杜壯1 唐舫成1 馮金茂2 霍福磊2 孔超1 汪加勝1
1 廣州鹿山新材料股份有限公司；2 浙江偉星新型建材股份有限公司
摘 要：本文介紹了一種能夠輸送熱水的鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管用新型粘接樹脂材料，并介紹了該粘接樹脂材料的性能評(píng)價(jià)方法，從材料耐熱性、加工性、粘接性等多個(gè)角度對(duì)該粘接樹脂在鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯熱水管中的應(yīng)用進(jìn)行了全方位可行性分析。結(jié)果表明，該新型粘接樹脂材料不僅能夠與聚乙烯材料、鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)層形成穩(wěn)定可靠粘接，而且在高溫、高壓環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。該研究的目的在于探索并拓寬鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管新的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)是推動(dòng)增強(qiáng)熱塑性塑料管(RTP)發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域拓展的一次有效嘗試。
1 鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管應(yīng)用簡(jiǎn)介
鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管是十余年來發(fā)展迅速的一種增強(qiáng)熱塑性塑料管(RTP),具有承壓力強(qiáng)、線性膨脹系數(shù)低、耐腐蝕、不結(jié)垢、重量輕、環(huán)保無毒等特點(diǎn)[1]。鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管兼具了熱塑性塑料和金屬增強(qiáng)層的各自優(yōu)點(diǎn)，在性能上達(dá)到了塑料和金屬材料的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[2]，廣泛應(yīng)用于市政、化工、消防等領(lǐng)域[3]。通過長(zhǎng)期且廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用案例表明，鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管是一種性能優(yōu)異且得到市場(chǎng)認(rèn)可的增強(qiáng)熱塑性塑料管。目前，鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管主要在冷水管領(lǐng)域應(yīng)用，在熱水管領(lǐng)域的應(yīng)用未見報(bào)道及應(yīng)用實(shí)例。
粘接樹脂作為連接鋼絲和內(nèi)外層聚乙烯管材的關(guān)鍵原材料，其性能優(yōu)劣直接影響到鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管的品質(zhì)。通過粘接樹脂性能升級(jí)能夠改善復(fù)合管粘接界面的耐熱性能，促進(jìn)復(fù)合管在熱水輸送領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。另外，通過優(yōu)化聚乙烯、鋼絲、生產(chǎn)工藝、管材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等生產(chǎn)要素可以進(jìn)一步促進(jìn)鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管在熱水輸送領(lǐng)域的應(yīng)用可行性。
2 鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯熱水管專用粘接樹脂性能表征
以提高鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管耐熱水性能為基礎(chǔ)，以通過高溫高壓靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)為核心，對(duì)粘接樹脂進(jìn)行配方優(yōu)化設(shè)計(jì)，并從加工性能、粘接性能、耐熱性能等多個(gè)角度對(duì)粘接樹脂進(jìn)行綜合性能評(píng)估。
2.1 鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯熱水管專用粘接樹脂加工性能
熱水管專用粘接樹脂通過配方組分優(yōu)化升級(jí)提高耐溫性，在產(chǎn)品優(yōu)化過程不影響加工性能是必須滿足的前提條件，通過哈克轉(zhuǎn)矩流變儀和流延設(shè)備評(píng)價(jià)產(chǎn)品的加工性能。其中，熱水管專用粘接樹脂和普通粘接樹脂的哈克流變曲線對(duì)比效果見圖1。
圖1 常規(guī)粘接樹脂與熱水管專用粘接樹脂加工流變測(cè)試數(shù)據(jù)圖
圖2 熱水管專用粘接樹脂流延后的片材
從流變數(shù)據(jù)中可知，熱水管專用粘接樹脂和常規(guī)粘接樹脂塑化性能及平衡扭矩非常相似，加工性能非常接近。
另外，通過流延設(shè)備將熱水管專用粘接樹脂進(jìn)行流延，考察其塑化性能和加工性能。流延時(shí)熔體溫度為230℃，流延后的膜帶見圖2。
從圖2中可以看出，熱水管專用粘接樹脂流延后的片材塑化性能良好，無晶點(diǎn)或不熔物存在。說明熱水管粘接樹脂在提高材料耐熱性的前提下加工性能未出現(xiàn)降低。
2.2 鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯熱水管專用粘接樹脂耐熱性能
高溫高壓靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)要求在試驗(yàn)過程中粘接樹脂能夠?qū)︿摻z網(wǎng)產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定包裹承載，防止鋼絲網(wǎng)變形后沖破內(nèi)外管產(chǎn)生破裂滲漏。粘接樹脂的軟化點(diǎn)和熱變形溫度是影響試驗(yàn)過程中復(fù)合界面測(cè)試穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。在此，對(duì)比熱水管專用粘接樹脂和常規(guī)粘接樹脂的熱變形溫度和軟化點(diǎn)，結(jié)果見表1。
從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，熱水管專用粘接樹脂軟化點(diǎn)及熱變形溫度均比常規(guī)粘接樹脂有明顯提高。粘接樹脂耐溫性提高能夠保證靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)中高溫高壓條件下粘接界面的穩(wěn)定性。軟化點(diǎn)和熱變形溫度測(cè)試原始數(shù)據(jù)見圖3和圖4所示。
圖3 常規(guī)粘接樹脂與熱水管專用粘接樹脂維卡軟化點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)
圖4 常規(guī)粘接樹脂與熱水管專用粘接樹脂熱變形溫度測(cè)試數(shù)據(jù)
2.3 鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯熱水管專用粘接樹脂粘接性能
在鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管中，粘接樹脂是連接內(nèi)外層聚乙烯和鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)層的關(guān)鍵材料，其粘接性能直接決定了復(fù)合管的使用壽命。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T189-2007規(guī)定管材剝離強(qiáng)度≥100N/cm；B/T32439-2015規(guī)定粘接樹脂/鋁材質(zhì)180°剝離強(qiáng)度≥100N/25mm，鋼絲/粘接樹脂剪切強(qiáng)度≥13MPa，管材平均剝離強(qiáng)度≥150N/cm且最小剝離強(qiáng)度≥120N/cm。
實(shí)驗(yàn)室分別測(cè)試熱水管專用粘接樹脂與PE80級(jí)管材料、鋼材質(zhì)、鋁材質(zhì)等不同材質(zhì)的剝離強(qiáng)度，并與常規(guī)粘接樹脂進(jìn)行對(duì)比，復(fù)合好的剝離強(qiáng)度測(cè)試樣品見圖5所示，測(cè)試的剝離強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表2。
圖5 熱水管專用粘接樹脂與不同被粘材質(zhì)復(fù)合后的測(cè)試樣條
圖6 熱水管專用粘接樹脂制備的成品試驗(yàn)管
從上面數(shù)據(jù)中可以看出，熱水管專用粘接樹脂對(duì)聚乙烯管材料、鋼材質(zhì)、鋁材質(zhì)復(fù)合后剝離強(qiáng)度與常規(guī)粘接樹脂無明顯差異，粘接效果優(yōu)良。熱水管粘接樹脂能夠有效將鋼絲和聚乙烯復(fù)合界面連接起來，在鋼絲增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管多層之間形成優(yōu)異的粘接界面。
3 鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯熱水管專用粘接樹脂工業(yè)化應(yīng)用探索
熱水管粘接樹脂于2016年上半年進(jìn)行了工業(yè)化探索應(yīng)用，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了性能測(cè)試。熱水管粘接樹脂加工性能評(píng)價(jià)在管材制備時(shí)直接得到驗(yàn)證：在不改變擠出機(jī)擠出溫度和擠出轉(zhuǎn)速的前提下，熱水管粘接樹脂塑化性能、涂覆均勻性均表現(xiàn)優(yōu)異，生產(chǎn)出的成品管外觀優(yōu)良，見圖6。
鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯熱水管剝離強(qiáng)度測(cè)試時(shí)現(xiàn)沿管材軸向裁出25mm寬、150mm長(zhǎng)的測(cè)試樣條，沿鋼絲與聚乙烯之間的粘接界面進(jìn)行剝離強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試過程圖片見圖7。
圖7 鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯熱水管成品管剝離強(qiáng)度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)
熱水管專用粘接樹脂與普通粘接樹脂制備的成品管剝離強(qiáng)度和界面破壞形態(tài)測(cè)試結(jié)果見表3。