自增強(qiáng)塑料管材的研究進(jìn)展

孫 巖，張友強(qiáng)，劉美苓，王大鵬,2，王慶昭,2*

(1.山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.青島市RTP工程技術(shù)中心，山東 青島 266300)

0 前言

塑料管道具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、易安裝、流體阻力小等優(yōu)點(diǎn)。目前已大規(guī)模取代鑄鐵、混凝土和黏土等傳統(tǒng)管道材料，被廣泛地應(yīng)用于市政給排水、建筑給排水、農(nóng)業(yè)灌溉、化工原料及產(chǎn)品的運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域。塑料管道行業(yè)保持著穩(wěn)健的增長(zhǎng)，中國(guó)目前為塑料管道生產(chǎn)和應(yīng)用的最大國(guó)家，2016年全國(guó)塑料管道總產(chǎn)量為14 360 kt[1]。隨著塑料原料價(jià)格不斷上漲、塑料管材的不斷普及和推廣，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，對(duì)塑料管材的使用性能也提出了更高的要求，各國(guó)技術(shù)專(zhuān)家也在不斷地致力于改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和方法以使塑料管材具有更高的性能。如何既能節(jié)省原料又能提高管材性能已成為塑料管材研究的一個(gè)重要方向，自增強(qiáng)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展的一種新的應(yīng)用于塑料管材生產(chǎn)的技術(shù)。

1 自增強(qiáng)管材的概述

1.1 自增強(qiáng)管材的定義與機(jī)理

管材自增強(qiáng)加工是指不改變管材內(nèi)部分子組成，在管材成型的過(guò)程中通過(guò)外加應(yīng)力作用來(lái)改變管材內(nèi)部大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，在管材內(nèi)部生成增強(qiáng)相，使管材得到內(nèi)在的增強(qiáng)效應(yīng)，從而提高管材性能的加工方法。傳統(tǒng)成型方法制備管材的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其理論值，究其原因主要是管材內(nèi)部大分子鏈?zhǔn)蔷砬?、無(wú)規(guī)排列的，分子鏈本身的高強(qiáng)度并沒(méi)有變成材料的高強(qiáng)度，管材所表現(xiàn)出來(lái)的宏觀強(qiáng)度絕大部分是由分子間力提供的。高分子了材料的取向是在材料的軟化點(diǎn)附近，在外加力場(chǎng)的作用下，高分子鏈得到舒展、有序排列的過(guò)程。從宏觀上看大分子鏈的有序排列能夠使材料在取向方向的強(qiáng)度大幅增加，從而實(shí)現(xiàn)管材性能的增強(qiáng)，即所謂的自增強(qiáng)。在材料的可拉伸范圍內(nèi)，拉伸比越大材料分子的取向程度越大，強(qiáng)度提升越大，自增強(qiáng)的效果也就越好。

1.2 自增強(qiáng)管材的優(yōu)勢(shì)

聚合物自增強(qiáng)的增強(qiáng)相是在外加應(yīng)力的作用下通過(guò)物理方法而產(chǎn)生的。只是改變了材料分子的取向結(jié)構(gòu)或晶體結(jié)構(gòu)而材料本身并沒(méi)有發(fā)生改變，故增強(qiáng)相與基體之間并不存在界面問(wèn)題。從增強(qiáng)效果上來(lái)看自增強(qiáng)比其他增強(qiáng)具有更加優(yōu)越的比剛度和比強(qiáng)度，更好的沖擊性能和韌性以及更低的熱膨脹系數(shù)等。自增強(qiáng)對(duì)于結(jié)晶型、半結(jié)晶型或者是無(wú)定型的聚合物均有效[2]，可用于自增強(qiáng)的聚合物有:PVC、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等[3]。

有關(guān)對(duì)管材在使用過(guò)程中受力分析的研究表明[4]，受內(nèi)壓管材環(huán)向所受的應(yīng)力至少為軸向所受應(yīng)力的2倍。但在普通擠出管道的過(guò)程中，由于在擠出機(jī)的擠出和牽引機(jī)牽引力的作用，使得管材中高分子鏈會(huì)沿著軸向形成一定的取向結(jié)構(gòu)。所以傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的管材的軸向強(qiáng)度略高于環(huán)向強(qiáng)度。我們平時(shí)所做的管材的靜液壓實(shí)驗(yàn)和爆破實(shí)驗(yàn)中管材的損壞一般都是沿軸向發(fā)生的，這一點(diǎn)也能說(shuō)明管材的軸向強(qiáng)度要高于其環(huán)向強(qiáng)度。管材的自增強(qiáng)加工能在保證管材軸向強(qiáng)度不降低的前提下提高管材的環(huán)向強(qiáng)度，使之達(dá)到軸向強(qiáng)度的2倍，充分利用塑料管材的潛在性能。在管徑和壁厚一定的情況下能夠大大提高管材的工作壓力，或者在相同管徑、相同工作壓力下能夠使管材壁厚減薄，節(jié)省原材料、降低管材生產(chǎn)的成本。對(duì)于聚合物自增強(qiáng)的研究一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)之一，有報(bào)道表明[5]聚合物自增強(qiáng)已在纖維、薄膜等的生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，也逐漸應(yīng)用于各種板材、棒材、管材和各種異型材的生產(chǎn)。

2 常用塑料自增強(qiáng)管材的研究進(jìn)展

2.1 取向聚氯乙烯(PVC-O)管

PVC-O管是一種雙軸取向的增強(qiáng)型PVC管，比普通PVC管有更高的強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性。PVC-O管的成型方法主要分為兩類(lèi)，一步法和兩步法(表1)。一步法是指厚壁管坯擠出和拉伸取向是在同一生產(chǎn)線上進(jìn)行，生產(chǎn)速度快效率高，但是工藝復(fù)雜對(duì)設(shè)備要求高，產(chǎn)品尺寸也有一定限制。荷蘭WAVIN公司采用一步法生產(chǎn)的PVC-O管，公稱(chēng)壓力1.6 MPa，但管材直徑僅315 mm[6]。兩步法是指管坯的擠出和拉伸取向分兩步進(jìn)行，設(shè)備和生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單但生產(chǎn)的速度和效率低。與一步法相比，兩步法應(yīng)用更加廣泛技術(shù)也更成熟。澳大利亞的昆士蘭大學(xué)的KWON等[7]對(duì)PVC拉伸結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了深入研究，為自增強(qiáng)PVC管材的工業(yè)化提供了大量的技術(shù)支持。20世紀(jì)70年代英國(guó)Yorkshire Imperial Plastic公司率先開(kāi)發(fā)兩步法生產(chǎn)PVC-O管技術(shù)并建成第一條生產(chǎn)線[8]，之后逐漸實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。目前，西班牙的Molecor公司是全球最大的生產(chǎn)PVC-O管材的公司之一。Molecor公司開(kāi)發(fā)出了新的兩步法生產(chǎn)PVC-O管的方法——完全干法系統(tǒng)(圖1)，其特點(diǎn)是利用空氣進(jìn)行溫度控制和膨脹拉伸取向克服了原有工藝的缺點(diǎn)，提高了管材的生產(chǎn)效率，而且使自增強(qiáng)管材的尺寸和加工范圍擴(kuò)大了一倍。Molecor公司[9]宣稱(chēng)他們的完全干法技術(shù)已經(jīng)能夠生產(chǎn)出口徑為800 mm的PVC-O管，未來(lái)將推出口徑為1 000 mm的產(chǎn)品。

表1 一步加工法和兩步加工法的比較Tab.1 Comparison of one-step process and two-step process

圖1 Molecor公司公布的“完全干法系統(tǒng)”示意圖Fig.1 “Completely dry system” schematic of Molecor company

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)PVC-O管的研究則起步較晚，尚未進(jìn)入商品化生產(chǎn)階段。近年有不少高校和企業(yè)在探索開(kāi)發(fā)生產(chǎn)PVC-O管的技術(shù)。尤淑波[10]設(shè)計(jì)出布管擴(kuò)脹法擴(kuò)張Φ25×2 mm硬質(zhì)聚氯乙烯(PVC-U)管，實(shí)現(xiàn)了兩步生產(chǎn)法生產(chǎn)PVC-O管材。自增強(qiáng)管材環(huán)向強(qiáng)度提高了約30 %，拉伸模量提高了70 %，相同管徑與壓力下管壁薄于普通管材，省料量可達(dá)20 %。張博[11]改進(jìn)了布管擴(kuò)脹設(shè)備，以水為擴(kuò)脹介質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)快速擴(kuò)脹生產(chǎn)出了表面光滑、管徑穩(wěn)定的PVC-O管，提高了生產(chǎn)效率。楊明華[12]設(shè)計(jì)芯棒能旋轉(zhuǎn)的特殊管材成型機(jī)頭，改善了管材的熔接縫提高了管材的環(huán)向強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)一步法制備PVC-O管。管材環(huán)向爆破應(yīng)力達(dá)到70.13 MPa，提高了37.56 %。由于材料的取向作用PVC-O管的拉伸強(qiáng)度和彈性模量雖然都有了大幅度的提高，但是作為代價(jià)管材的斷裂伸長(zhǎng)率和韌性都略有下降，普遍存在延展性不足、脆性大的缺點(diǎn)，制約著PVC-O管的進(jìn)一步發(fā)展。為了改善PVC-O管材的韌性提高管材的斷裂伸長(zhǎng)率，張歡等[13]利用正交試驗(yàn)的方法研究了潤(rùn)滑劑和各種加工助劑對(duì)PVC力學(xué)性能和加工性能的影響，最終得到適用與實(shí)驗(yàn)室階段制備PVC-O管的最佳配方，使得管材的拉伸強(qiáng)度和韌性都有所提高，其斷裂伸長(zhǎng)率接近100 %。對(duì)實(shí)際生產(chǎn)PVC-O管材的配方設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值，為PVC-O的工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

杭州波達(dá)塑料科技股份有限公司的吳小波等[14]設(shè)計(jì)了一套在線生產(chǎn)雙軸取向承壓聚氯乙烯(BO-PVC)管材的生產(chǎn)工藝，詳見(jiàn)圖2。首先取PVC樹(shù)脂與穩(wěn)定劑、加工助劑、抗沖擊改性劑等進(jìn)行備料，將備料高速捏合和低速攪拌后冷卻備用，然后用超錐雙螺桿擠出機(jī)擠出成型厚壁管坯，管坯再經(jīng)擴(kuò)脹芯模擴(kuò)張拉伸最終經(jīng)真空定型冷卻成BO-PVC管材。實(shí)現(xiàn)了一步法生產(chǎn)BO-PVC管材的技術(shù)制造工藝。2015年9月三德管業(yè)(南通)有限公司公開(kāi)了一種PVC-O管的生產(chǎn)工藝[15]，首先從擠出機(jī)模頭擠出管坯，管坯進(jìn)入真空噴淋箱冷卻定型，然后在前置牽引機(jī)的作用下將冷卻的管坯送入水槽內(nèi)，水槽內(nèi)有圓軸，圓軸分為前段平直部分、錐形部分、后端平直部分，每段溫度各不相同。管坯經(jīng)過(guò)圓軸實(shí)現(xiàn)徑向拉伸取向，同時(shí)被后置牽引器牽引，實(shí)現(xiàn)軸向拉伸取向，完成管材的雙軸取向成型。此方法生產(chǎn)的PVC-O管材其沖擊強(qiáng)度可提高10余倍，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。曹衛(wèi)忠等[16]公布了一種PVC-O管材生產(chǎn)線，生產(chǎn)線包括：擠出機(jī)、定型箱、牽引機(jī)1、加熱箱、擴(kuò)張機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)2，能夠穩(wěn)定地將PVC-U管材進(jìn)行雙向拉伸，管材強(qiáng)度可提高100 %，沖擊性能提高400 %。此外，還有幾家PVC管道生產(chǎn)企業(yè)(如福建亞通新材料科技股份有限公司、河北寶碩管材有限公司等)對(duì)于PVC-O管的技術(shù)探索已經(jīng)持續(xù)多年，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，也取得了初步的成果。

圖2 BO-PVC管材的生產(chǎn)工藝流程圖Fig.2 Flow chart of the production of BO-PVC pipes

PVC-O管強(qiáng)度高、抗沖擊、耐疲勞，各種力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通PVC管，被稱(chēng)作是“打不破的管材”，大大提高了PVC管在管材領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。目前PVC-O管材在西方的一些發(fā)達(dá)國(guó)家已應(yīng)用多年，用量逐漸增加，范圍也逐漸擴(kuò)大到普通PVC管無(wú)法勝任的地方。雖然PVC管已有50多年的應(yīng)用歷史，但由于國(guó)外技術(shù)保密?chē)?yán)格，國(guó)內(nèi)對(duì)PVC-O管材的研究起步較晚，尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。國(guó)內(nèi)的科研院所和企業(yè)不斷探索開(kāi)發(fā)PVC-O管的生產(chǎn)技術(shù)，也取得了初步的成果。PVC-O管材代表著PVC管新的發(fā)展方向?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)PVC管已經(jīng)供大于求，只有大力加強(qiáng)開(kāi)發(fā)PVC-O管生產(chǎn)技術(shù)，早日實(shí)現(xiàn)PVC-O管的工業(yè)化生產(chǎn)，才能保證國(guó)內(nèi)PVC管材企業(yè)的地位，才有進(jìn)軍國(guó)際市場(chǎng)的可能。

2.2 自增強(qiáng)PP管材

PP相對(duì)密度小，且具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐熱性能和耐化學(xué)腐蝕性能，因而廣泛應(yīng)用于管道行業(yè)。PP管材常用于建筑內(nèi)冷水管和熱水管、大口徑工業(yè)排污管以及農(nóng)用灌溉管等。由于在加工過(guò)程中PP分子鏈易取向，因此PP材料是自增強(qiáng)型熱塑性塑料的理想基體。國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)[17-18]已對(duì)PP自增強(qiáng)管材的加工工藝和自增強(qiáng)原理做了許多的改進(jìn)和研究工作。英國(guó)BP公司最早推出了高度取向增強(qiáng)的PP。早在1984年，新加坡國(guó)立大學(xué)的Lee教授[19]利用冷成型的方法首次生產(chǎn)了增強(qiáng)的PP管材，提高了管材的強(qiáng)度并減小了管材的壁厚。

華南理工大學(xué)瞿金平教授發(fā)明了一種電磁動(dòng)態(tài)塑化擠出機(jī)[20]，成功將振動(dòng)力場(chǎng)引入到聚合物熔融、塑化、擠出成型的過(guò)程中。通過(guò)改變聚合物熔體的流動(dòng)狀態(tài)控制聚合物的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，控制聚合物的固化成型，使聚合物內(nèi)部產(chǎn)生增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高制品的性能和品質(zhì)。陳開(kāi)源等[21]采用電磁動(dòng)態(tài)擠出機(jī)制備了PP自增強(qiáng)管材。與穩(wěn)態(tài)擠出的管材相比，PP自增強(qiáng)管爆破壓力提高了27 %，屈服強(qiáng)度由19.26 MPa提高到20.66 MPa，提高了7.3 %，另外自增強(qiáng)管材的熔點(diǎn)也有所提高。X射線衍射儀和差示掃描量熱儀分析表明，自增強(qiáng)后管材的結(jié)晶度有所提高，且結(jié)晶結(jié)構(gòu)更加完善，晶粒尺寸變小。正是這些增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生使得管材力學(xué)性能和耐溫性得以提高。四川大學(xué)的潘治梁等[22]利用剪切拉伸雙向應(yīng)力場(chǎng)擠管裝置，采用特殊口模實(shí)現(xiàn)PP管的雙向自增強(qiáng)，在剪切旋轉(zhuǎn)段溫度為190 ℃、剪切套轉(zhuǎn)速為10 r/min的工藝條件下所制備的PP管材軸向和周向強(qiáng)度較常規(guī)管材分別提高了21.1 %和21.4 %。研究人員還發(fā)現(xiàn)自增強(qiáng)管材的結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大的改變，球晶結(jié)構(gòu)明顯減少，伸直鏈片晶增多，晶體排列規(guī)整性增強(qiáng)，結(jié)晶度增大。袁毅等[23]以無(wú)規(guī)共聚聚丙烯(PP-R)C180為原料，利用復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)擠管裝置生產(chǎn)出了雙向自增強(qiáng)PP-R管材，增強(qiáng)前管材的軸向強(qiáng)度為23.35 MPa、環(huán)向強(qiáng)度為22.71 MPa。經(jīng)過(guò)自增強(qiáng)加工后管材的軸向強(qiáng)度變?yōu)?5.49 MPa、環(huán)向強(qiáng)度變?yōu)?6.45 MPa?？梢钥闯觯懿慕?jīng)過(guò)自增強(qiáng)加工后軸向強(qiáng)度提高了9.2 %，環(huán)向強(qiáng)度提高了16.9 %，且管材的環(huán)向強(qiáng)度已經(jīng)高于軸向強(qiáng)度。分析表明管材性能得以增強(qiáng)的原因有兩個(gè)，一方面復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)的剪切效應(yīng)使PP分子沿管材軸向和環(huán)向發(fā)生取向；另一方面應(yīng)力場(chǎng)的誘導(dǎo)效應(yīng)使管材內(nèi)部產(chǎn)生了全新的β晶結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了管材的強(qiáng)度。

PP是熱塑性增強(qiáng)塑料的理想基體，自增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用雙向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)生產(chǎn)已經(jīng)非常成熟且早已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，證明自增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用于PP的增強(qiáng)是可行的。對(duì)與自增強(qiáng)PP管材的研究正處于實(shí)驗(yàn)室的研究階段，目前已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)室條件下制備出性能優(yōu)異的自增強(qiáng)管材樣品，管材在軸向和環(huán)向2個(gè)方向的拉伸強(qiáng)度都有了不同程度的提高，更有甚者周向強(qiáng)度已經(jīng)高于軸向強(qiáng)度，更優(yōu)化地配置了聚合物材料的性能，充分滿(mǎn)足受內(nèi)壓管材的現(xiàn)實(shí)需求。

2.3 自增強(qiáng)高密度聚乙烯(PE-HD)管材

PE-HD管材具有較高的強(qiáng)度和模量，且韌性好、絕緣性能優(yōu)異，因而常用作燃?xì)夤?、給水管和外套保護(hù)管。目前，PE-HD管在城際埋地燃?xì)夤艿乐械恼加辛恳堰_(dá)95 %以上，供水管占有量達(dá)60 %以上。另外在工業(yè)供排水、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域也呈現(xiàn)迅速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。早在1993年，Ward利用Die drawing[24]技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了PE-HD管的單向自增強(qiáng)，管材周向強(qiáng)度達(dá)30 MPa。20世紀(jì)90年代末，蔣龍、申開(kāi)智等[25]采用旋轉(zhuǎn)擠出成型的方法，在低壓力下(>8 MPa)利用單螺桿擠出機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了PE-HD管周向自增強(qiáng)，管材周向強(qiáng)度和爆破壓力分別為普通管材的5.0倍和1.7倍。

為實(shí)現(xiàn)PE-HD管材的雙向自增強(qiáng)四川大學(xué)的袁毅團(tuán)隊(duì)[26-29]利用剪切拉伸擠管裝置制備出了雙向自增強(qiáng)的PE-HD管材，管材軸向拉伸強(qiáng)度達(dá)25.82 MPa，提高了14.8 %，環(huán)向拉伸強(qiáng)度高達(dá)24.52 MPa，提高了13 %。同時(shí)提高了結(jié)晶熔融潛熱和結(jié)晶度，增強(qiáng)了管材的力學(xué)性能和耐熱性。掃描電子顯微鏡、差示掃描量熱儀測(cè)試揭示了管材內(nèi)部球晶結(jié)構(gòu)減少轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨热∠蛳嗷Ш系拇Щユi結(jié)構(gòu)。為研究串晶結(jié)構(gòu)對(duì)管材裂紋擴(kuò)展的影響，曹建國(guó)等[30]利用動(dòng)態(tài)保壓(DPM)裝置和慢性裂紋增長(zhǎng)檢測(cè)裝置探究了串晶結(jié)構(gòu)對(duì)管材慢速裂紋增長(zhǎng)的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)管材自增強(qiáng)過(guò)程中形成的串晶結(jié)構(gòu)對(duì)管材耐慢性裂紋增長(zhǎng)性能有很大的提高；在垂直于串晶的方向上管材的耐慢速裂紋擴(kuò)展能力得到了非常大的提高，是普通管材的6倍左右。

采用自增強(qiáng)成型技術(shù)不僅可以提高管材的力學(xué)性能，而且可以改善管材內(nèi)壁的粗糙程度，增強(qiáng)管材對(duì)流體輸送的能力。閆明等[31]采用坯脹 - 微縮的雙向拉伸成型設(shè)備擠出成型了PE-HD自增強(qiáng)管材，并探討了成型工藝和參數(shù)對(duì)管材結(jié)構(gòu)和性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣壓擴(kuò)張法形成的氣墊賦予了自增強(qiáng)管材良好的內(nèi)表面光滑度，管材內(nèi)表面沒(méi)有明顯刮痕并且起伏較小，隨著軸向拉伸比的增大管材的內(nèi)表面越加光滑。水滴滴落實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，水滴在自增強(qiáng)管材內(nèi)表面上更容易發(fā)生滑動(dòng)，直觀地反映出自增強(qiáng)管材優(yōu)異的流體輸送能力。

李安定等[32]發(fā)現(xiàn)在復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)中高相對(duì)分子質(zhì)量的PE-HD能夠誘導(dǎo)通用級(jí)PE-HD沿應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生大分子取向。利用先剪切后拉伸的擠管口模[33]研究了不同配比的PE-HD和高相對(duì)分子質(zhì)量PE-HD共混物擠出管材的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)少量的高相對(duì)分子質(zhì)量PE-HD能夠更好地誘導(dǎo)PE-HD分子沿應(yīng)力場(chǎng)取向，且當(dāng)添加量為4 %時(shí)效果最佳，所制備的自增強(qiáng)管材力學(xué)性能最好。

2.4 自增強(qiáng)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(PE-UHMW)管

PE-UHMW管材具有優(yōu)良的耐磨性、耐沖擊性、耐低溫性，摩擦系數(shù)低，良好的生物相容性和耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性，已被廣泛應(yīng)用于礦山、煤炭和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。但作為工程塑料的PE-UHMW原料價(jià)格高，生產(chǎn)成本高。為了提高PE-UHMW管材性能，同時(shí)降低PE-UHMW管材生產(chǎn)成本，劉阜東發(fā)明了一種增強(qiáng)的PE-HUMW管材及其制備方法和設(shè)備[34]。實(shí)現(xiàn)自增強(qiáng)PE-UHMW管材的在線生產(chǎn)，該管材的拉伸強(qiáng)度約為50 MPa，壁厚為相同口徑，相同工作壓力條件下是PE100型管材壁厚的65 %～70 %，是PE-UHMW管壁厚的75 %～80 %，管材生產(chǎn)成本降低30 %左右。盡管PE-UHMW自增強(qiáng)管材在理論上是可行的，而且已經(jīng)有了一些探索性研究，但目前的研究還不系統(tǒng)、不深入，離工業(yè)應(yīng)用還有很大的距離。因此，有必要進(jìn)行比較深入的實(shí)驗(yàn)室研究。山東科技大學(xué)的王慶昭教授對(duì)PE-UHMW的自增強(qiáng)進(jìn)行了深入的研究[35]，目前正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)PE-UHMW自增強(qiáng)管材的制備進(jìn)行研究，利用自行設(shè)計(jì)的自增強(qiáng)管材成型模具通過(guò)單螺桿擠出機(jī)實(shí)現(xiàn)PE-UHMW管材的自增強(qiáng)，制備了環(huán)向拉伸強(qiáng)度大于35 MPa、管材使用的最小要求強(qiáng)度大于15 MPa的自增強(qiáng)管材樣品。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)以塑代鋼逐漸成為一種發(fā)展趨勢(shì)，各行各業(yè)對(duì)塑料的需求量將不斷增加。在管道行業(yè)塑料管材所占的比重也越來(lái)越大，管材的自增強(qiáng)加工能夠提高管材的力學(xué)性能和流體輸送能力。從生產(chǎn)成本來(lái)看自增強(qiáng)技術(shù)能夠減小管材壁厚節(jié)約原料，降低生產(chǎn)成本和流體輸送的成本，具有巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。將自增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用于管材的生產(chǎn)已經(jīng)具有足夠的理論基礎(chǔ)，也是目前塑料管材工業(yè)化生產(chǎn)的趨勢(shì)。但是目前在國(guó)內(nèi)該技術(shù)還不成熟，因此還需繼續(xù)進(jìn)行自增強(qiáng)管材的研究工作，以研制出性能優(yōu)異，質(zhì)量穩(wěn)定的自增強(qiáng)管材。相信在不久的將來(lái)自增強(qiáng)技術(shù)在管材制備中也將得到大力的推廣和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)自增強(qiáng)管材的工業(yè)化生產(chǎn)。

[1] 小 晗.中國(guó)塑協(xié)塑料管道專(zhuān)委會(huì)舉行第十屆一次全員大會(huì)[N].中國(guó)建材報(bào)，2017-05-08(002).

[2] CHEN X, WANG L, LIU Y, et al. Nonisothermal Crystallization Kinetics of High-density Polyethylene/Barium Sulfate Nanocomposites[J]. Polymer Engineering & Science, 2009, 49(12):2 342-2 349.

[4] 王 靜，吳大鳴，張 博，等.塑料管材雙向拉伸技術(shù)的研究進(jìn)展[J].中國(guó)塑料，2009，23(6):8-14.

WANG J，WU D M，ZHANG B，et al. Research Progress of Biaxial Stretch Technology of Plastic Pipe[J].China Plastics，2009，23(6)：8-14.

[5] 張 強(qiáng)，王慶昭，陳 勇.熔紡UHMWPE纖維在拉伸過(guò)程中的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能[J]. 高分子材料科學(xué)與工程，2014，30(3):80-84.

ZHANG Q，WANG Q Z，CHEN Y. Structure and Mechanical Properties of Melt-spun UHMWPE Fibers in the Drawing Process[J].Polymer Materials Science and Engineering，2014, 30(3):80-84.

[6] 張玉川. 取向聚氯乙烯(PVC-O)管的發(fā)展[J]. 國(guó)外塑料，2010，28(1):42-46.

ZHANG Y C. The Development of Oriented PVC(PVC-O) Pipes[J].World Plastics，2010，28(1):42-46.

[7] KWON J A，TRUSS R W. The Work of Fracture in Uniaxial and Biaxial Oriented Unplasticised Polyvinylchloride Pipes[J]. Engineering Fracture Mechanics，2002， 69(5):605-616.

[8] 周春銷(xiāo).雙軸取向聚氯乙烯(PVC-O)管道的發(fā)展[J]. 聚氯乙烯，2008， 36(5):1-4.

ZHOU C X. Development of Biaxially Oriented Polyvinyl Chloride(PVC-O) Pipe[J].Polyvinyl Chloride，2008，36(5):1-4.

[9] 黃賦云. PVC-O形管管徑再上新臺(tái)階[J]. 現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2014(1):23.

HUANG F Y. PVC-O Pipe Diameter to a New Level[J].Modern Plastics Processing Applications，2014(1):23.

[10] 尤淑波，任冬云，董維煜，等. 間歇式布袋內(nèi)壓擴(kuò)張PVC-U管材的實(shí)驗(yàn)與分析[J].中國(guó)塑料，2007，21(7):65-69.

YOU S B，REN D Y，DONG W Y，et al. Experiment and Analysis of Expanding PVC-U Tubes with Intermittent Bags[J]. China Plastics，2007，21(7):65-69.

[11] 張 博. 雙向自增強(qiáng)PVC管布袋法連續(xù)擴(kuò)脹裝置的實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2009.

[12] 楊明華. PVC-U管材雙軸取向自增強(qiáng)原理及生產(chǎn)裝置研究[D]. 成都：四川大學(xué)， 2003.

[13] 張 欣，吳大鳴，劉 穎，等. 雙向拉伸自增強(qiáng)PVC管材的配方設(shè)計(jì)[J]. 工程塑料應(yīng)用，2013，41(9):38-42.

ZHANG X，WU D M，LIU Y，et al.Formulation Design of Biaxially Stretched Self-reinforced PVC Pipe[J].Engineering Plastics Applications，2013，41(9):38-42.

[14] 吳小波，徐婷玉.一種在線雙軸取向聚氯乙烯承壓管材的生產(chǎn)工藝：200910153546.X[P].2011-03-17.

[15] 汪柯柯.雙軸取向聚氯乙烯PVC-O的生產(chǎn)工藝：201510356546.5[P].2015-06-25.

[16] 曹衛(wèi)忠，陸衛(wèi)祥.一種PVC-O管材生產(chǎn)線：201610176552.7[P].2016-09-17.

[17] BOCZ K， SIMON D， Bárány T， et al. Key Role of Reinforcing Structures in the Flame Retardant Performance of Self-reinforced Polypropylene Composites[J]. 2016，8(8): 289.

[18] DIAZ J A，YOUNGBLOOD J P. Multivariable Depen-dency of Thermal Shrinkage in Highly Aligned Polypropylene Tapes for Self-reinforced Polymer Composites[J]. Composites Part A: Applied Science & Manufacturing， 2016(90):771-777.

[19] 尤淑波. 雙向自增強(qiáng)PVC管材布管擴(kuò)脹機(jī)理及裝備的研究[D].北京：北京化工大學(xué), 2008.

[20] 瞿金平. 聚合物塑化擠出新概念[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 1992(4):1-8.

QU J P. New Concept of Polymer Plastic Extrusion[J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition)，1992(4):1-8.

[21] 陳開(kāi)源，步玉磊，周南橋，等. 振動(dòng)力場(chǎng)下PP增強(qiáng)管材的制備及性能研究[J]. 工程塑料應(yīng)用，2009，37(5):31-34.

CHENK Y，BU Y L，ZHOU N Q，et al. Preparation and Properties of PP Reinforced Tubes under Vibration Force Field[J].Engineering Plastics Applications，2009，37(5):31-34.

[22] 潘治梁，趙國(guó)棟，鄭 偉，等. 復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)雙向自增強(qiáng)聚丙烯管材的研究[J]. 中國(guó)塑料，2009，23(8):61-65.

PANZ L，ZHAO G D，ZHENG W，et al. Study on Bi-directional Self-reinforced Polypropylene Tubes with Composite Stress Fields[J]. China Plastics，2009，23(8):61-65.

[23] 袁 毅，張賢明，崔 爽，等. 復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)剪切誘導(dǎo)成型PP-R自增強(qiáng)管材的結(jié)構(gòu)與性能研究[J]. 高分子學(xué)報(bào)，2012(2):194-198.

YUAN Y，ZHANG X M，CUI S，et al. Study on the Structure and Properties of PP-R Self-reinforced Tubes with Shear Induced Formation by Composite Stress Field[J].Journal of Polymer Science，2012(2):194-198.

[24] 蔣 龍，申開(kāi)智，吉繼亮. 高耐壓HDPE自增強(qiáng)管擠出系統(tǒng)及試樣的結(jié)構(gòu)與性能[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，1998，19(4):638-641.

JIANG L，SHEN K Z，JI J L. Structure and Performance of High Pressure Resistant HDPE Self-reinforced Tube Extrusion System and Sample[J].Chemical Journal of Chinese Universities，1998，19(4):638-641.

[25] 劉 益, 吳世見(jiàn),申開(kāi)智. 聚烯烴材料的自增強(qiáng)研究及其現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)塑料, 2001，15(6):14-20.

LIU Y, WU S X, SHEN K Z.Study and Development of Self Reinforced Polyolefin Materia[J].China Plastics，2001，15 (6):14-20.

[26] 袁 毅. 在復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)下獲取高性能凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的聚烯烴管材的研究[D].成都： 四川大學(xué)，2005.

[27] 袁 毅，申開(kāi)智. 雙向應(yīng)力場(chǎng)對(duì)HDPE1158分子取向結(jié)晶效果的影響[J]. 高分子材料科學(xué)與工程，2010(7):90-92.

YUAN Y，SHEN K Z. Effect of Biaxial Stress Field on Molecular Orientation Crystallization of HDPE1158[J].Polymer Materials Science and Engineering， 2010(7):90-92.

[28] 袁 毅，徐紹虎，崔 爽，等. PE-HD在應(yīng)力場(chǎng)中的雙向自增強(qiáng)研究[J]. 中國(guó)塑料，2011，25(9):75-78.

YUAN Y，XU S H，CUI S，et al. Study on Bidirectional Self-reinforcement of PE-HD in Stress Field[J].China Plastics，2011，25(9):75-78.

[29] 袁 毅，黃 朗，徐紹虎，等. 復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)對(duì)PE-HD/PP/SGF取向結(jié)晶的影響[J]. 工程塑料應(yīng)用，2011，39(11):37-39.

YUAN Y，HUANG L，XU S H，et al. Effect of Compo-site Stress Field on Orientation Crystallization of PE-HD/PP/SGF[J].Engineering Plastics Applications，2011， 39(11):37-39.

[30] 曹建國(guó)，高雪芹，申開(kāi)智. 串晶結(jié)構(gòu)對(duì)自增強(qiáng)HDPE短期力學(xué)性能和耐慢速裂紋擴(kuò)展性能的影響[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2012，44(5):200-206.

CAO J G，GAO X Q，SHEN K Z. Effect of Cylindrical Structure on Short-term Mechanical Properties and Slow-slow Crack Propagation Properties of Self-reinforced HDPE[J]. Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition), 2012,44(5):200-206.

[31] 閆 明. 基于管坯脹 - 微縮的聚烯烴雙向拉伸管連續(xù)成型及結(jié)構(gòu)性能研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2015.

[32] 李安定，袁 毅，申開(kāi)智，等. 復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)下擠出HDPE管材自增強(qiáng)的研究[J]. 塑料科技，2005(3):1-3.

LI A D，YUAN Y，SHEN K Z，et al. Self-reinforced Study on Extruded HDPE Tubes Under Composite Stress Field[J].Plastic Techinology，2005(3):1-3.

[33] 李安定， 袁 毅， 申開(kāi)智，等. 復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)下制備自增強(qiáng)的HDPE管材[J]. 塑料，2005，34(3):68-71.

LI A D，YUAN Y，SHEN K Z，et al. Preparation of Self-reinforced HDPE Pipe Under Complex Stress Field[J]. Plastics,2005,34(3):68-71.

[34] 劉阜東. 增強(qiáng)超高分子量聚乙烯管材及其制造方法和設(shè)備[J]. 綠色建筑， 2005(3):55-56.

LIU F D. Reinforced Ultra-high Molecular Weight Polyethylene Pipe and Its Manufacturing Method and Equipment[J].Green Building，2005(3):55-56.

[35] 王慶昭. 超高分子量聚乙烯/蒙脫土納米復(fù)合物及其自增強(qiáng)材料研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2005.