杜 悅

（北京燕山石化高科技術有限責任公司，北京 102500）

超高相對分子質量聚乙烯（UHMWPE）是指黏均分子量大于1.5×106的線型聚乙烯，是一種綜合性能優(yōu)異的熱塑性塑料，具有優(yōu)異的耐磨性、自潤滑性、耐化學藥品腐蝕性、抗結垢及抗結蠟性能。油田抽油和注水等過程中使用的鋼制管道［1］普遍存在磨損、腐蝕和結蠟問題，影響油管的使用壽命。為此，將UHMWPE管材襯入常規(guī)鋼制油管內部，形成抗磨、耐化學藥品腐蝕性能優(yōu)越的非金屬襯層，利用襯層隔絕流體介質及抽油桿與油管內壁的直接接觸，阻止鋼制油管內壁腐蝕，防止金屬管桿間相互摩擦，對鋼制油管及抽油桿起到保護作用，切實有效地減少井筒故障頻次，延長了油井檢泵周期，確保了油井正常生產［2-3］。本工作選取不同牌號和用量的高密度聚乙烯（HDPE）及潤滑劑，對UHMWPE進行共混改性，研究了HDPE和潤滑劑對UHMWPE加工性能和力學性能的影響，通過配方篩選和優(yōu)化，制備了一種既滿足使用需求又具有良好加工性能的抽油管內襯管用改性UHMWPE管材。

1 實驗部分

1.1 主要原料

UHMWPE YSU；HDPE YS-1，YS-2，YS-3，YS-4：中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司。潤滑劑聚乙烯蠟，市售。抗氧劑JY B-225，北京極易化工有限公司。

1.2 主要儀器與設備

SJ 75型單螺桿管材擠出機，張家港格蘭機械有限公司；MP600型熔體流動速率儀，美國Tinus Olsen公司；5567型電子萬能試驗機，美國Instron公司；XJJD-50型簡支梁沖擊試驗機，承德市金建檢測儀器有限公司；NO.148-HAD型全自動熱變形維卡溫度檢測儀，日本安田精機制作所；Nova Nano SEM 450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，美國FEI公司。

1.3 試樣制備

按表1配方準確稱量各組分，將全部組分在高速混合機中由常溫混合至80 ℃（耗時約10 min），使?jié)櫥瑒┠芫鶆虬灿跇渲哿媳砻妗⒒旌虾玫奈锪辖抵?0 ℃以下加入單螺桿管材擠出機，擠出機類型為牽引擠出法，擠出機各段溫度為223，230，245，255，246，230，125，68 ℃，喂料轉速3 r/min，擠出轉速11 r/min，真空度0.08 MPa，牽引速度根據(jù)不同配方進行調整，得到的改性UHMWPE管材分別記作試樣1～試樣8。

表1 實驗配方Tab.1 Experimental formula phr

1.4 性能測試

U H M W P E 管材的使用要求指標參照Q/SH1020 1889—2011，其中，UHMWPE管材的拉伸性能按GB/T 8804.3—2003測試，拉伸速度50 mm/min；簡支梁缺口沖擊強度按GB/T 1043.1—2008測試；維卡軟化溫度按GB/T 1633—2000測試，測試條件為A50，即10 N的力和50 ℃/h的加熱速率。掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，將試樣黏在導電膠上，進行噴Au/Pt處理，觀察沖擊斷面。

翻邊實驗：翻邊實驗的目的是考察管材的柔韌性是否滿足抽油管生產安裝需要。將UHMWPE管材襯入鋼制抽油管內，襯管與加熱爐中心對正，加熱均勻后放入翻邊機用固定鉗夾住，將襯管管壁向外翻，用手輕柔形成喇叭狀，將翻邊模具塞入襯管，放正模具，開啟氣缸將翻邊模具頂入襯管內，等待10～30 s，并用壓縮空氣冷卻翻邊區(qū)域。

2 結果與討論

2.1 UHMWPE用量對管材力學性能的影響

從表2可以看出：隨著UHMWPE用量的增加，管材的拉伸屈服應力、斷裂拉伸應變提高，沖擊強度變化不大。試樣3的結果較接近目標值，說明在設計配方時，UHMWPE用量在70.0 phr左右，才能基本保證管材的基礎力學性能，而更高的UHMWPE用量會降低管材的擠出速度，影響生產效率，還會提高原料成本。從表2還可以看出：隨著UHMWPE用量的升高，維卡軟化溫度逐步提高，但沒有達到130 ℃。根據(jù)實驗現(xiàn)象可以推斷，如果不斷提高UHMWPE用量，維卡軟化溫度還會有所提高，但考慮生產成本以及管材加工性能，UHMWPE用量最好不超過70.0 phr。維卡軟化溫度的進一步提高還可以通過調整其他組分來實現(xiàn)。

表2 管材性能測試結果Tab.2 Test results of pipe

2.2 HDPE牌號對改性UHMWPE性能的影響

根據(jù)HDPE熔體質量流動速率（MFR）的差異性，選取了4個牌號HDPE制備試樣3～試樣6，用于改善UHMWPE加工性能、力學性能及熱性能，使UHMWPE能夠便于擠出，并保證管材的性能達到使用要求。從表3可以看出：HDPE的維卡軟化溫度在124～130 ℃，UHMWPE的維卡軟化溫度為135℃，因此，管材的熱性能指標主要是靠UHMWPE部分提升的，隨著UHMWPE用量的增加，維卡軟化溫度逐漸提高。在UHMWPE與HDPE比例一定的條件下，選擇維卡軟化溫度較高的HDPE有利于進一步提升材料的維卡軟化溫度。

表3 樹脂的性能Tab.3 Properties of resin

從表4可以看出：4個試樣的力學性能基本都能夠滿足或接近管材的使用要求。試樣4的流動性比其他3個試樣有較大程度的提高，是由于使用的HDPE YS-2具有較高的MFR造成的。熱性能主要是由材料自身性能決定的，只有采用YS-4改性的試樣6的熱性能滿足管材使用要求。

表4 UHMWPE管材的性能測試結果Tab.4 Performance test results of UHMWPE pipe

從圖1看出：試樣3和試樣5的斷面均具有一定方向性的褶皺帶，褶皺帶數(shù)量通常表征材料在形變過程中吸收能量的多少［4］，褶皺帶越多，材料斷裂吸收的能量越高，韌性越好；試樣4的斷面有較多不規(guī)則魚鱗狀斷裂結構，在宏觀力學性能上表現(xiàn)為沖擊強度相對較低；試樣6的斷面形成了云朵狀被拉斷的細微纖維拉絲，在UHMWPE聚集態(tài)結構中，無定型區(qū)和中間相的模量較低，在受到沖擊時無定型區(qū)和中間相的片晶被拉出或斷裂，在試樣表面形成拉絲狀結構，這些拉絲在材料受到沖擊時起到一定的聯(lián)結作用，能夠一定程度上抑制破壞的作用，提高材料力學性能［5］，因此，試樣6的斷面雖然不具有褶皺帶，但力學性能仍然較好。

圖1 試樣3～試樣6沖擊樣條斷面的SEM照片（×5 000）Fig.1 SEM photos of impact spline section of sample 3，4，5，6

HDPE的MFR對UHMWPE管材擠出速度影響較顯著。由于YS-2的MFR較大，使試樣4的擠出速度較快，但在口模處可以看到物料擠出后仍呈現(xiàn)白色。這一現(xiàn)象說明，管材中有一部分UHMWPE在螺桿中尚未完全熔融就已經擠出。這是由于MFR較大的HDPE與UHMWPE共混時，兩者在熔融狀態(tài)下容易出現(xiàn)黏度失配現(xiàn)象，HDPE不能均勻地分散在UHMWPE中，流動性較好的HDPE成為潤滑劑，夾帶著熔融不充分的UHMWPE很快從螺桿擠出。試樣5和試樣6由于擠出速度較合適，原料在螺桿中有充分的時間熔融，口模處物料呈現(xiàn)透明狀。

綜上所述，采用YS-4制備的試樣6的力學性能、熱性能都能夠達到使用標準，是較理想的共混體系。這是材料自身性能以及組分間的相容性共同決定的，因此繼續(xù)采用YS-4開展實驗。

2.3 潤滑劑對管材性能的影響

潤滑劑主要對UHMWPE和HDPE的混合均勻性和擠出速度有影響。從表5可以看出：3個試樣的性能均滿足使用要求。試樣的力學性能隨著潤滑劑用量的提高逐漸降低，而擠出速度提高。熔融的潤滑劑滲透進入UHMWPE分子鏈內部，有助于分子鏈的打開并促進與HDPE的互相擴散，提高了加工速度。另一方面，由于潤滑劑的熔點較低，用量過多又會成為小分子雜質，影響材料的力學性能，因此潤滑劑用量不宜過高。

表5 UHMWPE管材性能測試結果Tab.5 Performance test results of UHMWPE pipe

試樣7表面光潔度較高，試樣8表面光潔度較差，出現(xiàn)不光滑粗糙感。可能是由于潤滑劑用量偏高，在高溫條件下分解，造成表面質感下降。另外，由于潤滑劑相對于聚乙烯的流動性很高且熔點較低，在混合物料中流速過快，添加量較高會造成UHMWPE與HDPE之間發(fā)生滑移，造成相分離，在管材表面留下熔體流動的痕跡。從試樣6～試樣8的實驗結果看出，添加潤滑劑起到了提高加工效率的效果，潤滑劑用量不超過4.0 phr較為合適，試樣6和試樣7既滿足了材料的使用要求，又提高了管材擠出速度，管材擠出速度最高可達0.26 m/min。

2.4 管材翻邊實驗

為了滿足管材襯入鋼管安裝的實驗要求，對管材的穿襯翻邊效果進行考察。管材翻邊實驗的成功與否與UHMWPE和HDPE的相容性、混合均勻性有關。試樣4的翻邊實驗不成功（見圖2），其他試樣都成功進行了翻邊實驗。說明這些試樣的韌性良好，制品內部無缺陷。由于試樣4使用的YS-2流動性與UHMWPE相差過大，兩者產生了相分離，降低了分子鏈相互擴散均勻性，最終導致兩種組分的物料融合不夠充分，從而影響了材料的力學性能。HDPE牌號的選擇應當遵循流動性適中原則，既不能太快，需要保證UHMWPE在螺桿中有足夠的停留時間待其熔融，使UHMWPE分子鏈與HDPE分子鏈相互纏結；也不能太慢，要保證管材廠家有較高的生產效率。

圖2 試樣4的翻邊實驗Fig.2 Flanging test of sample 4

綜上所述，采用30.0 phr YS-4為原料制備的試樣6和試樣7都是達到使用要求的UHMWPE管材，優(yōu)選試樣7，其生產效率較試樣6高。

3 結論

a）采 用4 種 不 同 牌 號 的H D P E 用 于 改 善UHMWPE的力學性能和加工性能，過高的MFR不利于材料的相容性，導致力學性能下降。優(yōu)選HDPE YS-4，用量30.0 phr。

b）潤滑劑用量增加會降低UHMWPE的力學性能，適宜的潤滑劑用量為4.0 phr，管材擠出速度能夠達到0.26 m/min。

c）通過配方篩選，試樣7的配方是較優(yōu)選的配方，在保證管材力學性能和熱學性能達到使用要求的前提下，兼顧了UHMWPE管材的生產效率和原料成本。