楊柯瑤

摘 要：為了改善市政給排水波紋管的力學(xué)性能，采用粉煤灰用作高密度有機(jī)材料聚乙烯（HDPE）中的增強(qiáng)填料，以開發(fā)復(fù)合排水管道材料。將粉煤灰用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理，HDPE-g-馬來酸酐用作相容劑。通過擠壓混合和注射成型制備復(fù)合排水管道樣品。分析了復(fù)合材料的橫截面形態(tài)、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，當(dāng)10%的改性粉煤灰和5%的相容劑添加到聚乙烯中時(shí)，復(fù)合材料的拉伸屈服強(qiáng)度和拉伸斷裂強(qiáng)度分別比純聚乙烯高出近30.2%和40.4%，楊氏模量可以達(dá)到1 451.07 MPa。利用有限元分析對(duì)波紋管的環(huán)剛度進(jìn)行了分析，變形主要發(fā)生在波紋管上方，并集中在它與上部鋼板接觸的位置。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；市政；管道；粉煤灰；聚乙烯

中圖分類號(hào)：TQ317

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2023）07-0106-05

Application research of modified reinforced composite material （HDPE） in municipal drainage pipeline

YANG Keyao

（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xian 710043，China

）

Abstract：In order to improve the mechanical properties of municipal water supply and drainage corrugated pipes，fly ash was used as the reinforcing filler in high-density organic material polyethylene （HDPE） to develop composite drainage pipe materials.The surface of fly ash was treated with silane coupling agent，and HDPE-g-maleic anhydride was used as compatibilizer.Composite drainage pipe samples were prepared by extrusion mixing and injection molding.The cross section morphology，thermal stability and mechanical properties of the composite were studied.It was found that when 10% modified fly ash and 5% compatibilizer were added to polyethylene，the tensile yield strength and tensile breaking strength of the composite were nearly 30.2% and 40.4% higher than that of pure polyethylene，respectively，and the Young's modulus could reach 1 451.07 MPa.In addition，the ring stiffness of the bellows was analyzed by finite element analysis.The deformation mainly occured above the bellows and concentrates on the position where it contacts the upper steel plate.

Key words：composite materials;municipal;the conduit;fly ash;polyethylene

長(zhǎng)期以來，市政給排水管道一直存在排水和排污管道性能不足、管道質(zhì)量參差不齊等問題［1］。因此提高給排水管道的力學(xué)性能迫在眉睫。如今，埋地大直徑雙壁波紋管也逐漸從水泥或鋼材升級(jí)為高分子材料［2］。高密度聚乙烯（HDPE）因其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能而成為大多數(shù)波紋管制造商的首選材料。高密度聚乙烯（HDPE）的引入進(jìn)一步拓寬了波紋管材料的市場(chǎng)。目前有在聚烯烴中摻入填料以增強(qiáng)材料的強(qiáng)度或韌性［3］。然而，這些填料通常來自采礦，很容易破壞地質(zhì)和污染環(huán)境。因此，目前有使用固體廢物作為增強(qiáng)填料。例如，已有學(xué)者使用有機(jī)材料改性粉煤灰，粉煤灰作為增強(qiáng)材料［4］，可以使HDPE具有出色的強(qiáng)度和剛度。且粉煤灰是一種富含鋁硅酸鹽的廢物，質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，從燃煤發(fā)電廠獲得。由于聚合物通常是疏水性的，而粉煤灰是親水的，因此對(duì)填料、基質(zhì)或二者進(jìn)行改性是有幫助的［5］。使用硅烷偶聯(lián)劑處理粉煤灰表面，制備了FA/HDPE復(fù)合材料。結(jié)果表明，添加粉煤可以極大提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，但斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)降低［6］。研究了超細(xì)粉煤灰（UFA）摻入對(duì)HDPE復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，未經(jīng)表面處理的UFA顆?？梢跃鶆蚍稚⒃诰垡蚁┲校琔FA對(duì)剛性顆粒具有明顯的增韌作用。然而，UFA的加入大大降低了復(fù)合材料體系的斷裂伸長(zhǎng)率［7］。綜上所述，在HDPE中摻入不同的填料可以提高HDPE的強(qiáng)度或韌性。然而，在聚乙烯材料中很難同時(shí)保持高強(qiáng)度和韌性。因此，開發(fā)一種簡(jiǎn)單、有效、低成本的HDPE復(fù)合材料制備方法具有重要意義。

基于此，研究以粉煤灰為填料，探討粉煤灰對(duì)有機(jī)材料高密度聚乙烯（HDPE）的強(qiáng)度和剛度的影響。且將粉煤灰與硅烷偶聯(lián)劑混合以獲得經(jīng)過改性的粉煤灰。將一定量的粉煤灰與低密度聚乙烯（LDPE）熔融共混制備增強(qiáng)母粒。然后將混合物與HDPE-g-馬來酸酐（HDPE-g-MAH）熔融共混作為相容劑。進(jìn)一步研究粉煤灰和增容劑含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能、力學(xué)性能、微觀形貌和熱穩(wěn)定性。此外，采用有限元分析法分析了復(fù)合材料制備的波紋管的環(huán)剛度。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

無水乙醇和冰醋酸是從阿拉丁生化科技有限公司購(gòu)得。3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTS）由南京創(chuàng)石化工添加劑公司提供。聚乙烯（HDPE）購(gòu)自陶氏化學(xué)公司，熔體流動(dòng)指數(shù)為12.4 g（10 min）。粉煤灰（FA）購(gòu)自山西湖津煤電新材料公司，并采用X射線熒光分析粉煤灰化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。

1.2 硅烷偶聯(lián)劑改性粉煤灰

為了提高粉煤灰（FA）和聚乙烯（HDPE）的相容性，對(duì)FA的表面進(jìn)行改性。硅烷改性FA是指將APTS嫁接到FA上［8］。首先，將無水乙醇和去離子水充分混合，產(chǎn)生混合溶劑。然后加入硅烷偶聯(lián)劑（ATPS），并加入冰醋酸將pH值調(diào)至5。在室溫下通過用磁力攪拌器攪拌30分鐘獲得水解ATPS。水解硅烷偶聯(lián)劑中組分的質(zhì)量比為硅烷偶聯(lián)劑∶去離子水∶無水乙醇=1∶1∶9。將水解的ATPS噴灑在FA顆粒表面，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為FA顆粒的3%。使用高速混合器將材料高速混合約10 min，然后排出材料。將物料置于干燥箱中，在100 ～120 ℃干燥2 h，得到硅烷偶聯(lián)劑改性的粉煤灰。

1.3 粉煤灰母料制備

為了使FA在HDPE中更均勻地分布，并防止其造成二次污染，F(xiàn)A被制備為填充母料。將一定量的線性低密度聚乙烯（LDPE）和適量的聚乙烯蠟添加到高速混合器中，然后在80 ℃的溫度下高速混合15 min［9］。并將相同量的改性FA添加到高速混合器中。首先在低速下運(yùn)行高速混合器10 min，然后在高速下運(yùn)行10 min，可以獲得FA母料的粗混合物。將粗混合物加入擠出機(jī)進(jìn)行熔融擠出和造粒，以獲得粉煤灰母料。

1.4 復(fù)合材料的制備

在210～215 ℃下以不同比例混合HDPE、FA母料和HDPE-g-MAH增容劑獲得顆粒復(fù)合材料。然后按照GB/T 1040.2—2006［10］規(guī)范，將試樣注射成型。相容劑的質(zhì)量以FA的質(zhì)量百分比表示。并對(duì)試件的抗張及耐熱性進(jìn)行了測(cè)定。

1.5 復(fù)合材料特性

本研究采用不同的技術(shù)測(cè)試硅烷處理FA和HDPE復(fù)合材料的特性。第1種測(cè)試方法是掃描電子顯微鏡。為了觀察形態(tài)，樣品在液氮中低溫?cái)嗔?。然后用噴金覆蓋樣品并在10 kV的工作電壓下進(jìn)行掃描。第2種技術(shù)是熱重分析，在40～800 ℃的溫度內(nèi)工作，在氮?dú)鈿夥罩辛魉贋?00 mL/min，加熱速率為10 ℃/min。第3種技術(shù)是傅里葉變換紅外光譜（FT–IR）。使用Bruker Tensor 27 FTIR光譜儀進(jìn)行FT-IR光譜分析。所有數(shù)據(jù)均在室溫下記錄，光譜范圍為450～4 000 cm-1。使用FT-IR光譜比較未處理和處理的粉煤灰。并使用拉伸試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)UTM-4304X）來測(cè)量拉伸性能。拉伸試驗(yàn)按照GB/T 1040.2—2006的規(guī)定進(jìn)行。復(fù)合材料試樣被安裝起來，并以5 mm/min的速度施加應(yīng)變，直到發(fā)生破壞。復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)是在室溫下進(jìn)行的。每批測(cè)試了5個(gè)試樣，并計(jì)算平均強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 FT-IR光譜分析

圖1為未處理和處理FA的FT-IR光譜。

由圖1可知，在480 cm-1處觀察到O—Si—O彎曲振動(dòng)。改性后FA在480 cm-1處的峰值強(qiáng)度增強(qiáng)，這可能是由于FA表面上O—Si—O鍵含量的增加或硅烷改性FA中O—Si—OO鍵的穩(wěn)定存在。1097 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)于Si—O單鍵的拉伸振動(dòng)，這在處理過的FA的光譜中也有所增強(qiáng)。這表明許多Si—O鍵被添加到改性FA的表面。這一現(xiàn)象與唐忠偉等人報(bào)道的結(jié)果一致［11］。此外，3 439 cm-1處的峰值是N-H單鍵的拉伸振動(dòng)區(qū)域。3 439 cm-1處吸收峰強(qiáng)度的變化表明硅烷偶聯(lián)劑中的氨基丙基成功附著到FA表面。

2.2 SEM分析

圖2（a）為未改性粉煤灰的形態(tài)表面，圖2（b）為3-氨基丙基三乙氧基硅烷處理粉煤灰SEM圖像。

從圖2（a）可以看出，未處理的粉煤灰顆粒呈球形或不規(guī)則形狀，SEM圖像表面均光滑。將圖2（b）與圖2（a）進(jìn)行比較可以看出，改性粉煤灰的表面被膜覆蓋，表面凹凸不平，這表明粉煤灰的表面被硅烷成功改性［12-14］。通過水解、氫鍵形成、硅烷偶聯(lián)劑分子之間的縮合等一系列反應(yīng)將3-氨基丙基三乙氧基硅烷涂覆在粉煤灰上。

2.3 粉煤灰對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

粉煤灰含量對(duì)其力學(xué)性質(zhì)具有顯著作用。在研究中，通過向聚乙烯（HDPE）中添加不同量的粉煤灰母料，制備了FA/HDPE復(fù)合材料。并進(jìn)一步研究了FA對(duì)FA/HDPE復(fù)合材料拉伸性能的影響；結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著粉煤灰含量的增大， FA/HDPE復(fù)合材料的抗拉屈服強(qiáng)度和抗拉斷裂強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰母料的摻量為10%時(shí)，屈服拉伸強(qiáng)度和斷裂拉伸強(qiáng)度分別達(dá)到27.55、21.62 MPa，分別比純HDPE高24.5%和30.7%。這表明添加少量粉煤灰可以提高HDPE材料的拉伸強(qiáng)度。但當(dāng)粉煤灰母料含量是15%，拉伸屈服強(qiáng)度和拉伸斷裂強(qiáng)度開始降低。這可能是由于隨著粉煤灰含量的增加，粉煤灰顆粒在HDPE中聚集［15］，使得HDPE無法很好地填充粉煤灰。當(dāng)復(fù)合材料受到拉力或彎曲載荷時(shí)，這將導(dǎo)致FA和HDPE之間的界面斷開。且會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展和應(yīng)力集中將發(fā)生，并且復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度將降低。當(dāng)粉煤灰母料摻量為20%時(shí)，拉伸強(qiáng)度得到提高。

楊氏彈性模量隨粉煤灰母料含量的增大而增大，其變形規(guī)律與抗張強(qiáng)度基本一致，但斷裂伸長(zhǎng)率顯著降低。加入10%的粉煤灰母料后，復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率從500%顯著降低至325.55%，降低約34.9%。這是因?yàn)閯傂苑勖夯也荒芘cHDPE一起拉伸，因此復(fù)合材料的拉伸伸長(zhǎng)率顯著降低。這種現(xiàn)象通常發(fā)生在大多數(shù)復(fù)合材料中［16］，在拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率之間始終存在權(quán)衡。隨著粉煤灰母料的進(jìn)一步加入，復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率得到了緩解，這可能是由于粉煤灰母料中LDPE的增韌作用所致。

2.4 復(fù)合材料SEM圖像

圖4為復(fù)合材料橫截面的SEM圖像，復(fù)合材料的脆性斷裂表面均呈現(xiàn)韌性斷裂現(xiàn)象。

從圖4（a）中可以看出，粉煤灰沒有表現(xiàn)出大面積的團(tuán)聚現(xiàn)象［17］，聚乙烯（HDPE）有機(jī)材料將粉煤灰顆粒包裹在其中，因此會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能良好。圖4（b）是10%FA/HDPE復(fù)合材料橫截面的SEM圖像，與圖4（a）相比，可以看出粉煤灰在HDPE有機(jī)材料中分布更均勻，但少量粉煤灰出現(xiàn)團(tuán)聚和暴露。在高密度聚乙烯中封裝了更剛性的粉煤灰，從而提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度。圖4（c）為含有10%FA、5%增容劑和HDPE的復(fù)合材料橫截面的SEM圖像，與圖4（b）相比，粉煤灰的分布更均勻，并由HDPE涂覆，且粉煤灰沒有團(tuán)聚，因此復(fù)合材料的力學(xué)性能更好。這是因?yàn)榧尤朐鋈輨┖?，增容劑中的酸酐基團(tuán)與改性粉煤灰中的氨基反應(yīng)形成化學(xué)鍵［18-19］，從而改善了粉煤灰和HDPE之間的相互作用。由于FA可以更好地封裝在高密度聚乙烯中，復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能得到了進(jìn)一步提高。圖4（d）是含15%FA的HDPE復(fù)合材料橫截面的SEM圖像。粉煤灰存在明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，樹脂基體沒有形成完全覆蓋粉煤灰的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［20］，從而降低了復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度。

2.5 熱重分析（TGA）

表2是純HDPE和FA/HDPE混合物的熱重分析。

從表2可以看出，HDPE的初始分解溫度為390 ℃，最高分解溫度為514 ℃，這是由于高溫導(dǎo)致HDPE材料主鏈中的—C—C—解離所致。與純HDPE相比，5%的FA/HDPE復(fù)合材料在220.8 ℃開始熱降解，在571.75 ℃達(dá)到最大熱降解，伴隨著2.1%的碳形成。當(dāng)FA的含量增加到20%時(shí)，復(fù)合材料的初始降解溫度為221.93 ℃，熱降解在568.05 ℃時(shí)趨于穩(wěn)定，碳形成率為8.0%。與復(fù)合材料的TG和DTG數(shù)據(jù)對(duì)比，復(fù)合材料的初始降解溫度、最快降解溫度和最高降解溫度隨著FA摻量的增加都在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，而碳形成率則隨著FA的添加而逐漸增加。

2.6 有限元分析

提高市政給排水大直徑高密度聚乙烯波紋管的環(huán)剛度是目前的一個(gè)難題，嚴(yán)重阻礙了大直徑波紋管的普及。且提高大直徑聚乙烯波紋管的環(huán)剛度是提高市政給排水管道質(zhì)量的關(guān)鍵。為了驗(yàn)證由FA/HDPE復(fù)合材料制成的雙壁波紋管的性能，利用SOLIDWORKS軟件對(duì)直徑為400 ～1 500 mm的大直徑雙壁波紋給排水管進(jìn)行了建模。為了模擬測(cè)試波紋管環(huán)剛度的過程，在波紋管的上端和下端放置了2塊平行的鋼板。在x、y和z方向上與波紋管相切。長(zhǎng)方體的長(zhǎng)度是波紋管內(nèi)徑與波峰高度（D+h）之和，寬度是長(zhǎng)的2倍，高度為50 mm。圖5（a）為壓縮后直徑為1 000 mm的波紋管的位移分布，從圖5（a）可以明顯看出，波紋管的總變形從上到下減小，下部鋼板和與下部鋼板接觸的部分幾乎沒有變形。變形主要發(fā)生在波紋管上方，并集中在它與上部鋼板接觸的位置。圖5（b）為壓縮后直徑為1 000 mm的波紋管上的等效應(yīng)力分布，從圖5（b）可以看出，應(yīng)力主要集中在波紋管的上側(cè)。最大應(yīng)力發(fā)生在上部鋼板切線部分的兩側(cè)。不同管徑波紋管上最大應(yīng)力的位置沒有明顯變化。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）隨粉煤灰摻入量的增加，其抗拉強(qiáng)度及楊氏模量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，斷裂伸長(zhǎng)率隨粉煤灰的添加而減小。粉煤灰中LDPE的存在可以緩解粉煤灰過量摻入引起的強(qiáng)度、剛度和斷裂伸長(zhǎng)率的下降。當(dāng)HDPE中加入10%改性粉煤灰時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。與純HDPE相比，10%FA/90%HDPE復(fù)合材料的拉伸屈服強(qiáng)度提高了約24.5%，拉伸斷裂強(qiáng)度提高了約30.7%；

（2）少量的相容劑對(duì)提高其拉伸性能有一定作用，但添加過量的相容試劑會(huì)使其拉伸性能下降。在FA/HDPE復(fù)合材料中添加相容劑可以使粉煤灰與HDPE具有更強(qiáng)的相互作用。在FA/HDPE復(fù)合材料中加入增容劑后，復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率增加，剛性降低。在10%FA/HDPE復(fù)合材料中加入5%相容劑時(shí)，復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最好。與10% FA/HDPE復(fù)合材料比較，其拉伸屈服強(qiáng)度、斷裂斷裂強(qiáng)度及斷裂延伸速率均有所改善，分別提高4.6%、7.4%和9.1%；

（3）通過有限元分析計(jì)算了10%改性FA/5%HDPE-MAH/85%HDPE復(fù)合材料制成的波紋管的環(huán)剛度，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料制成的給排水波紋管可以有效提高環(huán)剛度。

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