PE管材耐环境应力开裂的影响因素及对策

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2024年6月16日发(作者：)

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ｌ８　工程塑料应用　ｌ螂年，第２６卷，第ｌｌ期　

ＰＥ管材耐环境应力开裂的影响因素及对策　

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１　Ｑ　／２　

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冯新书　

坶　

（北京雪花集团塑料厂ｌＯ￣Ｊ００）　

内窖提要介绍改善　Ｅ管材耐环境庄力开裂（ＥｓｃＲ　性能的意叉，讨论ＰＥ分子量度其分布、蛄晶度、分子链蛄　

构，以厦ＰＥ组合成分中发黑、抗氧荆、填充荆等对ＰＥ管材ＥｓｃＲ性能的影响和成型工艺竹管村ＥｓｃＲ性能的彭响。　

搬　

关键词　管

阿

ＰＥ　

材疃墨垄　丑　里（兰！　兰！　！生　豕　，秉　峙，　

目前国内生产使用的管材有ＰＶＣ硬管、ＰＶＣ芯　有关ＰＥ的环境应力开裂机理至今尚无统一理论。　

层发泡管、聚丙烯管、聚乙烯（ＰＥ）管（含高密度聚乙　

般认为ＰＥ制品ＥＳＣＲ性能最主要的外界因素是　

烯与低密度聚乙烯管）。聚乙烯管材具有质轻、管壁　应力作用　，如ＰＥ在成型过程中因热骤变在ＰＥ　

光滑、价格低、安装方便等特点，与ＰＶｃ硬管相比，　晶态和非晶态的相变边缘产生内应力，以及在使用　

具有耐冲击、无毒、可盘绕，以及低温性、耐磨性、耐　

过程中受到的应力作用，都会在球晶面及径向引起　

化学药品性良好等特点　因此ＰＥ管材被广泛用于　

开裂。另一个主要因素是某些环境介质的作用，如　

建筑用上下水管，农用排灌管、煤气管以及排污管，　

热、氧、溶剂及非溶剂物质的作用，降低ＰＥ表面能，　

是一种有发展前途的管材　

从而使裂纹扩大。　

ＰＥ管材除要求有较高的力学性能，优良的卷曲　

２　ＰＥ管材组分对ＥＳｃＲ性能的影响　

性和柔性，还要考虑耐环境应力开裂（ＥｓｃＲ）性能。　

２．１　ＰＥ树脂　Ｉ３　

实验和应用表明，ＰＥ是对环境应力开裂极为敏感的　

２．１．１分子量　

材料。ＰＥ管材的破坏大多数是由于管材在承受长　

般认为ＰＥ的分子量越大（熔体流动速率越　

期内压力情况下发生裂纹扩展造成的，它直接影响　小），分子链愈长，晶片问的系带分子数愈多，ＥｓｃＲ　

着管材的使用寿命。无论ＰＥ本身还是塑料管制作　性能愈好。因为ＰＥ的分子量越大，表面能就越大，　

过程中引起的任何变化，都会通过管材ＥＳＣＲ性能　

破裂强度也越大，所以ＥｓｃＲ性能也就越好，这是因　

的改变反映出来。因此，　性能是评定塑料管材　

为其分子链的运动困难，不易生成大的球晶和形成　

使用寿命的一项重要指标。ＰＥ管材在长期负荷作　

好的序态。表Ｉ为ＰＥ熔体流动速率与ＥｓｃＲ性能　

用下经～定时间后会出现应力开裂现象，并会导致　

的关系，可见熔体流动速率越小，也即分子量越大，　

管材破裂。如由于应力开裂，ＰＥ管材作为上下水管　

其ＥＳＣＲ性能越好　ｊ。　

会引起漏水，用作燃气管会引起漏气，后果严重，所　

裹１　ＰＥ蟪体亩ｔ动建奉与嘞性簟的关系　

以必须重视ＰＥ管材ＥＳＣＲ性能的改进。　

焙体漶动速率　－（ＩＯｎｉｆｎ）‘。　Ｅ姐Ｂｍ　

北京雪花电器集团塑料厂是华北地区生产聚烯　

０．１５　＞５００　

０．２Ｄ　＞５００　

烃管材的最大加工厂，北京亚太塑胶总公司已为北　

０．２４　４２５　

京市建筑工程研究院研制成功ＰＥ钢索护套料以及　

Ｏ．　ｌ４０　

０．４０　７０　

黑色电缆护套料。但所加工的产品均存在应力开裂　

注：ＦＳ０／ｈ为试样破损５０％的时问。　

问题，为此二单位共同对ＰＥ管材的耐环境应力开　

２．１．２分子量分布　

裂进行了研究，并取得可喜成果，使得产品性能得以　

分子量分布是影响ＥＳＣＲ性能的一个重要因　

提高。　

素，分子量分布直接反映了高聚物中大分子和小分　

ｌ　ＰＥ管ＥｓＣＲ性能的影响因素　

子的含量。大分子的含量多，晶片问的连接分子效　

ＰＥ管ＥＳｃＲ性能是指ＰＥ管在组合应力作用或　

与环境介质接触时，从表面开始产生脆性开裂现象。　

收蒜日期：１９９８－０５．２７　

厂可　■ｒ啊　

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陈祖敏，等：ＰＥ管材耐环境应力开裂的影响因索及对策　

就多，ＥＳＣＲ性能愈好，而小分子的含量多对ＥＳＣＲ　

性能是极为不利的。当分子量分布窄时，分子链长　

短较均匀，能生成均匀的微晶结构，低分子空隙区　

少，所以ＥＳＣＲ性能好。　

２．１．３密度和结晶度　

管材时，挤出机温度不宜过高，尤其在挤出机螺杆转　

速低时，物料在机筒内停留时间长，ＰＥ易受破坏，生　

产出的管材ＥｓｃＲ性能差　。高压ＰＥ与低压ＰＥ熔　

点不同，在挤出成型时温度控制也应不同。　

３．２冷却速度　

ＰＥ密度越大，结晶度越高，晶片问的系带分子　

数愈少，将导致ＥｓｃＲ性能下降。另一方面，结晶度　

愈高，晶粒问结合的密度大，环境介质不易渗透到无　

定形区而使系带分子不易解缠和松弛，有利于ＥＳＣＲ　

性能的提高。　

２．１．４分子链结构　

ＰＥ管材成型时，冷却速度将影响到结晶状态，　

所以应严格控制。当冷却能快速越过最佳的结晶温　

度时，管材表面就形成结晶度较低的聚集态，而中间　

层和内表层则因ＰＥ传热慢，致使在较高温度下停　

留时间延长，而获得晶核数量及生长速度较为有利　

的结晶层。所以，如果挤出温度适当低些，配合适宜　

的冷却速度，可使ＰＥ管材内部生成球晶细小且结　

晶度高的聚集态，对ＰＥ管材其它性能及ＥＳＣＲ性能　

均有利。　

３．３牵引速度　

当ＰＥ分子带有支链时能大大提高ＰＥ的ＥＳＣＲ　

性能。如在ＰＥ主链上引入弹性链段，这些弹性链　

段使ＰＥ大分子链具有很好的弯曲性，阻碍球晶和　

好的序态形成，因而比均聚物的ＥＳＣＲ性能好。　

Ｉ－ＩＤＰＥ树脂生产过程中加入１一丁烯，使Ｉ＇ＩＤＰＥ带有　

支链，能大大提高ＨＤＰＥ的ＥＳＣＲ性能。　

２．２　ＰＥ组合物成分　

在生产ＰＥ管材中，为了提高冲击强度加入少　

量改性剂；为提高耐老化性能加入炭黑及抗氧剂；为　

在生产ＰＥ管材时，牵引速度与挤出速度应协　

调，若牵引速度大于挤出速度，则ＰＥ分子链沿着牵　

引方向取向，在牵引力作用下，弹性还没回复就被冷　

却定型，易在轴线方向上产生裂纹。　

４提高ＰＥ管ＥＳＣＲ性能的办法　

为改善ＰＥ管ＥｓｃＲ性能，可采用多种方法，其　

中以ＰＥ共混改性最为简便有效。通过共混使第二　

组分存在于ＰＥ主体中，起到细化球晶、降低结晶度　

和阻止裂纹伸展的作用。常用的改性剂有ＬＩ．ＤＰＥ，　

ＧＰＥ，ＳＢＳ及ＥＶＡ。表２为不同改性剂对Ｉ－／ＤＰＥ的　

ＥＳＣＲ性能的影响，表明以ＥＶＡ的改性效果最佳。　

裹２　Ｉ－ＩＩ）ＰＥ／政性卉鼍共漶袖ＥＳＧＲ性艟　

Ｐ啦

ＨＤ彤

ＨＤ肼

了降低成本加入填料。这些助剂，也将对ＰＥ制品　

的ＥＳＣＲ性能产生影响　。　

２．２．１发黑　

纯ＰＥ的老化性能和日光暴晒性能均较差，为　

改善ＰＥ上述性能而要加入炭黑。试验表明，随着　

炭黑用量的增加，其制品ＥＳＣＲ性能下降。这是由　

于炭黑的加入，使ＰＥ分子之间的结合减弱，从而在　

外力及环境介质的作用下产生开裂。　

２．２．２抗氧荆　

ＦＳＯ／ｈ　

性剂　

０　

Ｕ．ＤＰＥ　

ＣＰＥ　

１５　

１５　

跋性剂用量（质量份）　

１０　

２４　

６７　

∞　

３０　

１９８　

３０　

３２　

４１４　

４０　

４２　

４２５　

为防止ＰＥ在高温加工和长期使用过程中由于　

氧的作用而引起降解、龟裂等，在ＰＥ中加入抗氧　

剂，以捕捉ＰＥ因受热作用而产生的自由基，以此来　

阻止ＰＥ分子链断裂，避免导致材料表面裂纹和产　

生开裂，从而提高ＰＥ管材的ＥＳＣＲ性能。一般Ｅｓ－　

ＣＲ性能随着抗氧剂用量的增加而提高。　

２．２．３填充荆　

ⅦＤＰＥ／ｓ舾　

｝Ⅲ　掘＿＾　

１５　

１５　

２３８　

船　

３２Ａ．　３２４　３３０　

）ｌ０。０　＞ｌｏ。０　＞ｌｏ。０　

注：ＩＫ）ｐＥ用量为ｌｔｌ０质量份；ＰＳＯ／ｈ表示破损达５０％的时间。　

ＰＥ管的ＥｓｃＲ性能随改性剂用量增加而提高。　

起始时提高速度快，当改性剂用量达３０份左右，继　

续增加改性剂用量对改善ＥＳＣＲ性能已无明显效　

果。　

加入填料，使ＰＥ分子间作用力减弱，并且由于　

其与ＰＥ形成的界面不完善及类似大球晶的应力集　

中作用，致使ＰＥ在外力及溶剂作用下易产生龟裂。　

使用填充母料则影响小些。　

研究表明　Ｊ，ＬＬＤＰＥ改善ＨＤＰＥ的ＥｓｃＲ性能主　

要是由于晶体结构和结晶度的变化，而ＣＰＥ，ＳＢＳ，　

ＥＶＡ与Ｉ－ＩＤＰＥ的共混物ＥＳＣＲ试样断面呈现错综复　

杂的网状结构，表现为典型的韧性断裂形态。这说　

明它们不仅改变了Ｉ＇ＩＤＰＥ的晶态，降低了结晶度，更　

重＝｜　的是增加了晶区间的连接，强化了无定形区域，　

３　ＰＥ管成型工艺对ＥｓＣＲ性能的影响ｌ２．４　Ｊ　

３．１挤出温度　

ＰＥ管通常采用挤出成型，一般认为在挤出ＰＥ　

１＿＿］ｉ＿Ⅲ■几Ⅷｒ一～　

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９　．　．－／７／９　

２０　工程塑料应用　

１９９８年，第２６卷，第１１期　

从而能有效阻止裂纹的发生和发展，使ＥＳＣＲ性能　度、牵引速度将对ＰＥ管材ＥｓｃＲ性能有很大影响。　

得到改善。　

（３）正确选择ＰＥ树脂牌号、分子量、分子量分　

般认为，降低结晶度，减小球晶尺寸有利于改　布、熔体流动速率、分子结构等将对ＰＥ管材性能产　

善ＥＳＣＲ性能。改性剂的加人使结晶度降低，且降　

生极大影响，而ＰＥ组合物成分的合理选配也关系　

低的幅度随改性剂用量的增加而增加。　

到嗽性能。　

ＥＶＡ是乙烯一乙酸乙烯酯共聚而成的无规共　

参考文献　

聚物，它具有良好的抗挠曲性、韧性及ＥＳＣＲ性能。　

１张亦华．ＬＤＰＥ电缆护套辩耐环境应力开裂的改进．塑料工业，　

ＥＶＡ改性剂随着ＶＡ含量的提高，ＬＤＰＥ制品ＥＳＣＲ　

１９８８（５）：４２　

２李华　邸既臂材的环境应力开裂性能及其改进．塑料技术，１９９６　

性能有明显改善，且ＰＥ管材性能随着ＥＶＡ中ＶＡ含　

（４）：２５　

量的增加，拉伸断裂强度与伸长率增加，拉伸屈服强　

３张丽叶，等．高密度ＰＥ　６３ＯＯＭ和２４８０的耐环境应力开裂性能研　

度则下降。　

究．合成树脂及塑料，１９９２（１）：３６　

非极性弹性体能使ＨＤＰＥ的ＥＳＣＲ性能提高，氯　

４凌绳．Ⅱ嗣　电缆护套配方中各组分对耐环境应力开裂性能的影　

丁橡胶、丁腈橡胶等极性弹性体也能有效地改善　

响．塑料．１９ｇ７（２）：６　

５胡先志．耐环境应力开裂的ＰＥ电缆料研制．现代塑料加工应用，　

ＥＳＣＲ性能　。　

１９９６（１）：２８　

５结论　

６赵长生，等邸既耐环境应力开裂性能研究及改进．现代塑料加　

（１）利用改性剂与ＰＥ共混改性方法，通过降低　

工应用，１９９６（１）：５０　

结晶度，强化无定形区，以改善ＰＥ管材的ＥＳＣＲ性　

７乐启发，等．ＰＥ耐环境应力开裂性能的改进．合成树脂及塑料．　

能是行之有效的方法，不同改性剂效果不同，以　

１９　（１）：∞　

８方征平，等．＾种弹性体对邸既共混物改性的研究．合戚橡胶工　

ＥＶＡ效果最好。　

业，ｌ９９２（５）：２９Ｏ　

（２）正确选择挤出工艺，控制挤出温度、冷却速　

咖　】Ｅ　ｉ（冠ＦＡＣ１０ＲＳ　ＯＮ　Ｅ９（　ＯＦ　Ｈ　Ｅ　ＡＮＤ　

Ｃｈｅｒｔ　Ｚｕ　，Ｌｅａｎ　舯ｍｉｌｌｇ　Ｆｅｎｇ］（ｉ　铲ｈＩＩ　

（￣ｉｊ１．ｇ　Ｙａｄａ　Ｈａ　∞Ｇ日瑚　ｃｏ　１０１１４９）　（Ｈａ　∞Ｆａｃｔｏｒｙ　ｅｌ＂Ｂ　ｉ　口枷　∞ＥＩ∞ｈ　Ａｐｐｌｉ哪血ｍ　Ｇｍ　ｌＣ￣６００）　

ＳＹ￣ＰＳＩＳ　Ｉｔ　ｉｓ＿帅ｐ０ｒｌ吕呲ｔＯ　ｔｈｅ　ｅＩ．　Ⅲ＿啪　ｓｔｌｅｍ－ｃｒａｃｋ　ｅｒｓｉｄｅｎｃｅ（ＥＳＯ￣）ｏｆＰＥ　ｐｉｐｅ．Ｔｈｅ　ｉｎｔｌｕｅ￣ｃｅ　０ｆ　ｄ　ＰＥ　ｍ０Ｉ＿　

ｗｅｉｇｌ１ｌ　ａｎｄｉｔｓ　ｄｉ啦　０Ｉｌ，ｔｈｅ　０ｆ　ｃｒｙｓｔａｍ．１ｔｙ，ｔｈｅ　ｓｈａｔｌＣ￣ｏｆｍ０Ｉ＿　ｃｈａｉｎ　ａｎｄｔｈｅ　ｏ０ｍＰ０　ｉｎ　ＰＥ　ｓｕｃｈ鹕ｃａｒｂｏｎ　ｂｌａｃｋ，ａｒｔ－　

６ｏｘｌｄａｎｔ　ａｎｄｆｌｌｌｅｍ，捆ｗｅｌｌ船ｔｈｅｍ０Ｉｌ１ｄｊｌ】ｇ　∞ｅ商　０ｆｔｈｅ　Ｐ；　ｏｎ琰　口Ｒｉｓ也蝴赫８ｅｄ．Ｍｅａｍｍｍｔｏｉｌ　驴　琰　口ｔｏｆＰＥｐｉｐｅ　ａｘｅ　ｐｕｔｆｏｒ－　

ｗａｒｄｉｎｔｈｉｓ　ｐｓ［１ｅｒ．　

ＫＥＹＶＣＯＲＤＳ　ＰＥ　Ｎｐｅ，ＥＳＣＲ，ｍｏｄｉｉｆｅｄ　ｐ］８￣Ｃ８　

、｛Ｊ我国塑机生产发展新动向７　一　

１９９７年，我国在注塑成型机方面总产量已达２万台以　

由手受国际塑机行　

上，居世界第一位，目前已经能够生产注射量为３ＯＯＯＯ　ｇ的注　

所未有的机　

｝，一方面割　

塑机，并且在控制水平、产品质量和外观造型等方面均取得　

欢ｌ质量和生产　；另一方面，　

显著改观。在挤塑成型方面，我国双螺杆挤出机的年生产　

识。此外，田户　

～蒸

能力可达∞００台左右，近年来已先后开发出三层共挤板　

能大量生产并　

（片）材成套生产线、ＰＶＣ结皮发泡（塞路卡）和自由发泡板材　

户自身减轻还贷负担　能促使我国塑料加工行　

成套生产线、ＰＶＣ芯层发泡管材成套生产线及多层吹塑薄膜　

机组。据了解．目前已有多家企业在开发塑铝复合管材成套　

３玻纤增强不饱和聚鹭管材连续缠绕生产线投　ｎ　

生产线，预计年内可完成，到时将填补国内塑机产品的一大　

从意大利引进的具有９０年代国际先进水平的玻纤增强＾　

空白。　

不饱和聚醇管材（ＧＲＰ管道）连续齄绕生产线，日前在河南安　

中垂成型机组外，１９９７年开发成功的两步法“注一拉一　

阳建成投产　该生产线年产Ｏ２５Ｏ～Ｏ２６ＯＯⅢＧＰ，Ｐ管道１２．５　

”机型，现已投放市场，其价格只相当于国外同类机型的　

万ｍ。ＧＰ，Ｐ管道与传统的液体输送管道相比，不仅耐磨损、　

／３～１／４，并已具备制造复合吹塑制品生产设备、非对称吹塑　

耐腐蚀、抗老化、耐高低温、使用寿命长，而且易运输、易安　

目品生产设备和２ＯＯ０　Ｌ以上的超大型吹塑制品生产设备的　

装、安全卫生、工程造价低等。可广泛用于水刺、电力、化工、　

日力。在其它机械方面，如二次加工机械　热成型扭熊　

林业、市政建设等领域。　（改性）　

１－．　ＴＩ■ｒｍｒ　

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