超高分子量聚乙烯管材性能分析與比較

1、2822001年塑料高新科技成果交流會(huì)論文集超高分子量聚乙烯管材性能分析與比較何繼敏 薛平何亞東(北京化工大學(xué)塑料機(jī)械及塑料工程研究所，北京100029)摘募對(duì)超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)管材與其它塑料管材的主要,P*JE進(jìn)行了分析與比較，結(jié)果表明 UHMWPE管材具有優(yōu)越的性能價(jià)格比。應(yīng)用領(lǐng)域極廣，是替代鍍鋅鋼管，鑄鐵管，鋼管等金屬管道的理想管 材關(guān)鍵詞：超高分子量聚乙烯。管材，性能，比較1前言目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)了多種用于輸送冷、熱水等介質(zhì)的塑料管材，如硬聚氯乙烯(UPVC)管、高 密度聚乙烯(HDPE)管、三型聚丙烯(PP-R)管(歐洲90年代開發(fā)的第三代給水用聚丙烯管，以 無規(guī)共聚丙

2、烯為原料)、聚丁烯(P B)管、交聯(lián)聚乙烯(P E X)管、鋁塑復(fù)合(P E XA lP E X) 管等。被譽(yù)為“令人驚異的塑料”的超高分子量聚乙烯管材(UHMWPE)作為一種性能優(yōu)異、價(jià)格 低廉的新型管材在流體、氣體及粉體、漿體輸送領(lǐng)域的應(yīng)用獨(dú)樹一幟。下面將對(duì)UHMW-PE管材的有關(guān)性能進(jìn)行分析與比較。2性能分析與比較21耐磨性UHMWPE的耐磨損性居現(xiàn)有各種塑料之冠。如表1 所示，UHMW-PE管材的耐磨損性不僅大大高于 普通HDPE、UPVC管材，而且是鋼管、不銹鋼管的7-10倍，銅管的27倍。因此。UHMWPE作為替 代金屬管道的耐磨輸送管道具有獨(dú)一無二的優(yōu)勢(shì)。材料l帥iWPEHDPE

3、 l UPVCPA-66 PTFE碳鋼不銹鋼 黃銅 砂漿磨損指數(shù) l 10 l10 55710 27l22耐熱性、保溫性UPVC管材存在耐溫等級(jí)低(長(zhǎng)期使用溫度不超過65)，因而一般僅限于常溫下使用，不能作 熱水管，普通聚乙烯的耐熱性也較差，交聯(lián)后耐熱溫度從65"-75，提高到90110，因而可用 于輸送熱水。UHMW-PE樹脂由于分子量高達(dá)150萬以上，分子鏈段移動(dòng)困難，故熔融時(shí)無流動(dòng)態(tài)，呈 半透明固體狀的高粘彈態(tài)，在沒有應(yīng)力的情況下，150-200"(2形狀也不會(huì)發(fā)生改變，這一點(diǎn)與交聯(lián)聚乙烯相似【2】，或者說是經(jīng)交聯(lián)改性后的聚乙烯與UHMW-PE的固有特性相似(聚乙烯交

4、聯(lián)后在軟化溫度下，能夠和UHMWPE一樣不加外部應(yīng)力時(shí)保持原來的形狀，這是由于存在分子鏈間交聯(lián)點(diǎn)的作用，分子運(yùn)動(dòng)受到抑制不成流體而顯示橡膠彈性體的行為)。表2(3】為UHMW-PE與交聯(lián)聚乙烯的維卡軟化點(diǎn)比2001年塑料高新科技成果交流會(huì)論文集 283較。如表3【·】所示，UHMW-PE管的導(dǎo)熱系數(shù)僅為鍍鋅鋼管的l144，因而具有較好的保溫隔熱性。汴表2維卡軟化溫度比較()聚乙烯凝膠率材料O55 65交聯(lián)LDPE 8793 945交聯(lián)HDPE 122124126U唧W-PE 127134+，。表3管材導(dǎo)熱系數(shù)比較(WmR)材料U刪陌-PE管PPR管交聯(lián)聚乙烯管 鋁塑復(fù)合管 銅管不銹鋼

5、管 鍍鋅鋼管 導(dǎo)熱系數(shù) 036 38046O45320 42 5223耐壓性管材管壁許用應(yīng)力與管中流體壓力的常用關(guān)系符合下式：式中：0一許用應(yīng)力(M P a) P一流體壓力(MPa) D一管材外徑(mm)6一管材壁厚(mm) 上式表明，同一材料的管材，其直徑越小、壁越厚，則爆破壓力值越高。根據(jù)11 0×6的UHMW-PE管材的實(shí)測(cè)爆破壓力值38MPa(注：所測(cè)樣品在該壓力值下并未破裂，而是變形以至測(cè)試儀 器無法將其夾持)，20 X 25交聯(lián)HDPE管材的的實(shí)測(cè)爆破壓力值6OMPa，16 X 2國(guó)產(chǎn)鋁塑復(fù)合 管的最小爆破壓力值6OMPa，按式(1)可計(jì)算出其不同規(guī)格管材所對(duì)應(yīng)的爆破壓力

6、值。從表45，6可以看出，UHMw-PE管材具有優(yōu)異的抗內(nèi)壓能力。表4管材爆破壓力值比較(MPa20)管材規(guī)格 16×225 20×2526×3 32×27540×3750×5 (mm×mm)交聯(lián)HDPE管 69 60 55 39 43 47 進(jìn)口鋁塑復(fù)合管 10O 9O 8O 65 60 60 國(guó)產(chǎn)鋁塑復(fù)合管 78 60 55 39 43 24UHMW-PE管 108 94 86 68 67 7324耐環(huán)境應(yīng)力開裂性管材在應(yīng)用中最關(guān)鍵的問題之一是環(huán)境應(yīng)力開裂，這是在使用時(shí)受外部力的作用或有成型加工時(shí)內(nèi)4 2001年塑料高新

7、科技成果交流會(huì)論文集的殘留變形時(shí)，或在接觸某種液體及其蒸汽狀態(tài)下使用時(shí)產(chǎn)生開裂的現(xiàn)象，耐環(huán)境應(yīng)力開裂性的優(yōu)劣 直接關(guān)系到管材實(shí)際使用壽命的長(zhǎng)短。·一般認(rèn)為聚乙烯的分子量越高(熔體指數(shù)越小)，分子鏈越長(zhǎng)，晶片間的系帶分子數(shù)越多，耐 環(huán)境應(yīng)力開裂性性能愈好(圖1)，這是因?yàn)榫垡蚁┑姆肿恿吭礁?，其分子鏈的運(yùn)動(dòng)困難，不易生 成大的球晶和形成好的序態(tài)，表面能就越大，破裂強(qiáng)度也就越高。普通聚乙烯通過交聯(lián)形成網(wǎng)狀三維 結(jié)構(gòu)，可有效地增加分子量，因而也可改進(jìn)應(yīng)力開裂現(xiàn)象 。墨翅婺蓄鬈篷0oIo2O30。4 熔體指教MI(g，lOmill)圖l聚乙烯耐環(huán)境應(yīng)力開裂性與分子量的關(guān)系交聯(lián)聚乙烯的熔體指數(shù)(

8、190"C，5kg)為1529min c'，而UHMW-PE由于分子量極高，熔體 指數(shù)在190'C，216kg和216kg條件下測(cè)試都為零值。從表5Is·9】可以看出。UHMW-PE的耐環(huán)境應(yīng)力 開裂性極優(yōu)，從而保證使用壽命能達(dá)到5 0年。淤表5耐環(huán)境應(yīng)力開裂性比較(h)LDPE交聯(lián)LDPE HDPE交聯(lián)HDPE UHMW-PE測(cè)試方法(譬e1=65) (geI=65)(1001meDal100)ASTM-1693 2500 9500 200025耐沖擊性、消音性UPVC管材的抗沖擊強(qiáng)度低，容易被擊穿，且不象鑄鐵管受沖擊時(shí)產(chǎn)生明顯的金屬回聲，不能及 時(shí)發(fā)現(xiàn)。

9、而UHMWPE的沖擊強(qiáng)度列現(xiàn)有塑料塑料之首，用通常的沖擊試驗(yàn)方法難以使其斷裂破壞，如 表6【。1所示。UHMW-PE管材在寒冷環(huán)境和意外沖擊力的作用下不會(huì)發(fā)生脆性破裂，因此用作建筑給水管、排水管將更具安全性。表6沖擊強(qiáng)度值比較材料UmfW-PE高沖擊ABS PA-66 PC POM PTFE沖擊強(qiáng)度值 >140(不破裂)16-446-II 71-95 8一13 16(kg-cmcm)根據(jù)用戶對(duì)UPVC排水管使用時(shí)的反映，其噪聲比鑄鐵管大，測(cè)試結(jié)果表明UPVC管排水時(shí)產(chǎn)生的 噪音比鑄鐵管噪音高2"-6dB10，而UHMW-PE的沖擊能吸收性為現(xiàn)有塑料中最高值，具有優(yōu)良的噪聲 阻尼

10、性。26耐腐蝕性、衛(wèi)生性2001年塑料高新科技成果交流會(huì)論文集285UHMWPE具有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性。除強(qiáng)氧化性酸液外，在一定溫度和濃度范圍內(nèi)能耐各種腐蝕 性介質(zhì)(酸、堿、鹽)及有機(jī)介質(zhì)(萘溶劑除外)，其在2 O和8 0的8 0種有機(jī)溶劑中浸滯3 0 天，外表無任何反?，F(xiàn)象，其它物理性能也幾乎沒有變化【¨。因此UHMW-PE管具有金屬管所沒有的永 不生銹、耐腐蝕的特點(diǎn)。UPVC管材衛(wèi)生性較差(有低毒性)。不宜作飲水管和純凈水管。而UHMWPE衛(wèi)生性極佳，完全 符合日本衛(wèi)生協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，并得到美國(guó)食品及藥物行政管理局(FDA)和美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)的同 意，可用于接觸食品和藥物，甚至

11、進(jìn)入與人體接觸的領(lǐng)域使用，如：作為心臟瓣膜、人工關(guān)節(jié)、 節(jié)育植入體等，目前世界上有數(shù)十萬人接受了UHMW-PE人工髖關(guān)節(jié)的置換【l】。因此，UHMWPE管是最 具衛(wèi)生性的飲用水、純凈水、飲料、食品輸送管道。27水力學(xué)特性與阻垢性目前國(guó)外現(xiàn)在大量使用6升節(jié)水型的坐便器，而我國(guó)使用的是1213升用水量大的坐便器，浪費(fèi) 非常嚴(yán)重，主要原因是污水管用鑄鐵管內(nèi)壁粗糙，如用6升節(jié)水型坐便器，沖不干凈，非要用1 2升 以上的水箱才能沖干凈Ctl。UHMW-PE管材極富自潤(rùn)滑性，如表7 】所示，UHMWPE的摩擦系數(shù)最低，僅為007"01l，相當(dāng)于冰一冰摩擦，故水力學(xué)特性優(yōu)良，供排水能力可比同口徑的

12、鑄鐵管提高30以上。UHMW-PE管的抗粘附性極強(qiáng)，與特氟隆相當(dāng)，因而不積垢，可保證供水的潔凈和管道長(zhǎng)期輸 送的暢通。表7摩擦系數(shù)比較材料LDPE HDPE UHMWPEPP鑄鐵UPVC摩擦系數(shù) 0302007-01lO25O3 0228成本與價(jià)格從表8t131可以看出，UHMW-PE樹脂性能優(yōu)異，但原料價(jià)格適中。如表91 z4所示，UHMWPE管材重 量輕，且材料綜合成本比鋁塑復(fù)合管低2952。表8管材原料價(jià)格比較(萬元t)原料PB 交聯(lián)PEPP-R UHMWPE國(guó)產(chǎn)進(jìn)口價(jià)格52327 452513表9 UHMW-PE管與國(guó)產(chǎn)鋁塑復(fù)合管材料綜合成本比較(元m) 管材鋁塑復(fù)合管 II玨If霄-

13、PE管規(guī)格重量材料成本 重量材料成本 (姍Xn船)普通型交聯(lián)型14×29218 150 192 7084 09916×225 11607179 235 913112720×25 170。35273 3。5l 12913 1。8l26×3 2711343l 554 20367 28032×3 35734603 752 25679 358286 2001年塑料高新科技成果交流會(huì)論文集表10115t18】為相同規(guī)格的不同管材制品價(jià)格比較，UHMW-PE管材每米售價(jià)(折合為6萬元t，與 管材原料價(jià)格之比為46)不僅低于其它幾種塑料管材，而且最高價(jià)比鍍鋅

14、鋼管還低，可調(diào)整的范圍 較大。表10管材價(jià)格比較(元m)利 不銹鋼管 鍍鋅鋼管 交聯(lián)聚乙烯管PB管鋁塑復(fù)合管 UHhfWPE規(guī)格(進(jìn)口國(guó)產(chǎn)普通交聯(lián)管材016 113 596970 595 825 129 155 548 如201746 7761276 786 1410174 199 774oZ53345 1280 2030 1365 2419221 254 11523應(yīng)用領(lǐng)域UHMW-PE管材可代替鍍鋅鋼管、鑄鐵管的理想管材。可用于以下一般性用途： (1)室內(nèi)外自來水供水管道、飲用水管道、船舶供水管理： (2)各種建筑排水立管、下水管；(3 )賓館、企業(yè)、公寓的供熱水管道(有待于實(shí)際檢驗(yàn))；

15、(4)燃?xì)?、天然氣，液化氣等各種可燃?xì)怏w管道或其它氣體管道： (5)空調(diào)冷媒(氟里昂、溴化鋰)管道：(6)中壓(2 M P a)以下的壓縮空氣管道； (7)化工、石化工業(yè)中特種液體(酸、堿j鹽)輸送管道： (8)食品工業(yè)中牛奶、飲料、果醬、酒類等輸送管道； (9)水處理系統(tǒng)管道；(1 0)高科技純水系統(tǒng)管道。除了上述輸送流體、氣體的應(yīng)用，UHMW-PE管材由于突出的耐磨、耐腐蝕、不結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)。在替代鋼管輸送各種固體顆粒、粉末(如表12所示)及漿體、固液混合物方面具有獨(dú)一無二的優(yōu)越性。4結(jié)語UHMWPE管材與其它塑料管材相比，性能價(jià)格比優(yōu)越。不僅可以輸送一般性和特殊性流體、氣 體，而且是顆粒、粉

16、狀物料及漿體、固液混合物輸送的最佳管材，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣闊，因此l 9 9 9 年國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)和科學(xué)技術(shù)部會(huì)同有關(guān)部門、省市編制的當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn) 領(lǐng)域指南中針對(duì)。工程塑料生產(chǎn)技術(shù)及裝備和通用塑料高性能化”的目標(biāo)指出：“近期產(chǎn)業(yè)化的 重點(diǎn)是 建設(shè)萬噸級(jí)專用材料生產(chǎn)基地及超高分子量聚乙烯管材等產(chǎn)品加工生產(chǎn)線”。北京化工大學(xué)塑 料機(jī)械及塑料工程研究所開發(fā)的工業(yè)化單螺桿連續(xù)擠出UHMW-PE管材技術(shù)已面向社會(huì)和市場(chǎng)，為UHMW PE管材生產(chǎn)技術(shù)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化打下了良好基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn) 何繼敏，薛平，何亞東 工程塑料應(yīng)用。1996，(5)：55 孫大文塑料加工與應(yīng)用1986，(5)：l

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18、程信息中心。中國(guó)塑料工程信息，1998。(6)·41 5薛為民塑料通訊，1998。(2)l 516日豐鋁塑復(fù)合管產(chǎn)品介紹ANALYS I SAND COMPAR I SONOF PERFORMANCES OFULTRA H l GHMOLECULAR WE I GHTPOLYETHYLENE P I PEHe J iminXue Ping He Yadong(Institute of Plastics ffachinery and Engineering。Beijing University of Chemical Technology)ABSTRACT The ariaIysi S and comparison of major performances is made between the U1tra High Melecular Weight Polyethylene(UHMW-PE)Pipe and other pipe such as crosSl inking pipe and aIuminum-pIastics temposite Pipe，t