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

中國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

隨著國家對水污染的加快治理，對城市排水設施的投資迅速增長，通過市場走訪調研發現，未來20年，我國將進入排水管網建設的高頻期，為塑料埋地排水管業務發展創造了空前機遇，同時也對埋地排水管的產品質量提出了更高要求。

聚丙烯波紋管剛柔兼備，具有足夠的力學性和剛性，兼備優異的柔韌性，管壁可做到更薄，同時具有耐化學腐蝕性強、安裝方便和密封性好等優點，是目前在用的高密度聚乙烯埋地排水管的優質替代產品[1-5]。

筆者對兩種市場應用較好的聚丙烯波紋管專用料進行了性能對比分析，通過紅外、核磁、GPC等表征手段剖析了結構，確定了產品微觀具體要求。通過對聚丙烯波紋管材專用料的結構和性能分析，旨在為今后埋地用聚丙烯波紋管材專用料的生產和應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料及儀器

聚丙烯粒料1#、2#，分別來自Basell公司、博祿化工公司。

GPC150CV型凝膠滲透色譜儀測量，美國沃特斯公司公司；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 分析測試

1)GPC分析

用美國沃特斯公司公司的GPC150CV型凝膠滲透色譜儀測量，用3根PLgel 10 μm MIXED-B柱子，以1,2,4-三氯代苯為流動相，測量溫度為150 ℃，流速為1.0 mL/min，試樣質量濃度為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)用于紅外測試。采用FTIR紅外光譜儀器(GX-2000)分析樣品的組成，測試范圍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 ℃下測試以六甲基二硅醚作內標。900脈沖角，采樣時間0.8 s，脈沖延遲時間5 s。

4)DSC測試

在N2保護下，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 結果與討論

2.1 不同波紋管專用料物性對比分析

對不同聚丙烯波紋管專用料進行了各項物性測試，結果見表1。

表1 產品物性分析

從表1可以看出，兩個牌號對標產品的力學性能都非常優異。彎曲模量都大于1 000 MPa。沖擊強度都大于80 kJ/m2，其中聚丙烯1#的沖擊強度達到了94 kJ/m2。兩種材料在用于排水管時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省原材料。

2.2 不同波紋管專用料結構表征

2.2.1 GPC分析測試

對聚丙烯波紋管專用料進行了相對分子質量及相對分子質量分布測試，結果見表2。

表2 產品相對分子質量及相對分子質量分布

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

2.2.2 紅外分析測試

通過GX-2000傅立葉紅外光譜儀，對兩種聚丙烯波紋管專用料進行了紅外分析，結果見圖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，兩個牌號產品在1 167，997，895，840 cm-1等處都出現了一系列尖銳的中等強度的吸收峰，這些吸收峰與聚丙烯分子鏈的螺旋狀排列結構有關，是等規聚丙烯的結構特征[6-10]。

均聚聚丙烯和共聚聚丙烯之間最主要的區別表現在740～700 cm-1區間[8-9]。均聚聚丙烯在該區間沒有吸收峰，而共聚PP在上述區間出現吸收峰，并且隨共聚類型不同吸收峰位置有所差別[10]。乙丙無規共聚聚丙烯在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。因此分析兩種產品為嵌段共聚聚丙烯。

2.2.3 NMR分析測試

通過13C-NMR核磁對聚丙烯波紋管專用料進行結構分析，分析結果見圖3～圖4。并根據核磁譜圖對聚丙烯序列結構進行計算，結果見表3。

圖3 1#核磁譜圖

圖4 2#核磁譜圖

從表3看出，1#和2#的乙烯摩爾分數分別為9.00%和6.95%，通過計算，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度。

表3 產品序列分布

2.2.4 DSC分析測試

通過Perkin-Elmer公司的Pxris L型示差掃描量熱儀對各種聚丙烯波紋管專用料進行了測試分析，具體見圖5～圖6。

圖5 結晶曲線

圖6 熔融曲線

從圖5～圖6可以看出，兩個產品的結晶溫度都高于120 ℃，2#的結晶溫度達到129.3 ℃，兩個產品的熔點都大于160 ℃。通過計算，2#的結晶度為38.07%，1#的結晶度為34.34%。兩種專用料都具有較高的結晶溫度，當聚合物在較高的溫度下結晶時，分子鏈活動能力強，形成的結晶比較完善，完善程度差別也小，有利于聚合物物性的改善。2#的結晶度高于1#，因此具有更好的剛性，彎曲模量略大于1#。

3 結論

1)對兩種專用料進行了剖析，兩個產品的力學性能都非常優異。彎曲模量都大于1 000 MPa，其中2#的彎曲模量達到了1 266 MPa。

2)兩種牌號產品的相對分子質量都在60×104，且相對分子質量分布較寬，具有良好的加工性能。2#中乙烯質量分數為4.74%，1#中乙烯質量分數為5.45%。

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