高耐磨耐腐蚀改性超高分子量聚乙烯特种管材的
文章来源： 发布者：admin 时间：2015-10-10
高耐磨耐腐蚀改性超高分子量聚乙烯特种管材的研制
聚乙烯（PE）树脂被作为一种塑料管道的生产原料已经有数十年的历史，在我国实现工业化也已经有很长的时间，PE 树脂是由石油的直接裂解物—乙烯树脂经过聚合而成的热塑性树脂，该材料以其优良的耐低温性能 ( 最 低 使 用 温 度 可 达 - 70 ℃ ～- 100℃)，化学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀(不耐具有氧化性质的酸)，常温下不溶于一般溶剂，吸水性小，电绝缘性能优良等特性被广泛应用于给排水、天然气输送、矿井排风排瓦斯、排污等塑料管道领域。特别是在近十年间，由于聚乙烯树脂是纯 C- H 化合物， 而且具有 PVC管材所无法比拟的柔韧性，使得 PE管材得到更大范围的使用，其发展趋势大有取代 PVC 成为最主要塑料管道生产原料之势。
但正因为聚乙烯树脂优异的柔韧性也铸成其重要的缺点，对于环境应力(化学与机械作用)很敏感，强度低，耐热性较差。所以，在需要承受较大压力和较高温度的领域以及比较恶劣的环境下就不能使用普通的聚乙烯管道系统。
例如， 在最大工作压力1. 6MPa，径厚比（SDR）11 时，管材最大直径只能做到 630mm。显而易见，随着管材直径的增大，壁厚也要不断加大，管材也随之越来越重，使用聚乙烯管材已经非常不经济了。并且作为塑料管道存在韧性有余刚性不足的缺点。
本课题主要研究采用一种分子量在 100 ～500 万、结晶度 65 ～85％、密度 0. 92～0. 96g/ cm3 的新型塑料管道加工材料—超高分子量聚乙烯树脂（U H MWPE）为主要原材料添加一定比例的内润滑剂、外润滑剂、成核剂、流动性加工助剂等辅助材料，通过各种原辅材料共混改性后，运用近熔点挤出原理和特殊工艺控制，通过管材挤出生产线挤出成型为高耐磨耐腐蚀的特种塑料管材，使得该管材与众多的聚合物材料相比较，具有摩擦系数小、磨耗低、耐化学腐蚀性优良、耐冲击、抗压性、抗冻性、保温性、自润滑性、抗结垢性、耐应力开裂性、卫生性能优良等优异的物理和化学性能。可适用于传统塑料管道所无法应用的石油天然气开采业、化学工业、输送矿浆或者泥砂管道、特殊恶劣环境用的管道系统。
2 实验部分
2.1 试验材料
（1）超高分子量聚乙烯树脂U H MWPE 树脂是一种分子量为～500 万、结晶度 65～85％、密度0. 92～0. 96g/ cm3 的热塑性树脂，因分子量高而具有其它塑料无可比拟的优异的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能。
（2）内润滑剂
主要采用 PE 蜡，PE 蜡又称高分子蜡，因其优良的耐寒性、耐热性、耐化学性和耐磨性可直接加到聚烯烃加工中，它可以增加产品的光译和加工性能，聚乙烯蜡具有更强的内部润滑作用。
（3）外润滑剂
主要采用半精炼石蜡，主要对树脂在挤出捏合过程中起到外部润滑的作用。
（4）成核剂
成核剂是适用于聚乙烯、聚丙烯等不完全结晶塑料，通过改变树脂的结晶行为加快结晶速率、增加结晶密度和促使晶粒尺寸微细化，达到缩短成型周期、提高制品透明性、表面光泽、抗拉强度、刚性、热变形温度、抗冲击性、抗蠕变性等物理机械性能的新功能助剂。
（5）液晶高分子聚合物 LCP
液晶高分子是 20 世纪 80 年代中期才工业化的一种高性能工程塑料。它不仅具有优异的力学性能，突出的耐磨性，极小的线膨胀系数，而且熔体粘度低，成型加工流动性好。用它来对超高分子量聚乙烯进行改性，可以显著改善超高分子量聚乙烯的成型加工性能，还可以提高强度。
（6）LDPE 树脂
低密度聚乙烯树脂，传统 PE 塑料管道所采用的树脂，分子量大约在4～30 万。主要用于与超高分子量进行共混改性。
2.2 主要装置
由于总的加工过程可分为两个流程：
(1) 配方体系的共混预塑搅拌；
(2)管材的挤出成型冷却定型过程。
2.3 制备流程
高耐磨耐腐蚀改性超高分子量聚乙烯特种管材的研制分为两个过程：
第一部分：配方材料的共混预塑混炼过程先将超高分子量聚乙烯树脂与LDPE 树脂进行均匀混合，再加入液晶高分子聚合物、内外润滑剂、成核剂等通过离心往复式共混机组，并辅以一定的温度条件进行共混处理后装袋备用。
关键控制点：从配方体系方面保障超高分子量与优异性能共存，主要利用内外润滑剂与成核剂促进超高分子量聚乙烯与液晶高分子聚合物以及低密度聚乙烯进行很好的共混，不仅很好的保存了超高分子量带来的优异性能，更关键的是通过共混改性大大
提高 UHMW-PE 树脂的加工流动性。
第二部分：管材挤出成型过程将共混之后的配方材料经过单螺杆挤出机及挤出口模和芯棒挤出管坯后，经抽真空定型、喷淋冷却定型、牵引、切割生产而成高抗冲改性聚氯乙烯管材。
关键工艺控制点：从工艺方面保障超高分子量和优异性能共存，将挤出机中的超高分子量聚乙烯树脂及辅助材料加热至超高分子量聚乙烯树脂的熔点附（温度低于原料的熔点、而高于原料熔点的 90％这个范围），这样就可以让物料以固相的形式在挤出机中流动，实现超高分子量聚乙烯的近熔点挤出。这样可以很好的避免树脂全熔状态时的放热及畜热以及降解和全熔状态下大分子的机械剪
切。巧妙的把粉料推进压实和低温加工避免大量畜热导致超高分子量聚乙烯受热分解的弊端有效的避开了。很好的实现了超高分子量聚乙烯树脂的可加工性且不破坏其超高分子量的双重效果。
3.2 本课题的特色和技术创新点
（1） 突破传统塑料管材的材料界限，在传统的塑料管道主辅材料配方体系的基础上大胆地更换了主要原材料，以分子量高达 100～500 万的超高 分子量聚乙烯树脂作为基体树脂，使 得所研制的特种塑料管道能够突破所 有传统塑料管道所无法应用的领域。
（2采用近熔点挤出理论，突破 超高分子量聚乙烯的加工难题将挤出机中的超高分子量聚乙烯 加热至其熔点附近（温度低于原料的 熔点、而高于原料熔点的 90％这个 范围），这样就可以让物料以固相的 形式在挤出机中流动，实现超高分子 量聚乙烯的近熔点挤出。这样可以很 好的避免树脂全熔状态时的放热及畜 热以及降解和全熔状态下大分子的机 械剪切。巧妙的把粉料推进压实和低 温加工避免大量畜热导致超高分子量 聚乙烯受热分解的弊端有效的避开 了。解决了该树脂熔体粘度极高、加工流动性极差，加上临界剪切速率极低，容易产生熔体破裂等缺点，很好的实现了超高分子量聚乙烯树脂的可加工性且不破坏其超高分子量的双重 效果。
（3） 采用高效低量辅助助剂的配 方体系，在近熔点挤出理论的基础 上，将超高分子量聚乙烯的粉料或粒 料作为原料，仅添加与重量为主原料 重量 10％以下的加工助剂混合均匀 后，在高速中的“溶剂化”作用提前在混合过程 中得以很好的发挥，这样即可发挥加 工助剂的最大效用，又可避免产生明 显的流动取向的差异。从而实现采用 高效低量辅助助剂的配方体系，很好 地解决了超高分子量聚乙烯树脂在加 工过程中为了提高流动性而破坏其优 异特性的难题。
（4） 采用低温挤压、控制塑化的 技术，将物料的加热和冷却在同一个 模具中进行，将物料的输送、压实、 预热的固相流动过程在挤出机的螺杆 输送中实现，通过温度及挤出速度的 调节控制使得树脂始终处于高弹态的 回弹效应区解决熔融挤出法加工超高 分子量聚乙烯树脂时超高分子量优异 性能被破坏的难题。
4 结论
本文所研制的高耐磨耐腐蚀改性超高分子量聚乙烯特种管材主要采用一种分子量在 100～500 万、结晶度65％～85％、密度 0. 92～0. 96g/ cm3的新型塑料管道加工材料—超高分子量聚乙烯树脂（U H MWPE）为主要原材料添加一定比例的内润滑剂、外润滑剂、成核剂、流动性加工助剂等辅助材料，通过各种原辅材料共混改性后，运用近熔点挤出原理、高效低量辅助助剂配方体系、结合低温挤压控 制塑化的特殊工艺技术，通过管材挤 出生产线挤出成型为高耐磨耐腐蚀的 特种塑料管材。一方面很好的解决了 该树脂熔体粘度极高、加工流动性极 差，加上临界剪切速率极低，容易产 生熔体破裂等缺点，另一方面很好地 解决了超高分子量聚乙烯树脂在加工 过程中为了提高流动性而破坏其优异 特性的难题。使得该管材与众多的聚 合物材料相比较，具有摩擦系数小、 磨耗低、耐化学腐蚀性优良、耐冲 击、抗压性、抗冻性、保温性、自润 滑性、抗结垢性、耐应力开裂性、卫生性能优良等优异的物理和化学性 能。可适用于传统塑料管道所无法应 用的石油天然气开采业、化学工业、 输送矿浆或者泥砂管道、特殊恶劣环 境用的管道系统。
