性聚丙烯复合材料的性能曲线Fig.1 Performance curves of basalt fiber modified polypropylene composite material

.2 PPR-BF复合材料的相容性与BF添加量的关系

非极性材料PPR与极性材料BF由于分子极性的显著不同，导致其混合过程中存在严重的相容性问题，因此需要添加相容剂来改善两者的分散与分布状态。为了分析研究复合材料相容性的变化情况，我们设计了PPRBF复合材料的4组配方，见表1。四组配方在共混挤出造粒后制备了有缺口的冲击样条，并对冲击断面进行了高倍率的SEM观察，结果如图2所示。

表1 复合材料中相容剂和玄武岩纤维的添加量参数Table 1 Parameters of the addition amount of compatibilizer and basalt fiber in composite materials

图2 玄武岩纤维改性聚丙烯复合材料的SEM照片Fig.2 SEM photos of basalt fiber modified polypropylene composite material

图2a是BF含量25%时无相容剂情况下的复合材料样条断面形貌，从图中看到，BF纤维清晰可见，表面没有任何附着物，基体树脂中存在明显的孔洞，这是受力时纤维从树脂中拔出的现象，说明该材料相容性较差。图2b为BF含量25%、相容剂含量5%情况下的复合材料样条断面形貌，图中纤维表面有一层包覆物，能够提供粘滞阻力阻止纤维从基体树脂中拔出。当外力作用到复合材料时，能量通过基体树脂传递到BF纤维，从而使BF纤维展示出良好的力学性，所以复合材料的力学性能得到提升。

为了能够进一步地提升力学性能和降低线膨胀系数，将BF添加量增加到30%，如图2c所示，BF添加量提高后，纤维表面的附着物减少，与PPR基体树脂的相容性变差，复合材料的力学韧性快速下降。图2d进一步将相容剂的含量从5%提升至8%，复合材料的相容性没有明显的改善，这主要是因为过量的BF纤维与PP基体树脂的分散困难，即使提高一定的相容剂含量也难以改善混合分散效果，而过量的相容剂又会对成型管材的静液压造成影响。因此，控制一定的BF添加量有助于制备综合性能优异的给水复合管材。

2.3 PPR/PPR-BF/PPR三层复合管材的性能与BF含量的关系

为了能够进一步的研究BF添加量对管材性能的影响，本文按照标准CJ/T 258-2014制备了三层复合管材，并对管材进行了部分关键性能的测试。图3a为管材纵向方向的线膨胀系数的变化趋势曲线，随着BF含量的提升，线膨胀系数不断减小，在BF含量25%时线膨胀系数为4.8×10-5m/m·℃，与纯PPR管材的15.5×10-5m/m·℃相比有了明显的改善，这些变化规律与图1b所展示的改性料变化趋势相吻合。图3b为管材在标准测试水压加压20%条件下的耐压时间，从图中看到，随着BF含量的提升，静液压的耐压时间逐渐提升，当BF含量在25%时达到最大值；继续提高BF含量，静液压耐压时间快速下降。这主要是因为BF添加量的提升，提高了中间层复合材料的弯曲性能，赋予管材更好的刚性，表现出较好的静液压性能。当BF添加量超过25%后，由于BF和PPR基体树脂的相容性变差，过量的BF破坏了BF和PPR基体树脂的均匀结构，因此在管材中存在较多的缺陷点，从而导致静液压性能的下滑。