饒 靜，郝宇杰，師 俊，施建峰，馬津津

（浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，浙江 杭州310027）

鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管用熱熔膠耐水性能試驗(yàn)研究

饒 靜，郝宇杰，師 俊，施建峰＊，馬津津

（浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，浙江 杭州310027）

采用吸水解吸試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)和剝離試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管用熱熔膠（EP252）的耐水性能。結(jié)果表明，不同溫度（50、55、60℃）下，EP252熱熔膠解吸曲線線性階段的斜率隨溫度的增加而增加；與25℃下未經(jīng)任何處理的干EP252熱熔膠試樣相比，60℃水浴浸泡14d處理后試樣的屈服應(yīng)力基本保持不變，而彈性模量則下降16.7%；對20、40、60℃水浴浸泡14d后的鋼絲熱熔膠黏結(jié)體系進(jìn)行剝離試驗(yàn)，試樣剝離后大部分鋼絲表面仍殘留一層薄薄的熱熔膠，以熱熔膠內(nèi)聚破壞為主，說明鋼絲熱熔膠黏結(jié)體系具有較好的黏結(jié)強(qiáng)度。

鋼塑復(fù)合管；熱熔膠；耐水性能；力學(xué)性能；黏結(jié)性能

0 前言

鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管（PSP）是我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)產(chǎn)品。它是以高密度聚乙烯為基體，以高強(qiáng)度鋼絲傾角錯(cuò)繞成型的網(wǎng)狀骨架為增強(qiáng)體，鋼絲與高密度聚乙烯之間采用熱熔膠黏結(jié)而成的鋼塑復(fù)合結(jié)構(gòu)。PSP獨(dú)特的鋼塑結(jié)構(gòu)不僅使其集鋼管的高強(qiáng)度與塑料管的耐腐蝕性2種優(yōu)點(diǎn)于一體，還克服了金屬板骨架增強(qiáng)塑料復(fù)合管易脫層等缺陷[1－2]。

從PSP結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，復(fù)合管所承受的內(nèi)、外壓載荷只有通過基體層傳遞到增強(qiáng)鋼絲網(wǎng)，才能充分發(fā)揮鋼絲網(wǎng)的增強(qiáng)作用和承載能力。研究表明，增強(qiáng)鋼絲網(wǎng)是PSP的主要承載結(jié)構(gòu)，承擔(dān)約60%～70%的載荷[3]，因此必須要求PSP在結(jié)構(gòu)上可以協(xié)同承載。而PSP中高密度聚乙烯與鋼絲本身并不親和，需要通過中間的熱熔膠層實(shí)現(xiàn)兩者的復(fù)合。熱熔膠層作為基體層和增強(qiáng)鋼絲網(wǎng)連接成一體的“雙面膠”，是一種以熱塑性聚乙烯為主體，并通過接枝強(qiáng)極性的馬來酸酐改性的黏結(jié)劑，它在復(fù)合管的承載過程中起著重要作用，熱熔膠的黏結(jié)性能對最終復(fù)合管的品質(zhì)有直接影響。同時(shí)，熱熔膠層作為第二道阻水層，主要起密封和保護(hù)鋼絲免受腐蝕的作用。如果水滲透PSP的基體層，就可能會(huì)影響熱熔膠與鋼絲間的黏結(jié)性能，甚至腐蝕鋼絲。因此，熱熔膠的阻水性能和鋼塑界面的黏結(jié)性能直接關(guān)系到PSP的整體承載能力，對PSP的強(qiáng)度和壽命均有重要影響。本文研究了EP252熱熔膠的阻水性能、在有水存在的條件下的力學(xué)性能和黏結(jié)性能的變化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

熱熔膠，EP252，主要參數(shù)如表1所示，廣州鹿山新材料股份有限公司；

增強(qiáng)鋼絲，主要參數(shù)如表2所示，張家港市光華通信電纜材料有限公司。

表1 EP252熱熔膠材料參數(shù)Tab.1 Properties parameters of EP252hot melt adhesive

表2 增強(qiáng)鋼絲參數(shù)Tab.2 Properties of steel wires

1.2 主要設(shè)備及儀器

液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)，MTS793，MTS工業(yè)系統(tǒng)有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)烘箱，DHG－9070A，上海申賢恒溫設(shè)備廠；

超級恒溫槽，SC－15，寧波新藝超聲設(shè)備有限公司。

1.3 樣品制備

1＃試樣：EP252熱熔膠圓形薄板，通過模塑成型，用于熱熔膠阻水性能試驗(yàn)研究，試樣初始質(zhì)量和尺寸參數(shù)如表3所示；2＃試樣：EP252熱熔膠矩形拉伸試樣，通過模塑成型（230℃），用于研究水對熱熔膠力學(xué)性能的影響，矩形拉伸試樣結(jié)構(gòu)尺寸如圖1和表4所示；3＃試樣：剝離試樣，取自PSP，用于研究水對熱熔膠黏結(jié)性能的影響；選用規(guī)格為DN250，鋼絲直徑為0.8mm的PSP，切取長200mm、寬20mm的條形試樣，并將其一端在內(nèi)塑料層與熱熔膠層之間預(yù)先剝離一段長度。

表3 EP252熱熔膠平薄板試樣參數(shù)Tab.3 Parameters of flat thin plate of EP252hot melt adhesive

圖1 拉伸試樣的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of tensile specimen

表4 EP252熱熔膠拉伸試樣尺寸Tab.4 Size of tensile specimen of EP252hot melt adhesive

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸試驗(yàn)按照GB/T 8804.3—2003進(jìn)行，常溫，拉伸速率50mm/min，伸長率達(dá)到300%停止拉伸；

剝離試驗(yàn)按照GB/T 2790—1995進(jìn)行，常溫，加載速率100mm/min，直到有效剝離距離達(dá)125mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱熔膠的阻水性能

水在熱熔膠中的滲透過程可以分為吸附、溶解、擴(kuò)散和解吸4個(gè)階段，發(fā)生的快慢主要由2個(gè)因素決定：一是水在熱熔膠表面滲透溶解的快慢，由溶解度表示；二是水在熱熔膠基體內(nèi)擴(kuò)散的快慢，由擴(kuò)散系數(shù)表示。EP252中水的擴(kuò)散系數(shù)可以通過浸泡稱重的試驗(yàn)方法求得。在進(jìn)行吸水解吸試驗(yàn)的過程中，根據(jù)EP252吸水性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1034—2008規(guī)定的時(shí)間間隔測得試樣的質(zhì)量時(shí)間數(shù)據(jù)，獲得試樣在不同時(shí)刻的吸水率[5]，如圖2所示。

通過求出解吸曲線線性部分的斜率，計(jì)算水在EP252熱熔膠中的擴(kuò)散系數(shù)（D）[6]：

式中 2h——平薄板試樣的厚度，mm

θ——c（t）～t0.5解吸曲線線性部分的斜率

由圖2得到EP252熱熔膠解吸曲線線性部分的斜率θ，然后將其代入式（1）可分別求出不同溫度下熱熔膠平薄板試樣中水的擴(kuò)散系數(shù)，如圖3所示。

圖2 EP252熱熔膠吸水解吸曲線Fig.2 Sorption－desorption curve of HMA EP252

圖3 溫度對EP252熱熔膠擴(kuò)散系數(shù)的影響Fig.3 Effect of temperature on diffusion coefficient of HMA EP252

2.2 水對熱熔膠力學(xué)性能的影響

將經(jīng)過狀態(tài)調(diào)節(jié)的EP252熱熔膠放置于60℃的恒溫水槽中浸泡14d后，在加載速率為50mm/min下，常溫進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。與25℃下干熱熔膠試樣相比，60℃吸水處理的EP252試樣屈服應(yīng)力基本保持不變，而彈性模量則下降16.7%。EP252熱熔膠拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。分析認(rèn)為，由于水分子的滲入，干擾了初始相對平衡的熱熔膠分子結(jié)構(gòu)，所以物質(zhì)的構(gòu)象必須發(fā)生重新的調(diào)整，以便達(dá)到新的平衡。與此同時(shí)，水的滲入會(huì)使得自由體積增加[7]。因此，在濕熱老化的影響下，聚合物抵抗變形的能力會(huì)有所下降。

表5 EP252熱熔膠拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Tensile test results of EP252hot melt adhesive

2.3 水對熱熔膠黏結(jié)性能的影響

在剝離試驗(yàn)中，剝離強(qiáng)度（P）定義為[8]：

式中 Fm——平均剝離力，N

W——試樣寬度，mm

Fm通過將剝離曲線上第一個(gè)峰值去掉，利用畫等高線的方法得到。典型的剝離力曲線如圖4所示。根據(jù)上述方法得到的剝離強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，試樣剝離破壞后的外觀形貌如圖5所示。結(jié)合表6，通過觀察剝離破壞試樣發(fā)現(xiàn)：（1）與未經(jīng)處理的試樣相比，20℃浸水14d后試樣的平均強(qiáng)度下降19.4%，40℃浸水14d后試樣的平均剝離強(qiáng)度下降24.1%，而60℃浸水14d后試樣的平均剝離強(qiáng)度下降26.8%；（2）20、40、60℃浸水試樣剝離破壞后，熱熔膠都并未完全脫落，大部分鋼絲表面仍殘存有薄薄一層熱熔膠，屬于熱熔膠內(nèi)聚破壞。鋼絲熱熔膠黏結(jié)體系的“薄弱”環(huán)節(jié)在熱熔膠層中；（3）20℃未經(jīng)任何處理時(shí)，剝離破壞是內(nèi)高密度聚乙烯層拉斷；20℃水浴浸泡14d后進(jìn)行剝離試驗(yàn)時(shí)，剝離破壞是既有內(nèi)高密度聚乙烯層拉斷也有膠層拉開；40℃水浴浸泡14d，剝離破壞是既有內(nèi)高密度聚乙烯層拉斷也有膠層拉開；而60℃水浴浸泡14d，剝離破壞是膠層拉開。

圖4 典型的剝離力曲線Fig.4 Typical peel－force curve

表6 剝離強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of peeling test

3 結(jié)論

（1）在50、55、60℃下，EP252熱熔膠解吸階段的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的增加而增加；

圖5 剝離破壞后的試樣外觀Fig.5 Appearance of peeling specimens damage

（2）與25℃下干熱熔膠試樣相比，60℃吸水處理的EP252熱熔膠的屈服應(yīng)力基本保持不變，彈性模量下降較為明顯；與未經(jīng)處理的試樣相比，20、40、60℃水浴浸泡14d后試樣的剝離強(qiáng)度分別下降19.4%、24.1%和26.8%，說明水對EP252熱熔膠的部分力學(xué)性能和黏結(jié)性能均有較大影響；

（3）吸水前后的剝離試樣破壞均以EP252熱熔膠內(nèi)聚破壞為主，鋼絲表面殘留一層薄薄的熱熔膠，熱熔膠與鋼絲之間的黏結(jié)強(qiáng)度很高，其“薄弱”環(huán)節(jié)并不在鋼塑界面上，而在熱熔膠層中。

[1] Jinyang Zheng，Yubin Lu，Xiang Li.Experimental Investigation on Mechanical Properties of Plastic Pipes Reinforced by Cross Helically Steel Wires[J].Journal of Pressure Vessel Technology－transactions of the ASME，2008，130：021401.

[2] Jinyang Zheng，Xiang Li，Ping Xu，et al.Analyses on the Short－term Mechanical Properties of Plastic Pipe Reinforced by Cross Helically Wound Steel Wires[J].Journal of Pressure Vessel Technology－Transactions of the ASME，2009，131（3）：031407.

[3] 李 翔.鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管粘彈性力學(xué)行為研究[D].杭州：浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，2008.

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[8] 中國標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì).GB/T 2790—1995膠粘劑180°剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法撓性材料對剛性材料膠粘劑[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

Test Research on Water Resistant Performance of Hot Melt Adhesive in Plastic Pipe Reinforced by Cross－winding Steel Wires

RAO Jing，HAO Yujie，SHI Jun，SHI Jianfeng＊，MA Jinjin
（Institute of Process Equipment，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Combined with sorption－desorption test，tensile test and peeling test，the properties of water resistance of EP252hot melt adhesive（HMA）were investigated.Experimental results indicated that the slope of linear section of desorption curve increased with increasing of temperature（50，55，60℃）.Compared with HMA at 25℃，the yield stress of treated HMA at 60 ℃ kept unchangeable and Young′s modulus of treated HMA at 60℃significantly decreased by 16.7%.Cohesive failure of HMA was the main failure mode in the peeling test of steel－HMA bonding system after water absorption under different temperature，because there still remained a very thin HMA layer on the surface of steel wires after peeling test，which demonstrated steel－HMA bonding system had very high cohesive strength.

steel－plastic composite pipe；hot melt adhesive；water resistant property；mechanical property；bonding property

TQ325.1＋2

B

1001－9278（2011）08－0062－04

2011－04－24

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）重點(diǎn)項(xiàng)目（2009AA044801）

＊聯(lián)系人，shijianfeng＠zju.edu.cn