管材專(zhuān)用HDPE樹(shù)脂的性能

張 娜

（中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司研究院，天津市 300270）

?

管材專(zhuān)用HDPE樹(shù)脂的性能

張 娜

（中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司研究院，天津市 300270）

摘 要：分析了PE80級(jí)管材專(zhuān)用高密度聚乙烯K44-08-122與國(guó)產(chǎn)同類(lèi)產(chǎn)品在力學(xué)性能、相對(duì)分子質(zhì)量及其分布、毛細(xì)管流變性能、結(jié)晶性能等方面的差異。結(jié)果表明：與參比試樣相比，K44-08-122的斷裂拉伸應(yīng)變達(dá)616％，簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度較高，韌性較好；K44-08-122的氧化誘導(dǎo)時(shí)間為80.7 min，遠(yuǎn)大于參比試樣的34.0 min，而且具有良好的力學(xué)性能和加工性能； K44-08-122的結(jié)晶溫度較高，熔融溫度較低；K44-08-122滿(mǎn)足GB/T 17219—1998的要求，通過(guò)了PE80級(jí)管材分級(jí)認(rèn)證，各項(xiàng)性能達(dá)到PE80級(jí)管材要求。

關(guān)鍵詞：高密度聚乙烯 管材專(zhuān)用樹(shù)脂 力學(xué)性能 沖擊強(qiáng)度 毛細(xì)管流變性能

高密度聚乙烯（HDPE）是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹(shù)脂，具有優(yōu)良的特性（如防水，介電強(qiáng)度高等）廣泛應(yīng)用于包裝、管材等領(lǐng)域?！豆┧镁垡蚁┕懿囊?guī)范》（ISO 4427：1996）根據(jù)管材長(zhǎng)期強(qiáng)度把聚乙烯（PE）分為PE32，PE40，PE63，PE80，PE100等不同等級(jí)［1］。近年來(lái)，隨著對(duì)飲用水安全及環(huán)保意識(shí)的提高，PE管材以其質(zhì)量輕、耐腐蝕、節(jié)約能源等特點(diǎn)，已廣泛用于燃?xì)廨斔?、給水、排水以及化工等領(lǐng)域，管材應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大對(duì)合成樹(shù)脂提出了更高的要求［1］。中沙（天津）石化有限公司生產(chǎn)的管材專(zhuān)用HDPE K44-08-122在保證了一定強(qiáng)度的同時(shí)，通過(guò)了“飲用水輸配水設(shè)備衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法”對(duì)鐵、錳、氟化物等22項(xiàng)理化指標(biāo)的檢測(cè)和國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)的PE80等級(jí)認(rèn)證，達(dá)到給水用管材的標(biāo)準(zhǔn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

HDPE：K44-08-122，中沙（天津）石化有限公司生產(chǎn)；國(guó)產(chǎn)PE80級(jí)管材專(zhuān)用樹(shù)脂（記作參比試樣），市售。

1.2 主要儀器及設(shè)備

XJU-22型簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度測(cè)試儀，承德金建檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)；PL-GPC 220型高溫凝膠滲透色譜儀，美國(guó)Polymer Laboratory公司生產(chǎn)；CMT4503型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司生產(chǎn)。

1.3 性能測(cè)試

簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T 1043.1—2008測(cè)試；力學(xué)性能按GB/T 1040.2—2006測(cè)試。毛細(xì)管流變性能用英國(guó)馬爾文儀器公司生產(chǎn)的Rosand RH7型毛細(xì)管流變儀測(cè)試，測(cè)試溫度分別為190，210，230 ℃。凝膠滲透色譜（GPC）測(cè)試：溶劑及流動(dòng)相均為1,2,4-三氯苯，含體積分?jǐn)?shù)為0.025％的抗氧劑2,6-二丁基對(duì)甲酚，柱溫為150 ℃，流速為1.0 mL/min，窄分布聚苯乙烯為標(biāo)樣。差示掃描量熱法（DSC）分析：氮?dú)鈿夥?，先將試樣?0 ℃/ min升至160 ℃并保溫消除熱歷史，然后降至0 ℃，再以10 ℃/min升至160 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 K44-08-122的基本性能

從表1可看出：K44-08-122的氧化誘導(dǎo)時(shí)間明顯高于參比試樣，抗氧化性能較好；K44-08-122的韌性?xún)?yōu)于參比試樣而剛性反之，主要表現(xiàn)為K44-08-122的斷裂拉伸應(yīng)變、沖擊強(qiáng)度較高；參比試樣的熔體流動(dòng)速率（MFR）為0.51 g/10 min，而K44-08-122的MFR為0.42 g/10 min，因此，K44-08-122的加工流動(dòng)性稍差于參比試樣。

表1　K44-08-122與參比試樣的基本性能Tab.1 Performance parameters of K44-08-122 and contrast sample

從表2可看出：K44-08-122的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合GB/T 13663—2000及ISO 4427-1：2007的要求。其中，縱向回縮率、揮發(fā)分含量、水含量均較低，斷裂拉伸應(yīng)變、氧化誘導(dǎo)時(shí)間均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明K44-08-122具有較好的韌性及抗老化性能。從表2還可看出：K44-08-122通過(guò)了PE80級(jí)規(guī)定條件下的靜液壓測(cè)試。按照GB/T 18252—2008“塑料管道系統(tǒng)用外推法確定熱塑性塑料材料以管材形式的長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度”評(píng)價(jià)，20 ℃、50 年、97.5％置信下限的管材長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度大于8.0 MPa，因此，確定K44-08-122為PE80級(jí)。

表2　K44-08-122的性能指標(biāo)Tab.2 Performance index of K44-08-122

2.2 DSC分析

一般情況下，試樣熔融溫度高，分子鏈的對(duì)稱(chēng)性和規(guī)整性好，剛性較高；結(jié)晶溫度高，說(shuō)明在注塑制品過(guò)程中，試樣可以在較高溫度條件下結(jié)晶，加工時(shí)制品的成型速率會(huì)有所提高。從圖1可以看出：K44-08-122的結(jié)晶溫度高于參比試樣，說(shuō)明K44-08-122的分子鏈段活動(dòng)性好，結(jié)晶速率快，能夠使結(jié)晶過(guò)程充分發(fā)展，提高制品的成型速率。從圖1還可以看出：K44-08-122的熔融溫度低于參比試樣，即加工K44-08-122時(shí)所需要的溫度較低，從而有利于減少加工過(guò)程中的能耗，節(jié)約成本。

圖1　K44-08-122與參比試樣的 DSC曲線Fig.1 DSC curves of K44-08-122 and contrast sample

2.3 GPC分析

聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)其加工性能（流變情況）及宏觀力學(xué)性能有直接或間接的影響［2］。聚合物中高相對(duì)分子質(zhì)量部分可使其具有較好的耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性能、耐慢速裂紋增長(zhǎng)性能、抗蠕變性能；低相對(duì)分子質(zhì)量部分可以有效降低其在高剪切速率下的熔融黏度，改善加工流動(dòng)性能。從表3可以看出：與參比試樣相比，K44-08-122的重均分子量（Mw）和Z均分子量（Mz）均較高，相對(duì)分子質(zhì)量分布較寬。這說(shuō)明K44-08-122既有優(yōu)良的力學(xué)性能，又有良好的加工性能，綜合性能良好。

表3　K44-08-122與參比試樣的GPC數(shù)據(jù)Tab.3 GPC data of K44-08-122 and contrast sample

2.4 毛細(xì)管流變性能

從圖2可以看出：在同一溫度條件下，K44-08-122與參比試樣的剪切黏度（ηa）均隨著剪切速率（γ）的增大而減小，屬于切力變稀的假塑性流體，符合冪率流體方程。從圖2還可以看出：參比試樣的ηa對(duì)溫度、γ的變化更為敏感，溫度為190，230 ℃時(shí)，參比試樣的流變曲線均在高γ下終止，而K44-08-122僅在溫度提高至230 ℃時(shí)，毛細(xì)管流變曲線才在高γ下終止。這是因?yàn)槲锪铣霈F(xiàn)了不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，K44-08-122的加工性能更為優(yōu)異，可以有效避免由于擠出速度過(guò)快出現(xiàn)的物料輸送不穩(wěn)、熔體破裂等現(xiàn)象，從而保證管材質(zhì)量。

圖2　K44-08-122與參比試樣在不同溫度條件下的毛細(xì)管流變曲線Fig.2 Capillary rheological curves of K44-08-122 and contrast sample at different temperatures

2.5 飲用水管檢測(cè)

委托中國(guó)疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所，按照《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護(hù)材料的安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 17219—1998）附件A“飲用水輸配水設(shè)備衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法”對(duì)K44-08-122的鐵、錳、氟化物含量等理化指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，所測(cè)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　K44-08-122浸泡水水質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Soaking water quality inspection results of K44-08-122

3 結(jié)論

a）K44-08-122具有優(yōu)異的抗氧化性能和韌性。

b）與參比試樣相比，K44-08-122的Mw和Mz均較高，相對(duì)分子質(zhì)量分布較寬，因此，具有較好的加工性能和力學(xué)性能。

c）K44-08-122的結(jié)晶速率較快，結(jié)晶較為充分，可以提高制品的成型速率。熔融溫度較低，有利于減少加工過(guò)程中的能耗，節(jié)約成本。

d）K44-08-122的ηa隨著γ的增大而減小，屬于切力變稀的假塑性流體，符合冪率流體方程。

e）K44-08-122符合GB/T 17219—1998的要求并通過(guò)了PE80級(jí)管材認(rèn)證。

4 參考文獻(xiàn)

[1]曹勝先，孟凡瑞，郭仕蓮.雙峰PE80級(jí)管材專(zhuān)用樹(shù)脂的開(kāi)發(fā)[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2005，12（5）：25-27.

[2]喬彤森.聚乙烯結(jié)構(gòu)與性能研究及質(zhì)量改進(jìn)[D]. 蘭州：蘭州大學(xué)，2008.

Properties of HDPE special resin for tubing

Zhang Na
（Research Institute of Tianjin Branch，SINOPEC，Tianjin 300270，China）

Abstract：This paper describes the differences between K44-08-122 and domestic similar special resin for tubing in terms of capillary rheological curve，crystallization，mechanical properties，molecular weight and distribution. The results show that elongation at break of K44-08-122 reaches 616％，its simply supported beam notched impact strength and toughness are higher than that of contrast sample. Oxidation induction time of K44-08-122 is 80.7 minutes，which is far greater than 34.0 minutes of contrast sample. The crystal temperature of K44-08-122 is high while the melting temperature is lower； it has good mechanical properties and processing performance. It meets the requirements of GB/T 17219—1998，passes the certification of pipe PE80 grade，which meets the requirements of PE80 pipes.

Keywords：high density polyethylene； special resin for tubing； mechanical property； impact strength；capilary rheological property

作者簡(jiǎn)介：張娜，女，1985年生，2011年畢業(yè)于天津科技大學(xué)材料加工工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事聚烯烴樹(shù)脂合成、應(yīng)用研究及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作。聯(lián)系電話(huà)：（022）63804046；E-mail：xhy226@126.com。

收稿日期：2015-09-28；修回日期： 2015-12-27。

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 325.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1002-1396（2016）02-0067-04