新型聚烯烃复合耐磨管道
1、 前言
耐磨管道是管道行业中一个十分重要的细分市场，耐磨管道主要用于气力、泵送浆体等物料的输送管道。由于输送介质具有硬度高，流速快，流量大等特点，耐磨管能有效降低输送介质长期持续对管壁产生冲击、磨损、腐蚀等使管道产生疲劳致使渐渐被磨穿的速度。耐磨管道广泛应用于化工：如煤粉、硅粉、盐浆、碱浆等固液混合物输送管道；电力：如火电厂除灰、排渣、送粉、回粉、脱硫用工艺管道；冶金：如精矿浆、尾矿长距离管道输送，选矿厂矿物及溶剂工艺管道；水泥：如旋窑湿法生产线的生料浆输送、煤粉输送、提升机的下料、成品水泥气力输送装卸、混凝土输送管道；粮食：如小麦、谷粒、谷壳等的风送管道等等。
由于钢管的耐腐蚀性能和耐磨性能都较差，耐磨管道行业一直以来都在寻求新的化学管道以解决对耐磨性能的要求。国外主要采用钢管内衬橡胶或聚氨酯弹性体（TPU）的办法来生产耐磨管，其工艺流程较复杂，工艺要求较高，成本也较高，主要原因是交联橡胶或交联TPU与钢管表面的粘接强度必须依靠非常严格的材料选择和工艺要求来保证。这种钢衬橡胶/TPU的耐磨管道在国内的应用过程中，常因质量不稳定而发生胶层与钢管脱层进而造成管道堵塞的问题，这一问题严重阻碍了衬胶钢管在国内的推广应用。近年来国内研发了多种材质的耐磨管道，如：合金钢管、合金双金属复合管、内衬陶瓷复合管、铸石复合管等，而发展最为迅速的是超高分子量聚乙烯（UHMWPE）管道。
UHMWPE是由乙烯、丁二烯单体在催化剂的作用下，聚合而成的平均分子量大于150万的热塑性工程塑料。该材料综合性能优越，具有自润滑性、抗冲击性、耐低温、耐腐蚀，耐磨性能优于聚四氟乙烯、尼龙、碳钢等材料，能适应水质流体、固体颗粒、粉体、浆体等的输送。但是，由于UHMWPE的分子量极高，本身几乎不具备流动性能，加工极为困难，用于管道生产的UHMWPE原料实际上都是经过改性处理后的超高改性材料，而在改性过程中加入的各种不同种类和不同用量的添加剂，使市售的UHMWPE管不论是性能还是价格都相去甚远。
本文所介绍的是一种新型的聚烯烃复合耐磨管道，其特点是以聚烯烃热塑性弹性体（GXCG-1101）为内层与高密度聚乙烯（HDPE）共挤出成型的复合管道。这种管道既保持了HDPE管的易加工性和优良的物理机械性能，又具有很好的耐磨性能。这种管道的问世为耐磨管道行业提供了一种高性价比的新选择。
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2、新型热塑性弹性体(GXCG-1101)
热塑性弹性体,简称TPE(Thermal Plastic Elastomer) 是指兼具橡胶弹性和塑料可加工性的一大类材料。GXCG-1101是具有乙烯、丙烯、硅氧烷三元结构的一种新型TPE材料。表1是GXCG-1101的物性指标及典型值，执行标准为Q/58424913-221—2012。
表1 GXCG-1101物理性能
项 目 密度，g/cm3 熔体指数（190℃、2.16kg），g/10min 拉伸强度，MPa 断裂伸长率，% 低温冲击脆化温度,℃ 耐环境应力开裂，F0，h 时效数/试样数, 个 200℃氧化诱导期，min 砂浆磨损率, % 指 标 0.9±0.02 0.5±0.2 ≥20 ≥600 ≤-40 ≥500 0/10 ≥30 ≤0.5 0/10 ≥30 0.27 典型值 0.89 0.6 22 1000 ≤-40 GXCG-1101作为一种新型耐磨材料具有以下优点：
? 具有优异的抗磨耗性能，特别适用于砂浆、水泥、矿渣等输送管道。 ? 流动性好，适用于各种通用挤出机。
? 与聚乙烯、聚丙烯等管道料的相容性好，挤出速度匹配，适用于双层或多层共挤。 ? 具有优良的物理机械性能。
? 卫生安全，不含任何有毒有害添加剂，符合相关卫生标准。 3、 不同材料的磨耗对比试验 3．1 砂浆磨耗试验
砂浆磨耗试验是根据QB/T 2668–2004《超高分子量聚乙烯管材》附录B“砂浆磨损率试验方法”，将不同材料制成相同尺寸的样片，置于砂浆中高速旋转磨擦，历时数小时后取出，测量样片的失重比例，得出不同材料在砂浆中的磨耗率。在不同工矿条件下，不同厂家选择的试验条件略有不同，表2—表4是分别由不同厂家提供的在相同试验条件下测试数据。
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砂浆耐耗试验所用的粗砂 图1：试验装置（1—测试样片；2—砂浆；3—旋转轴）
表2 砂浆耐耗试验结果一
磨耗率 % 高密度聚乙烯HDPE 9.6 交联聚乙烯 超高分子量聚乙烯 PEX 5.2 UHMWPE（250万） 3.7 GXCG-1101 0.27 试验用砂 建筑用河砂 试验条件：砂水比52/48(体积比)；转速1400rpm；时间11h。
表3 砂浆耐耗试验结果二
磨耗率 % UHMWPE 7.0 聚氨酯TPU 1.8 GXCG-1101 1.5 试验用砂 矾钛尾矿粗砂（粒径1～5mm） 试验条件：砂水比52/48(体积比)；转速1400rpm；时间8h。
表4 砂浆耐耗试验结果三
磨耗率 % 钢 (Q235) 0.49 HDPE 0.99 UHMWPE 0.45 耐磨橡胶 0.33 GXCG-1101 0.11 试验用砂 细砂（建筑用河砂） 粗砂(喷砂用石英砂,3—5mm粒径，硬度高。棱角尖锐) % -- 3.48 1.56 0.94 0.74 试验条件：砂水比3/2(体积比)；转速680rpm；时间4h。
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图2：试验用的不同材料样片（从左到右分别为GXCG，橡胶，超高分子量聚乙烯，HDPE）
3．2 阿克隆磨耗试验
阿克隆磨耗试验是一种测试耐磨材料耐磨性能的常见测试方法，将由GXCG-1101制作的样片及橡胶样片一同送往专业的检测机构进行测试，在同样的测试条件下，橡胶的磨耗为0.90cm3, 而改性聚烯烃耐磨管专用料的磨耗只有0.11 cm3 ,可见改性聚烯烃耐磨管专用料的耐磨性能要远远高于橡胶。
图3：阿克隆磨耗试验检测报告
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3．3 砂浆冲击磨耗试验
砂浆冲击磨耗试验的原理是：用砂浆泵将30%固含量的河砂砂浆以一定速度及一定角度向试样表面喷射，测试经一定时间后试样的重量损失。表5是不同材料的砂浆冲击磨耗试验结果对照表。
图4：砂浆冲击磨耗试验装置 表5 砂浆冲击磨耗试验结果
实验1 实验2 实验3 实验4
冲击角度 (°) 86.2 86.5 56.2 26.1
冲击速度 (m/s) 21.64 23.70 21.64 20.95
冲击时间 (h) 1.98 3.95 3.95 3.95
实验结果磨损量(g)
UHMWPE-1 UHMWPE-2 GXCG-1101 0.1205 0.1364 0.1128 0.0570
0.0598 0.1391 0.0736 0.0639
0.0022 0.0022 0.0048 0.0044
HDPE 0.1481 0.2862 0.1650 0.1662
4、 成品管材的磨耗对比试验
4．1 摆动磨耗试验（Darmstadt Test）
摆动磨耗试验的原理是：将不同粒径的砂石按一定比例混配，装入1米长的试验管段中，加入一定量的水后将管端密封，夹持在摇摆机上，摇摆机按一定角度和速度往复摆动，使试验管段内的砂石来回磨损管壁。每经过10万次左右的磨损时更换一次砂石，称量管段的重量损失即为管子的磨损量。图5是摇摆机的工作原理图。图6是普通HDPE管与GXCG/HDPE复合耐磨管磨耗试验后的对比图。 图7是不同材质管道的磨耗结果。
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