改性聚乙烯樹(shù)脂引入雙壁波紋管的制備及質(zhì)量?jī)?yōu)化結(jié)果

胡華 樊明珠 羅琛杰 張榮榮

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)雙壁波紋管用樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度低，拉伸模量和缺口沖擊強(qiáng)度低問(wèn)題，提出用玄武巖纖維對(duì)聚乙烯樹(shù)脂進(jìn)行改性，并用雙壁波紋管制備，研究了改性后聚乙烯樹(shù)脂的增強(qiáng)機(jī)理。結(jié)果表明，最佳改性條件為硅烷偶聯(lián)劑含量和型號(hào)分別為0.25%和A172，玄武巖纖維的含量和長(zhǎng)度分別為7.5%和8 mm，雙壁波紋管復(fù)合材料最佳制備條件為注塑溫度220℃、保壓時(shí)間30 s、注塑壓力為輕微溢料。在此條件下制備的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為28 MPa 和1.75 GPa，缺口沖擊強(qiáng)度為16 kJ/m2；雙壁波紋管在荷載達(dá)0.1 MPa 條件下，BF/HDPE 材料較HDPE 材料豎向和橫向變形量分別降低了15.9%和8.8%，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；改性聚乙烯樹(shù)脂；拉伸性能；雙壁波紋管

中圖分類號(hào)：TQ322.4；TQ342+.61文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）05-0077-05

Preparationandqualityoptimizationtestof doublewall corrugatedpipeusingmodifiedpolyethyleneresin

HU Hua，F(xiàn)AN 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

雙壁波紋管因其質(zhì)量輕、耐低溫、耐腐蝕和埋地使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，常用于市政排水排污、水利工程輸水管道和化工流體輸送。但傳統(tǒng)高密度聚乙烯（HDPE）管道受樹(shù)脂材料特性的影響，存在強(qiáng)度低、缺口沖擊強(qiáng)度低的問(wèn)題，在使用時(shí)，可能因?yàn)榱黧w壓力過(guò)高，造成管道破裂的問(wèn)題，給管道使用安全和經(jīng)濟(jì)效益都產(chǎn)生影響。為了提升HDPE 樹(shù)脂的性能，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如通過(guò)玻璃纖維對(duì)聚乙烯熱塑性復(fù)合材料沖擊性能進(jìn)行提升，玻璃纖維對(duì)聚乙烯熱塑復(fù)合材料的沖擊韌性有較好的提升作用[1]；通過(guò)連續(xù)長(zhǎng)玻璃纖維對(duì)聚乙烯功能母粒進(jìn)行增強(qiáng)，改善聚乙烯的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率[2]；研究也證明了通過(guò)纖維可有效增強(qiáng)超高分子量聚乙烯的性能[3-4]；通過(guò)多種方式制備了多元雜化填料改性的聚乙烯基導(dǎo)熱復(fù)合材料[5]。以上學(xué)者的研究都證明，纖維能有效增強(qiáng)聚乙烯樹(shù)脂的性能?；诖?，本研究以文獻(xiàn)[6]為參考，通過(guò)改性玄武巖纖維對(duì)HDPE 塑料進(jìn)行進(jìn)一步改性，探討了改性材料制備的雙壁波紋管性能變化。

1 試驗(yàn)材料與

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：無(wú)水乙醇（AR），汝新化工貿(mào)易；高密度聚乙烯（HDPE）（優(yōu)級(jí)），文閣塑化；玄武巖纖維（優(yōu)級(jí)），環(huán)潤(rùn)工程材料）；A-172硅烷偶聯(lián)劑（KH550），能德新材料技術(shù)。

主要設(shè)備：YZG 型真空干燥箱（升溢干燥設(shè)備）； MYP11-2型恒溫磁力攪拌器，梅穎浦儀器儀表制造； SJ-45型單螺桿擠出機(jī)，錫華機(jī)械科技；ZY-9000S 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，卓亞儀器。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 纖維表面改性

（1）在無(wú)水乙醇中分別放入不同質(zhì)量的KH550、 A-172型硅烷偶聯(lián)劑，在MYP11-2型恒溫磁力攪拌器的作用下混合攪拌30 min；

（2）按照纖/液比3∶10的比例在裝有硅烷偶聯(lián)劑溶液中的燒杯中放入聚乙烯纖維，放置時(shí)需注意使得硅烷偶聯(lián)劑完全浸沒(méi)纖維，浸泡時(shí)間為1 h。取出纖維自然風(fēng)干后，置于真空干燥箱中加熱，加熱溫度和時(shí)間分別為120℃和120 min。待第1加熱階段結(jié)束后，將真空干燥箱的溫度降低至80℃ ， 繼續(xù)干燥，干燥時(shí)間為8 h，得到改性后纖維。

1.2.2 改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料的制備

（1）使玄武巖纖維束筒依次從干燥裝置和浸漬模具中穿過(guò)，并將其固定在單螺桿擠出機(jī)上。將高密度聚乙烯（HDPE）置于YZG 型真空干燥箱內(nèi)進(jìn)烘干，烘干溫度和時(shí)間分別為40℃和8 h；

（2）將 HDPE 放入擠出機(jī)機(jī)筒，通過(guò)擠出機(jī)將 HDPE 熔融，進(jìn)入浸漬模具。將連續(xù)玄武巖纖維通過(guò)放線和干燥裝置，并以一定速率通過(guò)浸漬模具，使 HDPE 完全包裹住纖維，最后經(jīng)過(guò)牽引將改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料拉出，待其冷卻固化后通過(guò)切粒機(jī)進(jìn)行切粒；最后在真空干燥箱的作用下進(jìn)行烘干，烘干溫度和時(shí)間分別為40℃和8 h，得到纖維增強(qiáng)粒料；

（3）將纖維增強(qiáng)粒料與純HDPE 粒子進(jìn)行混合，然后在注塑機(jī)的作用下進(jìn)行注塑。

1.2.3 改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料雙壁波紋管的制備

分別以HDPE和BF/HDPE為材料，通過(guò)擠出成型得到HDPE雙壁波紋管，制備雙壁波紋管進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 拉伸性能測(cè)試

參照 GB/T 1040—2006，用ZY-9000S 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載速率為2 mm/min[7]。

拉伸強(qiáng)度表達(dá)式：

σF/A（1）

式中：σ為拉伸強(qiáng)度，MPa；F 為試件極限荷載，N；A 為試件截面面積。

拉伸模量表達(dá)式為：

E （F0.5-F0.2）/（ε0.5-ε0.2）A（2）

式中：E為拉伸模量，GPa；F0.5、F0.2分別為應(yīng)力達(dá)到極限應(yīng)力的50%和20%的拉伸荷載，N；ε0.5、ε0.2分別為應(yīng)力達(dá)到極限應(yīng)力的50%和20%的應(yīng)變。

1.3.2 缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)定

參照 GB/T 1043.1—2008對(duì)試件的缺口沖擊強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定[8]。沖擊參數(shù)：沖擊能力7.5 J，錘子舉起角度150°。

1.4 雙壁波紋管數(shù)值模擬試驗(yàn)

參照GB/T 19472.1—2004對(duì)管道尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)ABAQUS 的Standard 模塊進(jìn)行建模[9]。為使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際效果更為接近，在建模的過(guò)程中，設(shè)計(jì)管道溝槽寬度為2 m、溝槽兩側(cè)原狀土體各取2 m、管底土體取1 m、管頂覆土取1 m、整體模型沿管道徑向長(zhǎng)度為1 m[10]。雙壁波紋管體與土體分別采用四邊形網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格劃分；根據(jù) GB 50332—2002及 GJBT—77804S520規(guī)范，采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值[11-12]。

2.1纖維表面改性處理

本試驗(yàn)主要采用 KH550、A-172型硅烷偶聯(lián)劑對(duì)纖維改性，2種改性纖維制備的改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能的變化如圖1所示。

從圖1可以看出，在低含量的條件下，A-172硅烷偶聯(lián)劑對(duì)纖維改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料的影響較優(yōu)，隨溶液含量的增加，A-172型硅烷偶聯(lián)劑對(duì)材料的力學(xué)性能增強(qiáng)作用開(kāi)始減弱，KH550型硅烷偶聯(lián)劑對(duì)材料力學(xué)性能增強(qiáng)作用增加，二者最佳改性效果分別出現(xiàn)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.25%和0.75%時(shí)。出現(xiàn)這個(gè)變化的主要原因在于，A-172分子結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在甲氧基和對(duì)稱性較好的乙氧基；而KH-550分子結(jié)構(gòu)中僅存在甲氧基[13-14]。A-172中的乙氧基對(duì)電荷均勻分布產(chǎn)生積極的影響，在多電子的作用下，使硅烷偶聯(lián)劑更易與纖維結(jié)合，低含量硅烷偶聯(lián)劑就能達(dá)到理想的改性效果。同時(shí)，A-172在纖維表面附著，使其表面存在很多凹凸不平的顆粒。受沖擊作用，在纖維上形成可吸收大量能量的銀紋，在一定程度上提升了改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度。綜合比較，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%的A-172型硅烷偶聯(lián)劑的改性效果較好，以此繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2纖維含量及長(zhǎng)度優(yōu)化

以力學(xué)性能為指標(biāo)，對(duì)改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料中纖維長(zhǎng)度和含量進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，在同等纖維長(zhǎng)度的條件下，隨纖維含量的增加，纖維力學(xué)性能表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)槔w維負(fù)擔(dān)了部分樹(shù)脂基體界面應(yīng)力，在外界壓力條件下，纖維摻量越多，承受的應(yīng)力作用也越多，因此力學(xué)性能也越好[15]。但纖維用量存在適宜值，一旦超過(guò)適宜值，過(guò)量的纖維在基體內(nèi)部互相纏結(jié)結(jié)團(tuán)，在受外界壓力時(shí)，無(wú)法承受更多的壓力，使得力學(xué)性能有一定下降。同時(shí)，從圖2還可看出，當(dāng)纖維長(zhǎng)度增加至8 mm 時(shí)，改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能明顯上升，繼續(xù)增加纖維長(zhǎng)度，改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能反而有所下降。出現(xiàn)這個(gè)變化的主要原因在于，纖維較短，與樹(shù)脂基體的結(jié)合面積小，產(chǎn)生的界面力也較小，在受外力作用時(shí)，難以發(fā)揮作用。而纖維長(zhǎng)度增加，界面結(jié)合面積增加，界面力也隨之增加，在受外力作用時(shí)，能分擔(dān)部分應(yīng)力，增強(qiáng)其力學(xué)性能。但纖維超過(guò)一定值后，在注塑的過(guò)程中，受注塑壓力的影響，纖維會(huì)出現(xiàn)斷裂，纏結(jié)的情況，使得纖維無(wú)法均勻分散，這就導(dǎo)致了基體整體力學(xué)性能下降的情況。因此，纖維長(zhǎng)度超過(guò)8 mm時(shí)，改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能反而下降。綜上比較，選擇適合的纖維摻量長(zhǎng)度分別為7.5%和8 mm。

2.3 注塑工藝的優(yōu)化

確定改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料中，纖維摻量和纖維長(zhǎng)度后，對(duì)注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2.3.1 注塑溫度的優(yōu)化

圖3為注塑溫度的影響。

從圖3可以看出，注塑溫度提升至210℃后，改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量從上升狀態(tài)趨于平衡，但缺口沖擊強(qiáng)度并且達(dá)到最高點(diǎn)。當(dāng)注塑溫度繼續(xù)提升至220℃后，缺口沖擊強(qiáng)度才達(dá)到最高點(diǎn)15 kJ/m2。出現(xiàn)這個(gè)變化的主要原因，在一定注塑溫度條件下，樹(shù)脂完全熔化，與纖維更好的結(jié)合，因此在剛開(kāi)始提升注塑溫度時(shí)，拉伸強(qiáng)度和拉伸模量有所增加；而注塑溫度達(dá)到樹(shù)脂熔點(diǎn)后，樹(shù)脂已經(jīng)與纖維完全結(jié)合，因此繼續(xù)增加注塑溫度，拉伸強(qiáng)度和模量并沒(méi)有太大的變化。注塑溫度主要是通過(guò)對(duì)樹(shù)脂黏度的影響，影響改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度，在低溫條件下，樹(shù)脂黏度高，難以充分浸潤(rùn)纖維，試件難以成型，改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料整體性差，缺陷也多。隨注塑溫度的提升，樹(shù)脂黏度增加，對(duì)纖維的浸潤(rùn)程度增加，缺口沖擊強(qiáng)度也隨之增加。但過(guò)高的注塑溫度，樹(shù)脂的部分成分被分解，樹(shù)脂本身性能下降，因此缺口沖擊強(qiáng)度也有所下降。綜合比較，選擇適宜的注塑溫度為220℃。

2.3.2 注塑壓力的優(yōu)化

圖4為注塑壓力的變化。

從圖4可以看出，純 PE材料性能明顯差于復(fù)合材料。但注塑壓力對(duì)復(fù)合材料整體力學(xué)性能并沒(méi)有太大的影響。這是因?yàn)樽⑺軌毫Σ粚?duì)聚合物化學(xué)變化產(chǎn)生影響，只決定充模質(zhì)量的好壞。在注塑的過(guò)程中，注塑壓力過(guò)小會(huì)導(dǎo)致聚合物難以在模具中充分流動(dòng)，制備的改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不夠密實(shí)，但過(guò)大的注塑壓力會(huì)導(dǎo)致溢料現(xiàn)象，因此在進(jìn)行注塑時(shí)，注塑壓力應(yīng)該控制在輕微溢料，此時(shí)樹(shù)脂材料完全在模具中充盈，也不會(huì)造成物料的浪費(fèi)。

2.3.3 保壓時(shí)間優(yōu)化

圖5為保壓時(shí)間對(duì)材料力學(xué)性能的影響。

從圖5可以看出，保壓時(shí)間幾乎不影響改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能。這是因?yàn)楸簳r(shí)間主要影響試件內(nèi)部的應(yīng)力，幾乎不影響樹(shù)脂與纖維的結(jié)合力，因此改性聚乙烯樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能幾乎不發(fā)生改變。但保壓時(shí)間較短時(shí)，可能導(dǎo)致試件出現(xiàn)翹曲變形的情況，保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又會(huì)造成資源的浪費(fèi)。因此在后續(xù)試驗(yàn)中選擇保壓時(shí)間為30 s。此時(shí)制備的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為28 MPa 和1.75 GPa，缺口沖擊強(qiáng)度為16 kJ/m2。

2.4 雙壁波紋管變形

通過(guò)對(duì)管道施加不同荷載，確定制備的管道的承壓能力；管道變形情況如圖6所示。

從圖6可以看出，在小荷載條件下，2種材料的變形差別不大；但隨荷載的提升，2種材料變形差異性凸顯出來(lái)，BF/HDPE 材料抗變形能力更優(yōu)。當(dāng)管道承受荷載達(dá)到0.1 Pa 時(shí)，BF/HDPE 較HDPE 豎向和橫向變形量分別降低了15.9%和8.8%，這說(shuō)明BF/HDPE 復(fù)合材料能夠在雙壁波紋管結(jié)構(gòu)中發(fā)揮本身高模量的特點(diǎn)，減小管道的變形，發(fā)揮較好的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%的A-172型硅烷偶聯(lián)劑對(duì)玄武巖纖維表面改性作用最好；

（2）纖維長(zhǎng)度和含量?jī)?yōu)化結(jié)果為，纖維長(zhǎng)度為8 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%的玄武巖纖維對(duì)復(fù)合材料的改性效果最好；

（3）注塑工藝優(yōu)化結(jié)果，適宜的注塑溫度為220℃、保壓時(shí)間為30 s，注塑壓力為輕微溢料；

（4）制備的復(fù)合材料用于雙壁波紋管制備時(shí)，在荷載達(dá)到0.1 MPa 時(shí)，BF/HDPE 較HDPE 豎向和橫向變形量分別降低了15.9%和8.8%，發(fā)揮出更好的性能，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 汪晗，倪愛(ài)清，王繼輝，等.玻璃纖維增強(qiáng)聚乙烯樹(shù)脂熱塑性復(fù)合材料的沖擊定位[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程，2020（7）：85-92.

[2] 李曉軒.玻纖增強(qiáng)對(duì)聚乙烯（PE）塑料性能影響研究[J].橡塑技術(shù)與裝備，2022，48（5）：54-58.

[3] 王新威，張玉梅，孫勇飛，等.超高分子量聚乙烯材料的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2020，39（9）：3403-3420.

[4] 陳銘遠(yuǎn)，林海濤，陽(yáng)辰峰，等.超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維改性研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工，2022，51（2）：520-524.

[5] 葉惠尹，楊菁菁，周仕龍，等.多元雜化填料改性聚乙烯基導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備與性能[J].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)，2021，50（10）：1-5.

[6] 范紫倫.玄武巖纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2020.

[7] 周闖，李普旺，屈云慧，等.聚乙烯醇膜耐水改性的研究進(jìn)展[J].高分子通報(bào)，2021（2）：9-17.

[8] 李鳳紅，李鵬珍，師巖，等.聚乙烯醇薄膜改性及應(yīng)用進(jìn)展[J].塑料，2021，50（6）：57-62.

[9] 張哲.舞蹈墊用高強(qiáng)度HDPE塑料材料的制備及其性能研究[J].塑料科技，2022，50（3）：21-24.

[10] 張慶法，徐航，任夏瑾，等.農(nóng)林廢物生物炭/高密度聚乙烯復(fù)合材料的制備與性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2021，38（2）：398-405.

[11] 樊學(xué)華，祝亞男，于勇，等.油氣田管道HDPE 內(nèi)襯技術(shù)的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2021，40（3）：326-332.

[12] 張永軍，王小平，厚蘇偉.高密度聚乙烯復(fù)合材料性能改進(jìn)的研究進(jìn)展[J].塑料科技，2021，49（5）：103-107.

[13] 韓海軍，梁淑君.微膠囊化聚磷酸銨阻燃改性高密度聚乙烯[J].塑料，2020，49（5）：24-27.

[14] 蔣志成，王君豪，王穩(wěn)啟，等.基于高密度聚乙烯/丁苯橡膠熱塑性硫化膠的超疏水/超親油油水分離膜的制備及性能[J].合成橡膠工業(yè)，2021，44（6）：462-467.

[15] 李小晴，江文正，李文珠，等.炭含量對(duì)竹炭/高密度聚乙烯復(fù)合材料電磁屏蔽和力學(xué)性能的影響[J].林業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，7（1）：130-136.