粘接树脂在钢丝网增强聚乙烯热水管中的应用探索
发布时间: 2017-03-29 14:01:15 阅读次数:160

粘接树脂在钢丝网增强聚乙烯热水管中的应用探索

杜壮1 唐舫成1 冯金茂2 霍福磊2 孔超1 汪加胜1

1 广州鹿山新材料股份有限公司;2 浙江伟星新型建材股份有限公司

摘要

介绍了一种能够输送热水的钢丝网增强聚乙烯复合管用新型粘接树脂材料(以下简称“热水管专用粘接树脂”),并介绍该材料的性能评价方法,从材料耐热性、加工性、粘接性等多个角度对该粘接树脂在钢丝网增强聚乙烯热水管中的应用进行全方位可行性分析。结果表明,热水管专用粘接树脂不仅能够与聚乙烯材料、钢丝网增强层形成稳定可靠粘接,而且在高温、高压环境下表现出优异的稳定性。目前该材料制备的管材已成功应用于80℃热水输送领域。该研究的目的在于探索并拓宽钢丝网增强聚乙烯复合管新的应用领域,同时是推动增强热塑性塑料管(RTP)发展及应用领域拓展的一次有效尝试。

1 钢丝网增强聚乙烯复合管应用简介

钢丝网增强聚乙烯复合管是十余年来发展迅速的一种增强热塑性塑料管(RTP),具有承压力强、线性膨胀系数低、耐腐蚀、不结垢、重量轻、环保无毒等特点[1]。钢丝网增强聚乙烯复合管兼具了热塑性塑料和金属增强层的各自优点,在性能上达到了塑料和金属材料的优势互补[2],广泛应用于市政、化工、消防等领域[3]。通过长期且广泛的市场应用案例表明,钢丝网增强聚乙烯复合管是一种性能优异且得到市场认可的增强热塑性塑料管。目前,钢丝网增强聚乙烯复合管主要在冷水管领域应用,输送介质的温度不超过40℃,在热水管领域的应用未见报道及应用实例。

粘接树脂作为连接钢丝和内外层聚乙烯管材的关键原材料,其性能优劣直接影响到钢丝网增强聚乙烯复合管的品质。通过粘接树脂性能升级能够改善复合管粘接界面的耐热性能,促进复合管在热水输送领域应用的可行性。另外,通过优化聚乙烯、钢丝、生产工艺、管材结构设计等生产要素可以进一步促进钢丝网增强聚乙烯复合管在热水输送领域的应用可行性。

2 热水管专用粘接树脂材料性能表征

以提高钢丝网增强聚乙烯复合管耐热水性能为基础,以通过高温高压静液压强度试验为核心,对粘接树脂进行配方优化设计,并从加工性、粘接性能、耐热性能等多个角度对新型粘接树脂材料进行综合性能评估。

 2.1 加工性能

热水管专用粘接树脂通过配方组分优化升级提高耐温性,在产品升级过程中加工性能不能受到影响。通过哈克转矩流变仪和流延设备评价产品的加工性能。其中,热水管用新型粘接树脂和普通粘接树脂的哈克流变曲线对比效果见下图。

从流变数据中可知,热水管专用粘接树脂和常规粘接树脂塑化性能及平衡扭矩非常相似,加工性能非常接近。

另外,通过流延设备将热水管专用粘接树脂进行流延,考察其塑化性能和加工性能。流延时熔体温度为230℃,流延后的膜带见下面图片。

2 热水管专用粘接树脂流延后的片材

从图片中可以看出,热水管专用粘接树脂流延后的片材塑化性能良好,无晶点或不熔物存在。说明热水管粘接树脂在提高材料耐热性的前提下加工性能未出现降低。

 2.2 耐热性能

高温高压静液压强度试验要求在试验过程中粘接树脂能够对钢丝网产生持续稳定包裹承载,防止钢丝网变形后冲破内外管产生破裂渗漏。粘接树脂的软化点和热变形温度是影响试验过程中复合界面测试稳定性的重要指标。在此,对比热水管专用粘接树脂和常规粘接树脂的热变形温度和软化点,结果见下表。


   从测试数据可以看出,热水管专用粘接树脂软化点及热变形温度均比常规粘接树脂有明显提高。粘接树脂耐温性提高能够保证静液压强度试验中高温高压条件下粘接界面的稳定性。软化点和热变形温度测试原始数据见图3和图4所示。

2.3 粘接性能

在钢丝网增强聚乙烯复合管中,粘接树脂是连接内外层聚乙烯和钢丝增强层的关键材料,其粘接性能直接决定了复合管的使用寿命。行业标准CJ/T189-2007规定管材剥离强度≥100N/cmGB/T32439-2015规定粘接树脂/铝材质180°剥离强度≥100N/25mm,钢丝/粘接树脂剪切强度≥13MPa管材平均剥离强度≥150N/cm且最小剥离强度≥120N/cm

实验室分别测试热水管专用粘接树脂与聚乙烯管材料、钢材质、铝材质等不同材质的剥离强度,并与常规粘接树脂进行对比,复合好的剥离强度测试样品见下图所示,测试的剥离强度数据见下表。

5 热水管专用粘接树脂与不同被粘材质复合后的测试样条

从上面数据中可以看出,热水管专用粘接树脂对聚乙烯管材料、钢材质、铝材质复合后剥离强度与常规粘接树脂无明显差异,粘接效果优良。热水管粘接树脂能够有效将钢丝和聚乙烯复合界面连接起来,在钢丝增强聚乙烯复合管多层之间形成优异的粘接界面。

3 钢丝网增强聚乙烯热水管专用粘接树脂工业化应用探索

热水管粘接树脂于2016年上半年在浙江伟星新型建材股份有限公司(以下简称“伟星新材”)进行了工业化探索应用,伟星新材、鹿山新材分别对产品进行了性能测试。

3.1 加工性能工业化验证

热水管粘接树脂加工性能评价在管材制备时直接得到验证。伟星新材已经验证:在不改变挤出机挤出温度和挤出转速的前提下,热水管粘接树脂塑化性能、涂覆均匀性均表现优异,生产出的成品管外观优良,见下图。


6 热水管专用粘接树脂制备的成品试验管

3.2 粘接性能工业化验证

钢丝网增强聚乙烯热水管剥离强度测试由鹿山新材安排测试。测试时现沿管材轴向裁出25mm宽、150mm长的测试样条,沿钢丝与聚乙烯之间的粘接界面进行剥离强度测试,测试过程图片见下图。

7 钢丝网增强聚乙烯热水管成品管剥离强度测试现场

 热水管专用粘接树脂与普通粘接树脂制备的成品管剥离强度和界面破坏形态测试结果见下表。



依据上面的测试数据,与钢丝网增强聚乙烯冷水管相比,钢丝网增强聚乙烯热水管不仅常温下剥离强度优异,而且高温时仍然保持非常高的粘接强度,同时剥离后界面破坏方式为韧性破坏。热水管粘接树脂在成品管界面中粘接效果优异。

3.3 界面粘合效果工业化验证

将剥离后的测试样条沿粘接面剖开,通过电子显微镜观察界面粘合效果,见下面图片。

通过图8中左边照片可以看出粘接界面呈现韧性破坏特征,热水管粘接树脂对钢丝表面浸润性好,粘合效果优异;通过图8中右边照片可以看出粘接树脂与聚乙烯管材粘接界面呈现出粘接树脂内聚破坏的特点,没有明显界面分界点出现,粘接树脂相和聚乙烯管材相有两项贯穿融合的特征。以上现象均表明管材界面粘合效果优异。

3.4 管材应用领域探索

目前,伟星新材已将产品成功应用于80℃热水输送领域,常规钢丝网增强聚乙烯管材只能用于温度不超过40℃的冷水输送领域。钢丝网增强聚乙烯热水管专用粘接树脂在实践中得到成功应用。

4 结论

  1) 热水管专用粘接树脂在耐热性上与常规粘接树脂相比具有明显优势,软化点、热变形温度、高温剥离强度等指标提升明显,制备的成品管界面粘接效果优异。

2)热水管专用粘接树脂制备的管材在80℃热水输送领域成功应用,拓宽了钢丝网增强聚乙烯复合管的应用领域。

 5 致谢

    感谢浙江伟星新型建材股份有限公司在本项目开展过程中给予的大力支持与帮助,特别感谢伟星新材冯金茂总工带领的技术团队在项目进程中提供的技术支持。

参考文献

[1] 饶静,钢丝缠绕增强塑料复合管用热熔胶耐水性能试验研究,中国塑料,20118

[2] 李翔,钢丝缠绕增强塑料复合管粘弹力学行为研究,浙江大学博士毕业论文,2008

[3] 郑津洋,钢丝缠绕增强塑料复合管外压失稳试验研究,中国塑料,20082


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