管材專用HDPE樹脂的性能

張 娜

（中國石油化工股份有限公司天津分公司研究院，天津市 300270）

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管材專用HDPE樹脂的性能

張 娜

（中國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級管材專用高密度聚乙烯K44-08-122與國產同類產品在力學性能、相對分子質量及其分布、毛細管流變性能、結晶性能等方面的差異。結果表明：與參比試樣相比，K44-08-122的斷裂拉伸應變達616％，簡支梁缺口沖擊強度較高，韌性較好；K44-08-122的氧化誘導時間為80.7 min，遠大于參比試樣的34.0 min，而且具有良好的力學性能和加工性能； K44-08-122的結晶溫度較高，熔融溫度較低；K44-08-122滿足GB/T 17219—1998的要求，通過了PE80級管材分級認證，各項性能達到PE80級管材要求。

關鍵詞：高密度聚乙烯 管材專用樹脂 力學性能 沖擊強度 毛細管流變性能

高密度聚乙烯（HDPE）是一種結晶度高、非極性的熱塑性樹脂，具有優良的特性（如防水，介電強度高等）廣泛應用于包裝、管材等領域。《供水用聚乙烯管材規范》（ISO 4427：1996）根據管材長期強度把聚乙烯（PE）分為PE32，PE40，PE63，PE80，PE100等不同等級［1］。近年來，隨著對飲用水安全及環保意識的提高，PE管材以其質量輕、耐腐蝕、節約能源等特點，已廣泛用于燃氣輸送、給水、排水以及化工等領域，管材應用領域的擴大對合成樹脂提出了更高的要求［1］。中沙（天津）石化有限公司生產的管材專用HDPE K44-08-122在保證了一定強度的同時，通過了“飲用水輸配水設備衛生標準檢驗方法”對鐵、錳、氟化物等22項理化指標的檢測和國家權威機構的PE80等級認證，達到給水用管材的標準。

1 實驗部分

1.1 主要原料

HDPE：K44-08-122，中沙（天津）石化有限公司生產；國產PE80級管材專用樹脂（記作參比試樣），市售。

1.2 主要儀器及設備

XJU-22型簡支梁沖擊強度測試儀，承德金建檢測儀器有限公司生產；PL-GPC 220型高溫凝膠滲透色譜儀，美國Polymer Laboratory公司生產；CMT4503型微機控制電子萬能試驗機，深圳市新三思材料檢測有限公司生產。

1.3 性能測試

簡支梁缺口沖擊強度按GB/T 1043.1—2008測試；力學性能按GB/T 1040.2—2006測試。毛細管流變性能用英國馬爾文儀器公司生產的Rosand RH7型毛細管流變儀測試，測試溫度分別為190，210，230 ℃。凝膠滲透色譜（GPC）測試：溶劑及流動相均為1,2,4-三氯苯，含體積分數為0.025％的抗氧劑2,6-二丁基對甲酚，柱溫為150 ℃，流速為1.0 mL/min，窄分布聚苯乙烯為標樣。差示掃描量熱法（DSC）分析：氮氣氣氛，先將試樣以10 ℃/ 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的氧化誘導時間明顯高于參比試樣，抗氧化性能較好；K44-08-122的韌性優于參比試樣而剛性反之，主要表現為K44-08-122的斷裂拉伸應變、沖擊強度較高；參比試樣的熔體流動速率（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的各項性能指標符合GB/T 13663—2000及ISO 4427-1：2007的要求。其中，縱向回縮率、揮發分含量、水含量均較低，斷裂拉伸應變、氧化誘導時間均優于標準要求，說明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通過了PE80級規定條件下的靜液壓測試。按照GB/T 18252—2008“塑料管道系統用外推法確定熱塑性塑料材料以管材形式的長期靜液壓強度”評價，20 ℃、50 年、97.5％置信下限的管材長期靜液壓強度大于8.0 MPa，因此，確定K44-08-122為PE80級。

表2　K44-08-122的性能指標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，分子鏈的對稱性和規整性好，剛性較高；結晶溫度高，說明在注塑制品過程中，試樣可以在較高溫度條件下結晶，加工時制品的成型速率會有所提高。從圖1可以看出：K44-08-122的結晶溫度高于參比試樣，說明K44-08-122的分子鏈段活動性好，結晶速率快，能夠使結晶過程充分發展，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時所需要的溫度較低，從而有利于減少加工過程中的能耗，節約成本。

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

聚合物的相對分子質量對其加工性能（流變情況）及宏觀力學性能有直接或間接的影響［2］。聚合物中高相對分子質量部分可使其具有較好的耐環境應力開裂性能、耐慢速裂紋增長性能、抗蠕變性能；低相對分子質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，相對分子質量分布較寬。這說明K44-08-122既有優良的力學性能，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數據Tab.3 GPC data of K44-08-122 and contrast sample

2.4 毛細管流變性能

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對溫度、γ的變化更為敏感，溫度為190，230 ℃時，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，毛細管流變曲線才在高γ下終止。這是因為物料出現了不穩定流動現象。因此，在生產過程中，K44-08-122的加工性能更為優異，可以有效避免由于擠出速度過快出現的物料輸送不穩、熔體破裂等現象，從而保證管材質量。

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

2.5 飲用水管檢測

委托中國疾病預防控制中心環境與健康相關產品安全所，按照《生活飲用水輸配水設備及防護材料的安全性評價標準》（GB/T 17219—1998）附件A“飲用水輸配水設備衛生標準檢驗方法”對K44-08-122的鐵、錳、氟化物含量等理化指標進行了檢測，所測指標均符合標準要求，測試結果見表4。

表4　K44-08-122浸泡水水質檢驗結果Tab.4 Soaking water quality inspection results of K44-08-122

3 結論

a）K44-08-122具有優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，相對分子質量分布較寬，因此，具有較好的加工性能和力學性能。

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

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的要求并通過了PE80級管材認證。

4 參考文獻

[1]曹勝先，孟凡瑞，郭仕蓮.雙峰PE80級管材專用樹脂的開發[J].現代塑料加工應用，2005，12（5）：25-27.

[2]喬彤森.聚乙烯結構與性能研究及質量改進[D]. 蘭州：蘭州大學，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

作者簡介：張娜，女，1985年生，2011年畢業于天津科技大學材料加工工程專業，現從事聚烯烴樹脂合成、應用研究及新產品的開發工作。聯系電話：（022）63804046；E-mail：xhy226@126.com。

收稿日期：2015-09-28；修回日期： 2015-12-27。

中圖分類號：TQ 325.1+2

文獻標識碼：B

文章編號：1002-1396（2016）02-0067-04