1 概述
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）發(fā)展始于二十世紀(jì)六十年代，它的分子結(jié)構(gòu)和普通聚乙烯（PE）完全相同，其分子量一般在1×106以上，比普通PE高2個數(shù)量級，因此它具有普通PE所沒有的性能，比如耐磨性是鋼鐵的8~9倍，耐沖擊性是聚碳酸酯（PC）的2倍、（丙烯腈/丁二烯/苯乙烯）共聚物（ABS）的5倍、聚甲醛（POM）的15倍；耐化學(xué)藥品性和消音性優(yōu)良，摩擦系數(shù)小等優(yōu)良特性�？捎糜谝苯稹⒌V山、煤炭、石油、天然氣、化工、電力、紡織、造紙、海湖鹽化工、排水等行業(yè)[1]，用于固體顆粒、粉狀物料、漿體、固液混合物和氣體等介質(zhì)的輸送，解決管道輸送系統(tǒng)中的難題，包括超高分子量聚乙烯耐磨襯板，在解決料倉結(jié)垢、堵倉、磨損嚴重的問題起到了關(guān)鍵性的突破作用。
UHMWPE由于其具有多種優(yōu)異性能而受到廣泛的關(guān)注。超高分子量聚乙烯擠出管材生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)了超高分子量聚乙烯的工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，使超高分子量聚乙烯的加工技術(shù)有了新的突破。工藝技術(shù)日趨成熟，但是，隨著UHMWPE應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大也逐漸發(fā)現(xiàn)了它的不足之處：
a、維卡軟化點低、剛性小、易變形，影響其美觀并且不適宜架空敷設(shè)。
b、超高分子量聚乙烯管材膨脹系數(shù)大（1.465×10-4℃-1），是鋼管的十倍多，受溫度影響明顯，不易用在溫差變化大的區(qū)域。
c、超高分子量聚乙烯管承受壓力相對鋼管低，一般不超過1.5MPa。
為此，筆者在UHMWPE中填加填料進行共混改性提高其耐熱性能和力學(xué)性能，從而制備出機構(gòu)性能優(yōu)良的UHMWPE材料。
在此基礎(chǔ)上研制開發(fā)了超高分子量聚乙烯復(fù)合管材，該塑鋼復(fù)合管充分發(fā)揮了UHMWPE管材和鋼管各自的優(yōu)異性能，同時提高了管材的使用壓力和剛性，使之取長補短，擴大了超高分子量聚乙烯產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，是一種更為理想的超高管材。
2 實驗部分
2.1 主要原材料
     主要原料、配方及組成。UHMWPE管材產(chǎn)品所用原料為超高分子量聚乙烯（粘均分子量200萬—300萬）及部分添加劑，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，原料均采用國內(nèi)外著名公司的產(chǎn)品。
原料組成如下：
名稱                       產(chǎn)地
超高分子量聚乙烯              北京助劑二廠
聚烯烴添加劑A                 美國
聚烯烴添加劑B                 美國
聚烯烴添加劑C                 德國
聚烯烴添加劑D                 日本
有機著色劑                     上海
鋼管                           山東
2.2 工藝過程
UHMWPE復(fù)合管材生產(chǎn)路線采用UHMWPE塑料管材連續(xù)式單螺桿擠出成型，首先經(jīng)過原料配制，然后進入螺筒塑化擠出成型。
復(fù)合管材通過特制復(fù)合設(shè)備，采用過盈配合進行復(fù)合過程。
生產(chǎn)工藝流程如下：
原料配混→擠出機內(nèi)熔融塑化→模具成型→冷卻→牽引→定尺切割→檢測→成品→復(fù)合→翻邊制作→打壓試驗→成品
2.1.1 混料
原料配料是UHMWPE管材擠出工藝技術(shù)的關(guān)鍵部分之一，使用高速混合機，將超高分子量聚乙烯樹脂、進口加工助劑等物料通過高速攪拌得到均勻的分散，并通過摩擦生熱去除所含的水分，配制好的原料突出優(yōu)點就在于增加了超高分子量聚乙烯流動性，使擠出成為可能。
2.1.2 塑化擠出
混合完畢的物料從料斗喂入擠出機，經(jīng)加料、壓縮、熔融、均化等過程，在外加熱和螺桿剪切作用下，由粉狀固體逐步變?yōu)楦哒硰椥泽w，并連續(xù)經(jīng)機頭擠出。
2.1.3 模具成型
在適宜的設(shè)定溫度下，從擠出機擠出來的超高分子量聚乙烯熔體通過過濾板由旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本�運動，進入管材模具，分流融合成型。
2.1.4 冷卻成型
從模具擠出的熱管坯進入冷卻定型裝置，物料溫度逐漸下降到室溫，管坯固化成型。
2.1.5 牽引
成型的管材在牽引裝置的作用下，勻速向前移動。
2.1.6 切割
管材切割采用管材行星切割鋸，既保證了切割精度也保證了管材翻邊的平整性。
2.1.7 產(chǎn)品質(zhì)量檢驗
產(chǎn)品質(zhì)量檢驗從原料配料開始至整個工藝過程結(jié)束，包含：原料抽樣測定—產(chǎn)品擠出外觀質(zhì)量（色澤、外型尺寸、壁厚均勻度）—產(chǎn)品性能測試（沖擊強度、彎曲強度、拉伸強度、維卡軟化點、熱變形溫度等）—管材復(fù)合翻邊質(zhì)量檢驗—耐壓實驗。對整個工藝過程實施質(zhì)量監(jiān)控，并根據(jù)測量結(jié)果對產(chǎn)品擠出速度、機頭、冷卻系統(tǒng)進行隨時調(diào)整。
2.1.8 復(fù)合
選擇合格產(chǎn)品采用特制設(shè)備進行復(fù)合，提高了管材的使用壓力及剛性。
2.1.8 翻邊制作
根據(jù)翻邊制作工藝進行成品的制作。
2.1.10 打壓試驗
根據(jù)復(fù)合管的使用條件，進行強度及密封性打壓試驗。
2.1.11 成品檢驗
根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及客戶要求對制作好的復(fù)合管材進行全面檢查。
3 結(jié)論及其分析
3.1 超高分子量聚乙烯塑料管材擠出
特殊設(shè)計擠出設(shè)備、成型模具，解決三大技術(shù)難題，作為熱塑性工程塑料，UHMW-PE在固態(tài)時具有優(yōu)良的綜合性能，但其熔體特性和普通聚乙烯等一般熱塑性塑料又截然不同，給加工帶來極大的困難，主要表現(xiàn)在以下三個方面。
3.1.1 熔融粘度高
超高分子量聚乙烯特有的彈性體狀態(tài)，其熔體流動速率近似為0，流動性極差，使用普通擠出設(shè)備容易形成“塞流”，物料容易堵塞在壓縮段，無法擠出。
3.1.2 摩擦因數(shù)小
 UHMW-PE摩擦因數(shù)極低，因此在進料過程中容易在進料段發(fā)生打滑，無法向前推進，這是螺桿擠出加工時遇到的第二大難題。
3.1.3 臨界剪切速率低
相對分子質(zhì)量極高的UHMW-PE在剪切速率很低（10-2/s）時就可能產(chǎn)生熔體破裂現(xiàn)象，因此擠出加工時常會遇到由于熔體破裂而引起的裂紋現(xiàn)象，這是加工超高分子量聚乙烯管材的又一大難題。
筆者通過改造單螺桿擠出設(shè)備，依據(jù)超高擠出特性設(shè)計特殊成型模具，設(shè)計特殊擠出工藝，且在生產(chǎn)實際中采用自循環(huán)冷卻系統(tǒng)，充分應(yīng)用了電子壓力跟蹤系統(tǒng)，徹底解決了超高分子量聚乙烯擠出過程中上述三大難題，真正實現(xiàn)了超高分子量聚乙烯管材的工業(yè)化擠出。
3.2 超高分子量聚乙烯復(fù)合管材研制
超高分子量聚乙烯復(fù)合管材是在超高分子量聚乙烯管材的各工藝基礎(chǔ)上開發(fā)研制，它成功的解決了超高分子量聚乙烯管材易變形、伸縮性難控制的缺點，并且大大提高了超高管材的使用壓力和剛性。超高分子量聚乙烯復(fù)合管材內(nèi)層是超高分子量聚乙烯薄壁管道，外層是螺旋焊管或直縫焊管，通過過盈配合而成.
在超高分子量聚乙烯復(fù)合管材的開發(fā)研制過程中，應(yīng)注意以下方面技術(shù)問題：
3.2.1 依據(jù)鋼管規(guī)格開發(fā)內(nèi)襯超高薄壁管道
薄壁管外徑尺寸的大小以國產(chǎn)螺旋焊管或直縫焊管為參考，保證超高管與鋼管的成功復(fù)合，并且控制兩者間隙盡可能的小。應(yīng)用了“工藝參數(shù)動態(tài)顯示”技術(shù)，實行了自循環(huán)冷卻定型工藝，改變了某些生產(chǎn)工藝參數(shù)，并使其趨于穩(wěn)定，生產(chǎn)出質(zhì)量合格的產(chǎn)品。
3.2.2 使用特制設(shè)備，完成機械化復(fù)合操作。
復(fù)合是勞動量比較大的一個過程，為了降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率，通過多次研究和反復(fù)實驗，成功研制出了復(fù)合設(shè)備，并且制作了一些配套的附屬設(shè)施，完善了復(fù)合工藝，達到了工藝獨創(chuàng)，技術(shù)領(lǐng)先。
3.2.3 開發(fā)復(fù)合管道新型翻邊連接工藝
復(fù)合管的連接及其密封性能是能否被用戶所接受的主要因素之一，其中鋼管的連接以法蘭連接最為便捷，而復(fù)合管又外套鋼管，因此采用外套鋼法蘭翻邊對接作為超高分子量聚乙烯復(fù)合管材的連接工藝，通過對翻邊設(shè)備進行技術(shù)改造，采用復(fù)合管道新型翻邊連接工藝。
3.2.4 解決鋼管與超高管的線膨脹系數(shù)不一致
線膨脹系數(shù)的不一致導(dǎo)致在外界溫度變化時，使得鋼管與超高管的伸縮量有很大的差異，針對這一現(xiàn)象，要緊密關(guān)注溫度這一關(guān)鍵因素。首先了解復(fù)合管材使用區(qū)環(huán)境溫度及輸送介質(zhì)溫度，然后讀取超高管生產(chǎn)線環(huán)境溫度，分別計算出鋼管及超高管對應(yīng)狀態(tài)的伸縮量，計算公式如下：
                 ΔL＝αLΔt
ΔL——伸縮量（米）
α—— 線膨脹系數(shù)（℃-1）       
L——計算長度（米）
Δt——溫差（℃）
選取最佳的復(fù)合加工溫度（此溫度一般是接近用戶輸送介質(zhì)溫度，目的是使復(fù)合管長時間在相對穩(wěn)定狀態(tài)下工作，提高其使用壽命），根據(jù)上式計算伸縮量，并對照鋼管的長度來確定超高管下線長度，在制作車間將超高管與鋼管復(fù)合，然后通過輔助控溫設(shè)備來調(diào)節(jié)復(fù)合管溫度至最佳加工溫度，并在此溫度下翻邊。顯然，成品復(fù)合管在離開控溫設(shè)備后，鋼管及超高管的伸縮量又出現(xiàn)不一致的情況，但是超高所特有的抗應(yīng)力開裂性能，使的它相對鋼管運動所產(chǎn)生的應(yīng)力遠小于其開裂應(yīng)力，這就保證了復(fù)合管在運輸、安裝、使用過程中的穩(wěn)定。
3.3 復(fù)合管與相應(yīng)型號的超高塑料管材承壓能力對比表超高管承壓能力對比表
超高塑料管 超高復(fù)合管
規(guī)格 承受壓力（MPa） 規(guī)格 承受壓力（MPa）
φ110×10 2.0 φ114×3—φ108×10 6.0
φ159×10 1.5 φ165×3.0—φ159×8.0 5.0
φ219×10 1.1 φ219×6.0—φ205×7.0 7.0
φ273×12 1.1 φ273×6.0—φ256×7.0 5.0
φ325×15 1.0 φ325×6.0—φ310×8.0 4.0
φ426×18 1.0 φ426×6.0—φ410×10 4.0

4 結(jié)論 
所研制的UHMWPE復(fù)合管材，解決了UHMWPE 塑料管材受溫度影響收縮大、不適宜高空敷設(shè)、使用壓力低等問題，更加適用于尾礦高濃度輸送、架空使用等，是一種更為理想的超高產(chǎn)品。