高密度聚乙烯原料耐慢速裂紋增長性能探究

陶岳杰 張作源 朱東杰 李俊光

摘要：聚乙烯管材的三大重要性能指標(biāo)：MRS值、耐快速裂紋擴(kuò)展、耐慢速裂紋增長。耐慢速裂紋增長性能是聚乙烯管材是否能夠長期使用的決定性因素。實(shí)驗(yàn)利用耐慢速裂紋增長椎體實(shí)驗(yàn)法，探究不同聚合工藝的聚乙烯原料的耐慢速裂紋增長性能的優(yōu)劣。研究表明，PE100-RC原料相比PE100原料耐慢速裂紋增長性能更優(yōu)。不同聚合工藝的PE100原料耐慢速裂紋增長性能大不相同。

關(guān)鍵詞：高密度聚乙烯聚合工藝耐慢速裂紋增長椎體實(shí)驗(yàn)法;

Study on Resistance of High Density Polyethylene to Slow Crack Growth

TAO YueJieZHANG ZuoYuanZHU DongJieLI JunGuang

（Zhejiang Weixing New Building Materials Co.，Ltd.， Taizhou，Zhejiang Province，317000 China）

Abstract：Three important performance indexes of polyethylene pipe are MRS value， fast crack growth and slow crack growth.The resistance to slow crack growth is the decisive factor for long-term use of polyethylene pipe. The performance of polyethylene materials with different polymerization processes to resist slow crack growth was studied by using the vertebral body test method. The results show that PE100-RC material has better resistance to slow crack growth than PE100 material. The resistance to slow crack growth of PE100 materials by different polymerization processes is very different.

Key Words：High Density Polyethylene;The Aggregation Process;

Resistant To Slow Crack Gowth;Vertebral Body Test

高密度聚乙烯，簡(jiǎn)稱“HDPE”，是一種結(jié)晶度高、非極性面呈一定程度的半透明狀。高密度聚乙烯具有優(yōu)良的耐大多數(shù)生活和工業(yè)用化學(xué)品的特性[1，2]。高密度聚乙烯多應(yīng)用于給水、燃?xì)獾燃斔芰瞎艿乐?，全球現(xiàn)有聚乙烯生產(chǎn)工藝11種。如Hostalen工藝、北歐化工Bastar工藝、氣相法Innovene工藝等[3]。

耐慢速裂紋增長性能代表著塑料管道在長期承受內(nèi)壓條件下是否可以長期使用，塑料管道的破壞形式分為脆性破壞、韌性破壞及化學(xué)破壞[4]。脆性破壞機(jī)理為耐慢速裂紋增長性能所引起的破壞。所以，耐慢速裂紋增長性能是代表材料的長期安全使用壽命的性能[5]。耐慢速裂紋增長椎體試驗(yàn)方法[6-8]，是一種測(cè)定聚乙烯管材耐慢速裂紋增長的試驗(yàn)方法，該方法主要為在聚乙烯管材上切去一段額定長度的管環(huán)，在管環(huán)一段切開一個(gè)缺口，將其浸漬在恒定溫度的活性溶液內(nèi)，測(cè)量缺口處擴(kuò)展的速率。本文利用不同生產(chǎn)工藝的聚乙烯原料生產(chǎn)的管材，通過椎體法試驗(yàn)不同原料管材的耐慢速裂紋增長性能。

1試驗(yàn)過程

1.1試驗(yàn)主要原料與儀器

原料：PE100-RC原料（北歐北星Bastar工藝）、PE100混配料（北歐北星Bastar工藝）、聚乙烯PE100原料（北歐北星Bastar工藝、巴賽爾Hostalen工藝、氣相法Innovene工藝、）

儀器：巴頓菲爾·辛辛那提擠出機(jī)、恒溫水浴鍋（承德金建檢測(cè)儀器有限公司）、耐慢速裂紋增長椎體試驗(yàn)機(jī)（承德金建檢測(cè)儀器有限公司）、圖像尺寸測(cè)量?jī)x（基恩士中國有限公司）。

1.2 樣品制備

將不同原料生產(chǎn)成dn25-dn40規(guī)格的管材，將與管材相同規(guī)格的椎體以速度為100mm/min的速度壓入管材環(huán)，插入椎體后，將被椎體完全綁緊的管材環(huán)的一端沿整個(gè)壁厚加工軸向長度為10mm的缺口，切割速度為10mm/min。加工完缺口后，將帶有椎體的試樣放入裝有表面活性溶液的水槽中，保持80±1℃的恒溫[9]。

1.3表征

利用圖像尺寸測(cè)量?jī)x對(duì)制備的試樣每24h進(jìn)行表面缺口尺寸測(cè)量，最后對(duì)缺口長度進(jìn)行繪圖分析。

2. 結(jié)果與討論

2.1 PE100-RC與PE100混配料耐慢速裂紋增長性能比對(duì)

通過直觀對(duì)比與影像儀數(shù)據(jù)對(duì)比分析相同聚合工藝生產(chǎn)的PE100-RC與PE100的裂紋增長長度來分子兩種混配料的耐慢速裂紋增長性能，通過直觀的對(duì)比分析，PE100混配料相比PE100-RC混配料裂紋增長更快。圖1（a）所示為PE100-RC混配料耐慢速裂紋增長散點(diǎn)圖，通過回歸分析，其耐慢速裂紋增長速率為0.114mm/d;圖1（b）所示為PE100混配料耐慢速裂紋增長散點(diǎn)圖，通過回歸分析，其耐慢速裂紋增長速率為0.887mm/d，可以看出PE100-RC混配料耐慢速裂紋增長性能優(yōu)于PE100混配料。

2.2 聚乙烯原料耐慢速裂紋增長性能對(duì)比

選取不同聚合工藝生產(chǎn)的聚乙烯原料，包括巴賽爾Hostalen工藝、北歐北星Bastar工藝、氣相法Innovene工藝。試驗(yàn)歷時(shí)30d，通過直觀對(duì)比及影像儀數(shù)據(jù)分析，不同聚合工藝生產(chǎn)的聚乙烯原料耐慢速裂紋增長性能均不相同。如圖2所示，A為巴賽爾Hostalen工藝生產(chǎn)的聚乙烯原料，其耐慢速裂紋增長速率為0.763mm/24h;B為北歐北星Bastar工藝生產(chǎn)的聚乙烯原料，其耐慢速裂紋增長速率為0.964mm/24h;C為氣相法Innovene工藝生產(chǎn)的聚乙烯原料，其耐慢速裂紋增長速率為1.111mm/24h。

通過數(shù)據(jù)可以看出，3種聚合工藝中，巴賽爾Hostalen工藝生產(chǎn)的聚乙烯原料耐慢速裂紋增長性能最優(yōu)，Bastar工藝生產(chǎn)的聚乙烯原料次之，氣相法Innovene工藝生產(chǎn)的聚乙烯原料耐慢速裂紋增長性能較差。

3結(jié)語

PE100-RC混配料比對(duì)PE100混配料及不同聚合工藝生產(chǎn)的聚乙烯PE100原料的耐慢速裂紋增長性能均不相同，PE100-RC混配料耐慢速裂紋增長性能優(yōu)于PE100混配料。3種不同工藝聚乙烯原料耐慢速裂紋增長性能均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，但巴塞爾Hostalen工藝生產(chǎn)的聚乙烯原料耐慢速裂紋增長性能最優(yōu)，該研究對(duì)今后聚乙烯管材原料選取具有極大的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]? 高琳，黃安平，謝克鋒，李艷芹，夏東洲.國內(nèi)高密度聚乙烯現(xiàn)狀及展望[J].廣州化工，2015，43（14）：24-26.

[2]? 程海濤，申獻(xiàn)雙.HDPE高密度聚乙烯最新改性研究進(jìn)展[J].塑料工業(yè)，2020，48（2）：1-8，63.

[3]? 呼嘉楠，徐錦權(quán)，薛彬彬.高密度聚乙烯制備工藝及應(yīng)用研究[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2021，47（6）：58-59.

[4]? 高寧，謝澤祥，申開智，雷軍，高雪芹.聚乙烯管材耐慢速裂紋增長性能研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2020，32（2）：55-58.

[5]? 潘星，李彥曉，吳磊，何雪蓮.聚烯烴管材耐慢速裂紋增長性能的快速評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展[J].合成樹脂及塑料，2019，36（1）：86-90.

[6]? Kai-yuan CHEN，Wei LI，Nan-qiao ZHOU. Study on Slow Crack Growth Resistance of High-Density Polyethylene Pipes Prepared by Vibration Extrusion[C].Proceedings of 2016 International Conference on Advanced Manufacture Technology and Industrial Application（AMTIA 2016）.，2016：97-103.

[7]? Yan-Qin Huang，Qing-Long Zhang，Xiao-Ying Lu，Yi-Bin Gong，Hao Zhou，Jia-Chun Feng. Comparative Investigation on Step-cycle Tensile Behaviors of Two Bimodal Pipe-grade Polyethylene with Different Slow Crack Growth Resistance[J].Chinese Journal of Polymer Science，2019，38.

[8]? Min Nie，Qi Wang，Shibing Bai. The Effect of Cooling Mode on Slow Crack Growth Resistance of Polyethylene Pipe[J]. Journal of Macromolecular Science， Part B，2010，49（4）.

[9]? 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.聚乙烯管材耐慢速裂紋增長錐體試驗(yàn)方法：GB/T 19279-2003[S].2003.