聚乙烯/炭黑复合材料电熔焊接研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.10.015

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (10): 111-116.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.10.015

• 高分子功能改性与极端服役应用 • 上一篇下一篇

聚乙烯/炭黑复合材料电熔焊接研究

王斌¹(), 王振超², 何安淇³, 程德宝⁴, 王娅茹⁵, 赵晓颖¹(), 项爱民¹()

^1.北京工商大学化学与材料工程学院，北京 100048
^2.罗森博格（无锡）管道技术有限公司，江苏无锡 214161
^3.中国消防救援学院，北京 102202
^4.河北宇通特种胶管有限公司，河北衡水 053500
^5.中国五洲工程设计集团有限公司，北京 100053

收稿日期:2023-06-13 出版日期:2023-10-26 发布日期:2023-10-23
通讯作者: 赵晓颖（1986—），女，教授，主要从事降解材料的研究，zhaoxy@btbu.edu.cn
项爱民（1967—），女，教授，主要从事高分子材料加工与应用的研究，xaming@th.btbu.edu.cn
E-mail:btbucj2016@163.com;zhaoxy@btbu.edu.cn;xaming@th.btbu.edu.cn
作者简介:王斌（1997—），男，硕士研究生，主要从事聚乙烯焊接的研究，btbucj2016@163.com

Electrofusion welding of polyethylene/carbon black composites

WANG Bin¹(), WANG Zhenchao², HE Anqi³, CHENG Debao⁴, WANG Yaru⁵, ZHAO Xiaoying¹(), XIANG Aimin¹()

^1.School of Chemical and Materials Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China
^2.Rosenberg （Wuxi） Pipeline Technology Co，Ltd，Jiangsu 214161，China
^3.China Fire and Rescue College，Beijing 102202，China
^4.Hebei Yutong Special Hose Co，Ltd，Hebei 053500，China
^5.China Wuzhou Engineering Co，Ltd，Beijing 100053，China

Received:2023-06-13 Online:2023-10-26 Published:2023-10-23
Contact: ZHAO Xiaoying, XIANG Aimin E-mail:btbucj2016@163.com;zhaoxy@btbu.edu.cn;xaming@th.btbu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

通过熔融共混法在聚乙烯中加炭黑，模拟制备管道用聚乙烯/炭黑复合材料。采用了不同的焊接条件包括单程序焊接和多程序焊接进行复合材料的焊接，并对焊接性能、焊接管道的力学性能、结晶性能、微观形态进行了研究。结果表明，复合材料的制备工艺流程中挤出机的加工温度应避免超过240 ℃以上，且螺杆转速不超过40 r/min时能够有效避免管道制备过程产生炭黑分散不均匀以及气泡的缺陷；焊接过程中，单段式程序焊接过程中会出现实验末期温度急剧上升的情况，而多段式焊接程序能够使熔区温度保持在一个相对稳定的温度区间，对焊接试样进行拉伸剥离实验可知，多段式焊接程序的焊接性能要优于单段式焊接程序。

关键词: 聚乙烯, 电熔焊接, 焊接性能

Abstract:

In this study， the polyethylene/carbon black composites for pipelines were prepared through melt blending carbon black with polyethylene. The resultant welding composites were further used to weld pipelines under different welding conditions including single⁃program welding and multi⁃program welding， and the welding properties， mechanical properties， crystallization properties， and microscopic morphology of the welded pipes were studied. The results indicated that the processing temperature of the extruder should not exceed 240 ºC， and the screw speed should not exceed 40 rpm. This can effectively avoid the defects of uneven dispersion of carbon black and bubble in the preparation process of pipeline. In the single⁃stage welding process， the temperature was found to rise sharply at the end of the experiment. However， the temperature of the melting zone could keep in a relatively stable range in the multi⁃stage welding procedure. The tensile stripping test results indicated that the welding performance of welded samples obtained from the multi⁃stage welding process was better than that from the single⁃stage welding process.

Key words: polyethylene, electrofusion welding, welding performance

中图分类号:

TQ325.1⁺2

王斌, 王振超, 何安淇, 程德宝, 王娅茹, 赵晓颖, 项爱民. 聚乙烯/炭黑复合材料电熔焊接研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(10): 111-116.

WANG Bin, WANG Zhenchao, HE Anqi, CHENG Debao, WANG Yaru, ZHAO Xiaoying, XIANG Aimin. Electrofusion welding of polyethylene/carbon black composites[J]. China Plastics, 2023, 37(10): 111-116.

图/表 12

加工工艺

加料口

温度/℃

共混段

温度/℃

模口

温度/℃

转速/

r·min^-1

表1 PE/炭黑共混料的挤出工艺

Tab.1 Extrusion process of PE/ carbon black blends

样品	最大力/N	拉伸强度 /MPa	断裂拉伸应变/%
基体	475.43±11.17	31.46±1.32	1 638.95±44.33
工艺1	296.23±1.95	18.90±0.12	63.12±2.69
工艺2	433.13±38.40	27.94±2.12	1 372.51±73.40

表2 PE/炭黑复合材料的力学性能

Tab.2 Mechanical properties of PE/ carbon black composites

图1 PE/炭黑复合材料的PLM照片

Fig.1 Polarization diagram of PE/ carbon black composites

图2 电阻⁃温度变化和单段式焊接温度⁃时间的变化曲线

Fig.2 Relationship between resistance and temperature and temperature⁃time relationship of electricfusion welding

样品	实验参数
a	11 A、150 s
b	11 A、120 s；9 A、200 s
c	11 A、140 s；10.5 A，、0 s；10 A、180 s

表3 焊接参数表

Tab.3 Welding parameter table

图3 电熔焊接温度⁃时间变化曲线

Fig.3 Temperature⁃time relationship of electricfusion welding

图4 相同焊接电流不同焊接时间条件下的焊接断裂图

Fig.4 Welding fracture diagram under the same welding current and different welding time

图5 相同焊接电流不同焊接时间条件下的焊接面材料拉伸强度

Fig.5 Mechanical properties of welding surface with welding time under single⁃stage welding

样品	实验参数
a	13 A、140 s
b	13 A、120 s；12.5 A、20 s
c	13 A、100 s；12.5 A、20 s；12 A、20 s
d	13 A、80 s；12.5 A、20 s；12 A、20 s；11.5 A、20 s

表4 多段式焊接程序实验参数表

Tab.4 Experimental parameters of multi⁃stage welding procedure

图6 多段式程序拉伸剥离实验实物图

Fig.6 Multi⁃stage program tensile stripping experiment

样品	最大力/N	剥离脆性百分比/%	焊接性能/%
a	599.51	35.495	65.51
b	804.37	23.65	76.35
c	859.99	18.49	81.51
d	949.51	4.40	95.60

表5 多段式程序拉伸剥离实验的焊接性能

Tab.5 Welding properties of multi⁃stage welding

图7 PE、PE/炭黑复合材料、电熔焊接后复合材料的热性能及拉伸强度曲线

Fig.7 Thermal properties and tensile strength of PE，PE/carbon black composites and composites after electrofusion welding

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Electrofusion welding of polyethylene/carbon black composites

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