PE-RT II/XSENE XRT 70管材溶劑腐蝕研究

喬 欣, 高艷雨, 李東旭, 尹偉洋, 包 鵬, 崔建偉, 牛海軍,*

(1.黑龍江大學 化學化工與材料學院, 哈爾濱 150080；2.黑龍江貞財管道有限公司, 黑龍江 綏化 152000 )

0 引 言

隨著供熱行業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)埋地鋼制管道的不足逐漸顯現(xiàn)，存在的問題主要包括使用壽命短，銹蝕沉積物造成堵塞，易發(fā)生腐蝕產(chǎn)生泄露，安裝困難等[1]。因此，供熱行業(yè)需要新技術(shù)來提高管網(wǎng)的安全性、減少漏失率、提高熱效率。此時塑料管道新技術(shù)應(yīng)運而生。塑料管材具有環(huán)保綠色可回收，無腐蝕銹蝕，不結(jié)垢不堵塞，輸送過程熱損耗小，50 a長壽命等優(yōu)點，是一種理想型材料[2-6]。

道達爾公司研制的PE-RT II/XSENE XRT 70材料是一種性能優(yōu)異，應(yīng)用廣泛的新型塑料管材。該材料采用的是超級雙管式聚合技術(shù)(ADL)，用Catalyst催化劑(鉻，鋅和茂金屬)催化，將乙烯與己烯進行共聚，其分子量分布呈現(xiàn)雙峰趨勢[7-8]。這種材料專為壓力管道設(shè)計，具有優(yōu)異的耐快速開裂和耐慢速裂紋增長性能，并且加工過程中無須加工助劑，較為方便。該管材在輸送水時，可以長期無變化，穩(wěn)定性好，但該材料是否適用于酸堿或有機溶劑的輸送沒有相關(guān)報道。因此為了進一步拓寬該材料的使用范圍，開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域，對該材料進行性能測試。 本文主要是對PE-RT II/XSENE XRT 70材料進行熱重分析，并將試樣分別浸泡在無水乙醇(99.7%)、硫酸(98%)和氫氧化鈉(40%)中，測試其耐化學浸蝕性，拉伸性能，以及使用金相顯微鏡觀察其在不同浸泡時間下表面形態(tài)的變化[9-12]。

1 實驗部分

1.1 實驗原材料及主要試劑

II型耐熱聚乙烯(PE-RT II)XSENE XRT 70 材料，道達爾公司；無水乙醇(99.7%)，富宇精細化工有限公司；硫酸(98%)；氫氧化鈉(40%)，天津光復科技發(fā)展有限公司。

圖1 管材和粒料的熱重曲線Fig.1 TG curves of the tubular product and particles

1.2 性能測試

熱重曲線是在北京恒久科學儀器廠HCT-3型微機差熱天平上進行，測量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度(或時間)的變化關(guān)系。實驗條件為N2氣氛，管材樣品量為12.023 2 mg，粒料的樣品量為10.593 6 mg，升溫速率為10 ℃/min。表面形貌是在上海光學儀器一廠生產(chǎn)de9XB-PC金相顯微鏡上觀察。拉伸測試在深圳凱強利機械有限公司生產(chǎn)的WDT90型微機控制萬能試驗機上進行。樣品是在管材上直接切割而成。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱穩(wěn)定性分析

管材與粒料的熱重曲線見圖1。由圖1可見，PE-RT II/XSENE XRT 70材料在270 ℃以下，幾乎未發(fā)生質(zhì)量損失，這表明該材料在此溫度以下，具有良好的熱穩(wěn)定性，是一種性能優(yōu)良的耐熱性聚合物。在270～386 ℃，材料發(fā)生分解，質(zhì)量出現(xiàn)損失，但變化幅度不大。當溫度>386 ℃，材料迅速分解，直到約480 ℃，失重過程基本完成，之后質(zhì)量變化不大。整個過程，質(zhì)量消耗率為93.99%，達到最大分解速率時的溫度約為420 ℃。粒料的熱重曲線與管材的變化趨勢幾乎一致，粒料最終的質(zhì)量消耗率為93.66%，與管材存在差異，這是因為在加工成管材時，添加了碳材料，最后失重的為碳材料。PE-RT II/XSENE XRT 70材料在溫度<386 ℃的使用環(huán)境下，表現(xiàn)出優(yōu)良的耐熱性，且在聚合物成型加工過程中，物理形態(tài)的改變未造成性能的破壞。

2.2 耐化學浸蝕性測試

2.2.1 表面形貌觀察分析

將II型耐熱聚乙烯(PE-RT II)XSENE XRT 70 管材在25 ℃分別浸泡于無水乙醇(99.7%)、氫氧化鈉(40%)和硫酸(98%)中，觀察被浸泡5 d、10 d、15 d時，以浸泡溫度為60 ℃時的變化為例，其表面形貌的變化，結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 試樣1浸泡于無水乙醇(99.7%)的金相顯微鏡圖片F(xiàn)ig.2 Metalloscope images of sample 1 immersed in absolute ethanol (99.7%)

由圖2可見，樣品在無水乙醇(99.7%)中浸泡5 d時，可見其表面狀態(tài)變化不大，結(jié)構(gòu)平整，僅現(xiàn)輕微細紋；浸泡10 d時，表面紋路明顯增多，樣品受浸蝕程度增加；當浸泡15 d時，表面出現(xiàn)大量孔洞式浸蝕點，材料結(jié)構(gòu)不完整。

圖3 試樣2浸泡于氫氧化鈉(40%)的金相顯微鏡圖片F(xiàn)ig.3 Metalloscope image of sample 2 immersed in sodium hydroxide (40%)

由圖3可見，管材在氫氧化鈉(40%)中浸泡5 d時，表面出現(xiàn)少量浸蝕點，總體光滑程度未受影響；10 d時，浸蝕程度未出現(xiàn)明顯變化；15 d時，表面出現(xiàn)紋路并伴隨浸蝕點，但整體受浸蝕程度不嚴重。

圖4 試樣3浸泡于濃硫酸(98%)的金相顯微鏡圖片F(xiàn)ig.4 Metalloscope image of sample 3 immersed in concentrated sulfuric acid (98%)

由圖4可見，樣品在硫酸(98%)中浸泡5 d時，出現(xiàn)面積較大的浸蝕點，表面粗糙度增加；隨著時間的推移，受浸蝕程度逐漸增大；浸泡15 d時，表面出現(xiàn)雜亂紋路，光滑平整結(jié)構(gòu)遭到破壞，受浸蝕程度最為嚴重。

綜上所述，樣品受浸蝕程度由大到小排序為樣品3>樣品1>樣品2。

2.2.2 拉伸性能測試

拉伸性能是管材力學性能的重要指標之一，也是管材性能檢測最重要的項目。以浸泡時間為橫坐標，拉伸強度為縱坐標，通過將試樣浸泡于不同試劑分別在25 ℃和60 ℃得到相應(yīng)曲線(圖5、圖6)。由圖5可見，隨著浸泡時間的增加，拉伸強度都存在大幅度的下降。且以浸泡在硫酸(98%)中的試樣受影響最為嚴重。通過觀察表面形貌，該試樣受浸蝕最為嚴重，其表面粗糙度最大，結(jié)構(gòu)被破壞，在同樣應(yīng)力的作用下，更易發(fā)生斷裂，故表現(xiàn)出拉伸強度大幅度下降。由圖6可見，升溫會對浸蝕過程有重要的影響。

圖5 反應(yīng)溫度25℃時拉伸強度變化曲線Fig. 5 Tensile strength curves of samples at 25 ℃ immersed in solvents

圖6 反應(yīng)溫度60 ℃時拉伸強度變化曲線Fig.6 Tensile strength curves of samples at 60 ℃ immersed in solvents

綜合上述實驗結(jié)果，并參考了ISO/TR10358：1993《塑料管材和管件耐化學性綜合分類表》提供的一種管材和管件在無壓力下耐化學性的初步分類法，得到耐化學浸濕性測試表(表1)。

表1 耐化學浸蝕性測試Table 1 Chemical solvent resistance test data

注：“S”：耐浸蝕，管材可在既無壓力也無其他應(yīng)力下使用；在有壓力下使用時，最終的評價應(yīng)基于進一步的壓力試驗。“L”：有限的耐浸蝕，管材可在既無壓力也無其他應(yīng)力下使用；但化學物質(zhì)引起的性能變化應(yīng)在可接受的范圍內(nèi)；在有壓力下使用，最終的評價應(yīng)基于進一步的壓力試驗。“NS”：不耐浸蝕，管材被強烈浸蝕：不論有無壓力均不適用。

由表1可見，樣品耐氫氧化鈉(40%)浸蝕性最為優(yōu)良；浸泡在乙醇(99.7%)中，在一定范圍內(nèi)能做到耐浸蝕；而在濃硫酸(98%)的浸泡下，樣品結(jié)構(gòu)遭到較大的破壞。浸泡時溫度的提高，樣品的被浸濕程度會增加，但影響不大。

3 結(jié) 論

PE-RT II/XSENE XRT 70材料作為一種新型的耐高溫、非交聯(lián)的PE管材，在386 ℃仍具有良好的熱穩(wěn)定性，物理形態(tài)維持不變，使用性能優(yōu)良，有效解決了傳統(tǒng)鋼制管材存在的一些弊端。此外，通過拉伸試驗，耐化學浸蝕性測試可知，該材料在不同濃度，不同酸堿度的溶劑中，耐浸蝕性存在較大差異：在氫氧化鈉(40%)中，隨著浸泡時間的增長，浸蝕程度大幅度提高，仍屬于耐浸蝕范圍。在濃硫酸(98%)的浸泡下呈現(xiàn)出被強烈浸蝕的現(xiàn)象，性狀不穩(wěn)定；在乙醇(99.7%)中浸泡的耐浸蝕程度介于兩者之間，但更傾向于耐浸蝕。拉伸強度與耐浸蝕性成正比例關(guān)系，隨時間的增長，拉伸強度逐漸下降。此外，較高的反應(yīng)溫度會適當削弱材料的耐浸蝕性。