一步法成型保溫管聚氨酯泡沫層力學(xué)性能研究

申希海，陸琴芳，赫連建峰，劉金霞，張麗萍

中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津300451

一步法成型保溫管聚氨酯泡沫層力學(xué)性能研究

申希海，陸琴芳，赫連建峰，劉金霞，張麗萍

中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津300451

文章對采用“一步法”成型工藝生產(chǎn)的保溫管取其聚氨酯泡沫保溫層剖面不同位置的試樣進(jìn)行密度和力學(xué)性能研究，探討了保溫層試樣性能的差異。采用掃描電子顯微鏡觀察了初始泡孔結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)低密度聚氨酯泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)為多面體，泡孔之間以薄膜相隔離；高密度泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)呈球形，氣泡之間相互孤立；中密度泡沫的泡孔以球形和多面體形狀混合存在。

保溫管；聚氨酯泡沫；力學(xué)性能；抗壓強度；泡孔結(jié)構(gòu)

近年來，聚氨酯泡沫塑料在海底油氣保溫管道、埋地輸油管道上得到了廣泛應(yīng)用，為進(jìn)一步提高聚氨酯泡沫保溫管的生產(chǎn)質(zhì)量，對“一步法”成型保溫管聚氨酯泡沫層力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 “一步法”保溫管生產(chǎn)方法

1.1 聚氨酯泡沫塑料的典型配方[1]（見表1）

表1中的異氰酸酯俗稱黑料，其他成分如聚醚多元醇、催化劑、發(fā)泡劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑等的混合物，俗稱白料。實際使用時可通過調(diào)節(jié)黑白料的配合比來滿足工藝和環(huán)境條件對保溫材料的不同要求。

表1 聚氨酯泡沫塑料的典型配方

1.2 “一步法”生產(chǎn)工藝及要求（見圖1）

（1）擠出機各段加熱溫度的控制：從加料段到擠出段溫度呈梯度上升分布，擠出溫度宜為（205±10）℃。

（2）泡沫塑料發(fā)泡前，應(yīng)將鋼管外表面加熱到（30±5）℃，并應(yīng)把白料和黑料預(yù)熱到規(guī)定溫度，白料應(yīng)連續(xù)攪拌。

（3）泡沫塑料的原料可用噴槍連續(xù)混合，噴槍空氣壓力不低于0.5 MPa。

圖1 “一步法”成型保溫管生產(chǎn)工藝流程示意

2 保溫層性能測試方法

保溫管生產(chǎn)完成后應(yīng)在廠房內(nèi)熟化一定時間，環(huán)境溫度較低時，在廠房內(nèi)熟化時間應(yīng)不少于4 h。將發(fā)泡熟化后的聚氨酯泡沫去除表皮，按照試驗要求在不同的位置截取塊料，進(jìn)行力學(xué)性能試驗的樣品沿軸線方向取料，并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求進(jìn)行磨制[2]。按GB/T 10297-1998、GB/T8813-2008、GB/T6343-2009的要求，分別測定保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強度、表觀密度。將聚氨酯泡沫樣品在液氮中脆斷，脆斷樣品經(jīng)表面噴金處理后，用掃描電子顯微鏡觀察泡沫的顯微結(jié)構(gòu)[3]。

3 結(jié)果與討論

3.1 泡孔結(jié)構(gòu)特性

聚氨酯泡沫塑料是由聚合物和氣孔二相體系構(gòu)成的，其中聚合物是連續(xù)相，氣孔為分散相[4]。從圖2可以看出，在泡孔結(jié)構(gòu)的二維視圖中，呈現(xiàn)高亮白色的部分為泡孔壁斷面，呈現(xiàn)黑色或灰色的部分為充滿氣體的泡孔內(nèi)部。

圖2 不同密度的聚氨酯泡沫胞體的結(jié)構(gòu)特性

比較圖2的（a）、（b）、（c）照片可以看出，低密度聚氨酯泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)為多面體，泡孔之間以薄膜相隔離；高密度泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)呈球形，氣泡之間相互孤立；中密度泡沫的泡孔以球形和多面體形狀混合存在。

表2 不同溫度下保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)

3.2 不同溫度下保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)（見表2）

從表2可以看出，在21℃（常溫）、50℃兩種溫度下，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)均滿足GB/T50538-2010《埋地鋼質(zhì)管道防腐保溫層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)要求。

3.3 配料比例與密度、抗壓強度之間的關(guān)系

在同等工藝條件下，按照四種不同黑白料配比進(jìn)行發(fā)泡，分別測試聚氨酯泡沫塑料的表觀密度和抗壓強度，得到如圖3所示的結(jié)果。從圖3可以看出，當(dāng)黑白料配比為1.15∶1時，泡沫的密度和抗壓強度較高，分別為52 kg/m3和0.24 MPa。

圖3 黑白料配比與密度、抗壓強度的關(guān)系

3.4 保溫材料密度和力學(xué)性能

3.4.1 不同位置保溫材料的密度與抗壓強度的關(guān)系

分別取聚氨酯泡沫保溫層的上部、中上、中下、下部等位置的試樣，經(jīng)測試得到同等試驗條件下各組試驗樣品的密度和抗壓強度值，見圖4。從圖4可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著聚氨酯泡沫表觀密度的增大，泡沫塑料的抗壓強度也隨之增大。

圖4 密度與抗壓強度之間的關(guān)系

3.4.2 保溫材料塑性力學(xué)模型的驗證

Gibson與Ashby提出了閉孔和開孔泡沫塑料力學(xué)模型，并推導(dǎo)了硬質(zhì)泡沫塑料楊氏模量、彈性屈服應(yīng)力（壓縮強度）與密度關(guān)系的半解析方程，即Gibson-Ashby公式[5]，見式（1）、（2）。

式中E0、E——分別為基體材料、泡沫材料的楊氏模量；

ρ、ρ0——分別為基體材料、泡沫材料的密度；

φ——棱邊聚合物分?jǐn)?shù)；

Pi——泡孔的內(nèi)部壓力；

Pat——大氣壓；

υ——泊松比；

σel——彈性屈服應(yīng)力（壓縮強度）。假定絕大多數(shù)聚合物都集中在棱邊上（φ≈1），泊松比與致密固體接近（即v≈0.5），并且泡孔內(nèi)部壓力與大氣壓相等，則式（1）、（2）可以簡化為各自的第一項，方程形成指數(shù)關(guān)系。Goods[6]對硬質(zhì)閉孔聚氨酯泡沫塑料的模量、抗壓強度與密度之間的關(guān)系進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明抗壓強度與密度之間存在特定的指數(shù)關(guān)系。Philip和Miller等人[7]針對高密度的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的抗壓強度、蠕變和蠕變恢復(fù)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示壓縮強度也與密度的平方成正比。

通過以上文獻(xiàn)資料的對比分析，可以驗證本文試驗結(jié)果與Goods，Philip和Miller等人的研究結(jié)果大致吻合，即在一定范圍內(nèi)，聚氨酯泡沫抗壓強度隨其表觀密度的增大而增大，同時也與Gibson-Ashby公式一致。

從圖4可以看出，“一步法”成型工藝制作的聚氨酯保溫層從頂部到底部的密度、抗壓強度存在明顯的差異，可以斷定，這是由于在發(fā)泡過程中泡沫保溫材料受到重力的作用、發(fā)泡空間的位阻作用、氣泡的上浮作用等，導(dǎo)致聚乙烯外護(hù)層底部形成的保溫層密度、抗壓強度明顯高于上部，影響了保溫層性能的均勻性。

4 結(jié)論

（1）采用“一步法”發(fā)泡工藝成型的聚氨酯泡沫保溫層，聚乙烯外護(hù)層底部形成的保溫層密度、抗壓強度明顯高于上部，因此在實際生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制保溫層材料的均勻性。

（2）在同等工藝條件下發(fā)泡成型的聚氨酯泡沫，其抗壓強度隨著密度的增大而增大，驗證了Gibson-Ashby塑性力學(xué)模型。

（3）聚氨酯泡沫塑料是由聚合物和氣孔二相體系構(gòu)成的，低密度聚氨酯泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)為多面體，泡孔之間以薄膜相隔離；高密度泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)呈球形，氣泡之間相互孤立；中密度泡沫的泡孔以球形和多面體形狀混合存在。

[1]王偉力.硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料力學(xué)性能與密度、增強劑含量的關(guān)系[J].工程塑料應(yīng)用，2001，29（8）：8-10.

[2]李洪波.全水發(fā)泡聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料的制備及結(jié)構(gòu)與性能研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2009.

[3]吳蓁，郭青，沈軍，等.硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料結(jié)構(gòu)及其性能的研究[J].建筑材料學(xué)報，2009，12（4）：453-457.

[4]盧子興.硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料壓縮力學(xué)性能[J].材料研究學(xué)報，1994，8（5）：452-456.

[5]梁書恩.聚氨酯泡沫塑料泡孔結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系的研究[D].四川綿陽：中國工程物理研究院，2005.

[6]Goods S，Neuschwanger C，Henderson C，etc．Mechanical properties of CRETE,a polyurethane foam[J].Journal of Applied Polymer Science，1998，68（7）：1 045-1 055.

[7]Philip C，Miller T，Sina T．Compressive properties of rigid polyurethane foams[J].Polymers and Polymer Composites，1999，7（2）：117-124.

Study on Mechanical Properties of One-step Forming Process of Polyurethane Insulating Pipe

Shen Xihai，Lu Qinfang，Helian Jianfeng，Liu Jinxia，Zhang Liping
CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China

The polyurethane foam layer test specimens are taken from different places at the cross-section of a polyurethane insulating pipe formed by one-step forming technology.The research on the densities and mechanical properties of the specimens is conducted and the discrepancies in the specimen properties are discussed.The structural characteristics of foam cellstructure are investigated by a scanning electron micrography（SEM）.It is found that the foam cells of low density polyurethane have the polyhedral structure separated by membranes；the foam cells of high density polyurethane have the spherical structure isolated each other；the foam cells of middle density polyurethane have the mixed structures of sphere and polyhedron.

thermalinsulation pipe；polyurethane foam；mechanicalproperties；compressive strength；foam cellstructure

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.021

申希海（1981-），男，山東沂水人，工程師，2009年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)，碩士，現(xiàn)主要從事防腐保溫材料的監(jiān)督檢驗工作。

2014-08-20