聚丙烯波紋管材專用料性能研究

姜艷峰，吳 雙，李 瑞，安彥杰，葛騰杰，張明強(qiáng)

中國(guó)石油天然氣股份有限公司石油化工研究院大慶化工研究中心，黑龍江大慶 163714

隨著國(guó)家對(duì)水污染的加快治理，對(duì)城市排水設(shè)施的投資迅速增長(zhǎng)，通過(guò)市場(chǎng)走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)，未來(lái)20年，我國(guó)將進(jìn)入排水管網(wǎng)建設(shè)的高頻期，為塑料埋地排水管業(yè)務(wù)發(fā)展創(chuàng)造了空前機(jī)遇，同時(shí)也對(duì)埋地排水管的產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高要求。

聚丙烯波紋管剛?cè)峒鎮(zhèn)洌哂凶銐虻牧W(xué)性和剛性，兼?zhèn)鋬?yōu)異的柔韌性，管壁可做到更薄，同時(shí)具有耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、安裝方便和密封性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前在用的高密度聚乙烯埋地排水管的優(yōu)質(zhì)替代產(chǎn)品[1-5]。

筆者對(duì)兩種市場(chǎng)應(yīng)用較好的聚丙烯波紋管專用料進(jìn)行了性能對(duì)比分析，通過(guò)紅外、核磁、GPC等表征手段剖析了結(jié)構(gòu)，確定了產(chǎn)品微觀具體要求。通過(guò)對(duì)聚丙烯波紋管材專用料的結(jié)構(gòu)和性能分析，旨在為今后埋地用聚丙烯波紋管材專用料的生產(chǎn)和應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器

聚丙烯粒料1#、2#，分別來(lái)自Basell公司、博祿化工公司。

GPC150CV型凝膠滲透色譜儀測(cè)量，美國(guó)沃特斯公司公司；FTFR紅外光譜儀；核磁共振儀；Pxris L型示差掃描量熱儀，Perkin-Elmer公司。

1.2 分析測(cè)試

1)GPC分析

用美國(guó)沃特斯公司公司的GPC150CV型凝膠滲透色譜儀測(cè)量，用3根PLgel 10 μm MIXED-B柱子，以1,2,4-三氯代苯為流動(dòng)相，測(cè)量溫度為150 ℃，流速為1.0 mL/min，試樣質(zhì)量濃度為0.3 %。

2)紅外光譜分析

聚丙烯樣品在210 ℃下壓成薄片(厚度為3 μm)用于紅外測(cè)試。采用FTIR紅外光譜儀器(GX-2000)分析樣品的組成，測(cè)試范圍600～4 000 cm-1。

3)13C-NMR分析

序列分布用13C-NMR譜確定。以氖代鄰二氯苯作溶劑，溶液濃度為10%。在120 ℃下測(cè)試以六甲基二硅醚作內(nèi)標(biāo)。900脈沖角，采樣時(shí)間0.8 s，脈沖延遲時(shí)間5 s。

4)DSC測(cè)試

在N2保護(hù)下，將5 mg試樣先以10 ℃/min的升溫速率從室溫加熱至200 ℃，并恒溫5 min以消除熱歷史，再以20 ℃/min的降溫速率降溫至30 ℃，再次以20 ℃/min升溫至200 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同波紋管專用料物性對(duì)比分析

對(duì)不同聚丙烯波紋管專用料進(jìn)行了各項(xiàng)物性測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 產(chǎn)品物性分析

從表1可以看出，兩個(gè)牌號(hào)對(duì)標(biāo)產(chǎn)品的力學(xué)性能都非常優(yōu)異。彎曲模量都大于1 000 MPa。沖擊強(qiáng)度都大于80 kJ/m2，其中聚丙烯1#的沖擊強(qiáng)度達(dá)到了94 kJ/m2。兩種材料在用于排水管時(shí)都可提供管材良好的剛性，或在同等剛性的條件下減小壁厚以節(jié)省原材料。

2.2 不同波紋管專用料結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 GPC分析測(cè)試

對(duì)聚丙烯波紋管專用料進(jìn)行了相對(duì)分子質(zhì)量及相對(duì)分子質(zhì)量分布測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 產(chǎn)品相對(duì)分子質(zhì)量及相對(duì)分子質(zhì)量分布

從表2可以看出，兩種牌號(hào)產(chǎn)品的相對(duì)分子質(zhì)量都在60×104左右，且相對(duì)分子質(zhì)量分布較寬。其中，高相對(duì)分子質(zhì)量部分提供給產(chǎn)品良好的力學(xué)性能，低相對(duì)分子質(zhì)量部分使產(chǎn)品具有良好的加工性能，使材料的其力學(xué)性能和加工性能都達(dá)到最佳。

2.2.2 紅外分析測(cè)試

通過(guò)GX-2000傅立葉紅外光譜儀，對(duì)兩種聚丙烯波紋管專用料進(jìn)行了紅外分析，結(jié)果見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 1#的紅外光譜圖

圖2 2#的紅外光譜圖

由圖1～圖2可見(jiàn)，兩個(gè)牌號(hào)產(chǎn)品在1 167，997，895，840 cm-1等處都出現(xiàn)了一系列尖銳的中等強(qiáng)度的吸收峰，這些吸收峰與聚丙烯分子鏈的螺旋狀排列結(jié)構(gòu)有關(guān)，是等規(guī)聚丙烯的結(jié)構(gòu)特征[6-10]。

均聚聚丙烯和共聚聚丙烯之間最主要的區(qū)別表現(xiàn)在740～700 cm-1區(qū)間[8-9]。均聚聚丙烯在該區(qū)間沒(méi)有吸收峰，而共聚PP在上述區(qū)間出現(xiàn)吸收峰，并且隨共聚類型不同吸收峰位置有所差別[10]。乙丙無(wú)規(guī)共聚聚丙烯在733 cm-1或731 cm-1處有吸收峰，乙丙嵌段共聚聚丙烯的該吸收峰在719 cm-1處。因此分析兩種產(chǎn)品為嵌段共聚聚丙烯。

2.2.3 NMR分析測(cè)試

通過(guò)13C-NMR核磁對(duì)聚丙烯波紋管專用料進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖3～圖4。并根據(jù)核磁譜圖對(duì)聚丙烯序列結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 1#核磁譜圖

圖4 2#核磁譜圖

從表3看出，1#和2#的乙烯摩爾分?jǐn)?shù)分別為9.00%和6.95%，通過(guò)計(jì)算，1#中乙烯含量為5.16%，2#中乙烯含量為4.74%。2#中的(PPP)單元含量高于1#，所以具有更好的剛性，彎曲模量大。1#中的(EEE)單元含量高于2#，表明具有更高的橡膠含量，所以具有更大的沖擊強(qiáng)度。

表3 產(chǎn)品序列分布

2.2.4 DSC分析測(cè)試

通過(guò)Perkin-Elmer公司的Pxris L型示差掃描量熱儀對(duì)各種聚丙烯波紋管專用料進(jìn)行了測(cè)試分析，具體見(jiàn)圖5～圖6。

圖5 結(jié)晶曲線

圖6 熔融曲線

從圖5～圖6可以看出，兩個(gè)產(chǎn)品的結(jié)晶溫度都高于120 ℃，2#的結(jié)晶溫度達(dá)到129.3 ℃，兩個(gè)產(chǎn)品的熔點(diǎn)都大于160 ℃。通過(guò)計(jì)算，2#的結(jié)晶度為38.07%，1#的結(jié)晶度為34.34%。兩種專用料都具有較高的結(jié)晶溫度，當(dāng)聚合物在較高的溫度下結(jié)晶時(shí)，分子鏈活動(dòng)能力強(qiáng)，形成的結(jié)晶比較完善，完善程度差別也小，有利于聚合物物性的改善。2#的結(jié)晶度高于1#，因此具有更好的剛性，彎曲模量略大于1#。

3 結(jié)論

1)對(duì)兩種專用料進(jìn)行了剖析，兩個(gè)產(chǎn)品的力學(xué)性能都非常優(yōu)異。彎曲模量都大于1 000 MPa，其中2#的彎曲模量達(dá)到了1 266 MPa。

2)兩種牌號(hào)產(chǎn)品的相對(duì)分子質(zhì)量都在60×104，且相對(duì)分子質(zhì)量分布較寬，具有良好的加工性能。2#中乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.74%，1#中乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.45%。

3)兩種專用料的結(jié)晶溫度高于120 ℃，這表明該專用料中適當(dāng)加入了一定量的功能助劑，提高了聚丙烯的結(jié)晶溫度，因此其結(jié)晶度相對(duì)較高。