1 概述
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）發(fā)展始于二十世紀六十年代，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�、礦山、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有了新的突破。工藝技術日趨成熟，但是，隨著UHMWPE應用領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。
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性能，從而制備出機構(gòu)性能優(yōu)良的UHMWPE材料。
在此基礎上研制開發(fā)了超高分子量聚乙烯復合管材，該塑鋼復合管充分發(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)品的應用領域，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。
復合管材通過特制復合設備，采用過盈配合進行復合過程。
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管材擠出工藝技術的關鍵部分之一，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 復合
選擇合格產(chǎn)品采用特制設備進行復合，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)標準及客戶要求對制作好的復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
特殊設計擠出設備、成型模具，解決三大技術難題，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備，依據(jù)超高擠出特性設計特殊成型模具，設計特殊擠出工藝，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合管材研制
超高分子量聚乙烯復合管材是在超高分子量聚乙烯管材的各工藝基礎上開發(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合管材的開發(fā)研制過程中，應注意以下方面技術問題：
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合，并且控制兩者間隙盡可能的小。應用了“工藝參數(shù)動態(tài)顯示”技術，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 使用特制設備，完成機械化復合操作。
復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實驗，成功研制出了復合設備，并且制作了一些配套的附屬設施，完善了復合工藝，達到了工藝獨創(chuàng)，技術領先。
3.2.3 開發(fā)復合管道新型翻邊連接工藝
復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合管材的連接工藝，通過對翻邊設備進行技術改造，采用復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，要緊密關注溫度這一關鍵因素。首先了解復合管材使用區(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合，然后通過輔助控溫設備來調(diào)節(jié)復合管溫度至最佳加工溫度，并在此溫度下翻邊。顯然，成品復合管在離開控溫設備后，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力開裂性能，使的它相對鋼管運動所產(chǎn)生的應力遠小于其開裂應力，這就保證了復合管在運輸、安裝、使用過程中的穩(wěn)定。
3.3 復合管與相應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、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。