低溫對聚乙烯材料性能影響的研究

覃巍巍

摘 要：聚乙烯護套其本身優良的耐酸堿性及拉伸性能，在橋梁拉索護套上廣泛運用。橋梁用聚乙烯護套存在韌性低、環境應力開裂性能差等問題，文章針對聚乙烯材料護套低溫環境下的應力變化開展調查研究，從拉伸屈服強度、沖擊韌性和應力方面開展調查研究，提出采用新型材料代替現有技術，通過超高分子量及共混改性等特性為解決聚乙烯護套低溫脆裂的提供解決方案。

關鍵詞：聚乙烯護套；超低溫；應力開裂

前言

聚乙烯護套為惰性材料，具有優良的耐酸、堿、有機溶劑等特性，除少數強氧化劑外，可耐多種化學介質的侵蝕，無電化學腐蝕。可以連續成型，在橋梁索體表面形成密實的連續防護層，具有較高表面硬度、剛性和拉伸強度。但聚乙烯護套也存在著韌性低、環境應力開裂性能差等問題，尤其是在低溫環境下，容易出現脆裂的現象。

1 聚乙烯材料拉伸屈服強度隨溫度變化

多數聚乙烯材料的環境應力開裂是一種脆性斷裂現象，非化學變化。斷裂時聚乙烯材料未發生塑性變形的過程，沒有明顯的伸長或頸縮現象，表面呈現出現碎片狀。低溫易導致材料變硬、變脆、柔韌性降低或消失，在低溫狀態下，聚乙烯材料的拉伸強度、伸長率、沖擊強度和彎曲強度有明顯的變化，根據實際的試驗測試可得出以下結論：

（1）聚乙烯材料隨溫度的降低，拉伸強度和彎曲強度逐漸增強。

（2）聚乙烯材料隨溫度的降低，伸長率和沖擊強度逐漸減弱。

根據天津市管道工程集團有限公司保溫管廠趙敬云的研究，聚乙烯材料拉伸屈服強度隨溫度的變化趨勢有顯著的特征。在不同的溫度環境下，聚乙烯材料對應的拉伸屈服強度和斷裂伸長率變化情況呈現截然不同的變化趨勢，實際的變化如圖1、圖2所示[1]。

關于聚乙烯材料的拉伸屈服強度的變化趨勢：

（1）在環境溫度為-40～-30℃區間，隨著溫度的逐漸升高，聚乙烯的拉伸屈服強度降低較快，溫度升高1℃，其對應的拉伸屈服強度減少0.5MPa。

（2）在環境溫度為-30～0℃區間，隨著溫度的逐漸升高，聚乙烯的拉伸屈服強度的趨勢逐漸減緩，溫度升高1℃，其對應的拉伸屈服強度減少0.4MPa。

（3）在環境溫度為0～25℃區間，隨著溫度的逐漸升高，聚乙烯的拉伸屈服強度無明顯的變化，基本保持在25MPa的強度范圍。

（4）在環境溫度為25～50℃區間，隨著溫度的逐漸升高，聚乙烯的拉伸屈服強度呈現出線性關系，溫度升高1℃，其對應的拉伸屈服強度減少0.5MPa。

根據變化的趨勢和溫度的區間可以得出結論，在低溫（0℃）以下，聚乙烯的拉伸屈服強度有顯著提高，可隨溫度的降低而增大。

對于聚乙烯材料來說，斷裂伸長率是聚乙烯材料老化的一個極為重要的性能指標。由圖2的斷裂伸長率的趨勢圖可以得出結論：當聚乙烯材料達到屈服時，其斷裂伸長率隨溫度的升高而增大，隨溫度降低而減小，而且溫度越高增幅越大。

2 溫度對聚乙烯材料耐沖擊韌性能研究

在低溫狀態時，對拉索護套聚乙烯材料帶應力狀態的特殊工況的研究是驗證聚乙烯的機械性能的有效途徑。當拉索護套聚乙烯材料存在空隙、材質不均等特性時，聚乙烯的機械性能將低于正常的狀態，在外力或者應力變化較大的時候，對聚乙烯材料本身不足的前提下，可加速其被破壞速率，降低其使用壽命。

由西華大學材料科學與工程學院王苓教授等做的試驗研究表明，溫度對聚乙烯材料沖擊韌性的影響[2]。

從圖3可以得出結論：

（1）隨著溫度的逐漸上升，沖擊力和沖擊力-位移的面積逐步的增大。

（2）在23℃的常溫環境下，沖擊力在峰值后的衰減速率較大。

聚乙烯護套材料沖擊強度與溫度變化見圖4。由溫度曲線可以得出結論：（1）聚乙烯材料隨著溫度的升高沖擊強度逐漸增加。（2）在23℃的常溫環境下，沖擊強度達到35KJ/m2，而低溫狀態下沖擊強度只有11KJ/m2。

根據實際的試驗過程，結合對聚乙烯材料沖擊斷面的顯微鏡觀察，可得出結論，對于聚乙烯材料而言，斷面剪切唇區越小，粗糙區越大，則材料越脆，反之則材料的塑性和韌性較好。室溫23℃時裂紋擴展所需的最大沖擊力、抗沖擊強度都較低溫時要大，通過沖擊斷面的SEM觀察，較好地說明了聚乙烯材料屈服變形產生的能量大于脆性斷裂產生的能量。因此在低溫環境下脆性斷裂是導致聚乙烯護套開裂的主要原因。

3 低溫對聚乙烯護套內應力的影響

在我國東北部地區環境因素的影響主要指溫度和日照的影響。冬季夜間或陰雨天氣時環境溫度可低至-30℃。白天日照強烈，日照對聚乙烯護套表面溫度的影響較大。當聚乙烯護套為黑色、橘色等較深顏色時，具有較強的吸熱能力，聚乙烯護套向陽側與背陽側的溫差高達50～60℃。聚乙烯護套各位置溫差變化存在差異且交替進行，每天為一個周期，相當于凍融循環。長期的凍融循環勢必導致聚乙烯外護管發生疲勞斷裂。

根據中鐵大橋鄭州纜索有限公司馬素娟等人的研究[3]。纜索用的聚乙烯護套在220℃時熔融溫度擠出的聚乙烯護套都會產生內應力，根據實際的生產加工經驗，生產1米的橋梁用聚乙烯護套管，在室內環境為21℃的無應力狀態，其長度約為0.979米。在拉索卷盤存儲和運輸過程中聚乙烯護套存在較大的內應力，同時在卷盤和實際使用過程中，隨溫度的降低其內應力會隨之升高，如表1

從試驗數據可得出如下結論：在-30～-10℃的低溫狀態下，橋梁用聚乙烯護套的平均應力達10MPa，溫度變形量較大，局部應力過大，存在安全隱患（注：聚乙烯護套的局部應力很容易超出極限強度（CJ/T 297-2008《橋梁纜索用高密度聚乙烯護套料》標準規定拉伸屈服應力≥15MPa發生斷裂）。

4 低溫環境中聚乙烯護套存在的問題

通過以上的研究可以發現，對于我國北方冬季最低氣溫低于-30℃的嚴寒地區，低溫環境中聚乙烯的拉伸屈服強度雖然有所提高，但其斷裂伸長率和沖擊韌性卻隨之下降。在拉索內應力隨溫度的變化較小，低溫雖然對纜索的正常使用影響不大，但早晚天氣的溫差變化過大，同樣加速橋梁用聚乙烯護套管的熱脹冷縮的變形幅度，進一步加速聚乙烯材料的老化速率。在卷盤狀態下，彎曲變形和低溫回縮使得聚乙烯護套內應力升高，因此存在一定的脆裂可能性，尤其是在低溫環境下進行纜索安裝時應特別引起重視，因為放盤過程與卷盤過程一樣，如操作不當，易造成彎曲半徑過小，使聚乙烯護套局部變形可能達到平均變形的數倍，更容易造成聚乙烯護套的脆裂。

5 低溫環境中新型材料的設想

5.1 超高分子量聚乙烯

超高分子量聚乙烯是一種韌性極好的材料，它的耐低溫性能非常優異，綜合性能優越，該材料可在-269℃～+80℃的條件下工作[4]。根據實際測量的數據顯示，超高分子量聚乙烯是由分子量150萬以上的無支鏈的線性聚乙烯組成，當材料中的聚乙烯分子量超過50萬時，脆化溫度可降至-140℃。其耐沖擊性、耐磨性在低溫時基本不變，即使在-269℃低溫下，仍具有一定的延展性，而沒有脆裂跡象。是目前唯一可以在接近絕對零度的溫度下工作的一種工程塑料。具有超強的耐磨性、自潤滑性，強度比較高、化學性質穩定、抗老化性能強，吸收沖擊性能優異等特點。

5.2 共混改性

為提高聚乙烯護套的耐低溫性能，延長使用壽命，采用共混改性的方法是簡便可行的。驗證聚乙烯的耐低溫性能可通過脆化溫度進行衡量，其脆化溫度的數值越低，表明該材料的耐低溫性能越好。聚乙烯材料的脆化溫度一般在-60℃，在低溫尤其是我國北方冬季使用時容易出現脆裂。中國石化齊魯股份有限公司龐海萍[5]等經過試驗研究發現，在高密聚乙烯（HDPE）中加入線型低密度聚乙烯（LLDPE）后，高密聚乙烯（HDPE）耐低溫性能將有所改善。以不同的比例共混，其各自物理性能見表2。

從表2中可得出結論：

（1）在HDPE中加入LLDPE的比例越高，可提升HDPE的低溫沖擊強度和斷裂伸長率。

（2）添加混合比在8%以上時，脆化溫度直接降至-88℃以下，結論（1）中的低溫沖擊強度和斷裂伸長率均有較高的提升。

采用超高分子量聚乙烯材料或通過高密度聚乙烯的共混改性，或許能為解決纜索聚乙烯護套低溫脆裂的問題提供一個方案。但目前超高分子量聚乙烯在橋梁纜索護套中尚無應用，其是否滿足現有生產工藝，防腐性能是否滿足橋梁拉索設計要求，還有待于進一步研究和試驗論證。對于高密度聚乙烯的共混改性研究，建議通過與相關的科研單位或高校合作，以完善該方面開發研究。

參考文獻

[1]趙敬云.預制直埋式保溫管低溫下的性能變化研究[J].管道技術與設備，2004.3：22-23.

[2]王苓，郝洪波.溫度對HDPE斷裂形態與沖擊韌性的影響[J].西華大學學報，2010，3，29（2）：65-68.

[3]馬素娟，張士軒.天興州長江大橋纜索制造和低溫卷盤研究[J].中國橋梁，2010，6：16-18.

[4]化百南.超高分子量聚乙烯的特性及其應用[J].四川化工，2004，1（7）：27-29.

[5]龐海萍，劉同云.用共混方法提高注塑級HDPE的耐低溫性能[J].廣州化工，2003，36（1）：51-53.