管材专用HDPE树脂的性能

张 娜

（中国石油化工股份有限公司天津分公司研究院，天津市 300270）



管材专用HDPE树脂的性能

张 娜

（中国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级管材专用高密度聚乙烯K44-08-122与国产同类产品在力学性能、相对分子质量及其分布、毛细管流变性能、结晶性能等方面的差异。结果表明：与参比试样相比，K44-08-122的断裂拉伸应变达616％，简支梁缺口冲击强度较高，韧性较好；K44-08-122的氧化诱导时间为80.7 min，远大于参比试样的34.0 min，而且具有良好的力学性能和加工性能； K44-08-122的结晶温度较高，熔融温度较低；K44-08-122满足GB/T 17219—1998的要求，通过了PE80级管材分级认证，各项性能达到PE80级管材要求。

关键词：高密度聚乙烯 管材专用树脂 力学性能 冲击强度 毛细管流变性能

高密度聚乙烯（HDPE）是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂，具有优良的特性（如防水，介电强度高等）广泛应用于包装、管材等领域。《供水用聚乙烯管材规范》（ISO 4427：1996）根据管材长期强度把聚乙烯（PE）分为PE32，PE40，PE63，PE80，PE100等不同等级［1］。近年来，随着对饮用水安全及环保意识的提高，PE管材以其质量轻、耐腐蚀、节约能源等特点，已广泛用于燃气输送、给水、排水以及化工等领域，管材应用领域的扩大对合成树脂提出了更高的要求［1］。中沙（天津）石化有限公司生产的管材专用HDPE K44-08-122在保证了一定强度的同时，通过了“饮用水输配水设备卫生标准检验方法”对铁、锰、氟化物等22项理化指标的检测和国家权威机构的PE80等级认证，达到给水用管材的标准。

1 实验部分

1.1 主要原料

HDPE：K44-08-122，中沙（天津）石化有限公司生产；国产PE80级管材专用树脂（记作参比试样），市售。

1.2 主要仪器及设备

XJU-22型简支梁冲击强度测试仪，承德金建检测仪器有限公司生产；PL-GPC 220型高温凝胶渗透色谱仪，美国Polymer Laboratory公司生产；CMT4503型微机控制电子万能试验机，深圳市新三思材料检测有限公司生产。

1.3 性能测试

简支梁缺口冲击强度按GB/T 1043.1—2008测试；力学性能按GB/T 1040.2—2006测试。毛细管流变性能用英国马尔文仪器公司生产的Rosand RH7型毛细管流变仪测试，测试温度分别为190，210，230 ℃。凝胶渗透色谱（GPC）测试：溶剂及流动相均为1,2,4-三氯苯，含体积分数为0.025％的抗氧剂2,6-二丁基对甲酚，柱温为150 ℃，流速为1.0 mL/min，窄分布聚苯乙烯为标样。差示扫描量热法（DSC）分析：氮气气氛，先将试样以10 ℃/ min升至160 ℃并保温消除热历史，然后降至0 ℃，再以10 ℃/min升至160 ℃。

2 结果与讨论

2.1 K44-08-122的基本性能

从表1可看出：K44-08-122的氧化诱导时间明显高于参比试样，抗氧化性能较好；K44-08-122的韧性优于参比试样而刚性反之，主要表现为K44-08-122的断裂拉伸应变、冲击强度较高；参比试样的熔体流动速率（MFR）为0.51 g/10 min，而K44-08-122的MFR为0.42 g/10 min，因此，K44-08-122的加工流动性稍差于参比试样。

表1　K44-08-122与参比试样的基本性能Tab.1 Performance parameters of K44-08-122 and contrast sample

从表2可看出：K44-08-122的各项性能指标符合GB/T 13663—2000及ISO 4427-1：2007的要求。其中，纵向回缩率、挥发分含量、水含量均较低，断裂拉伸应变、氧化诱导时间均优于标准要求，说明K44-08-122具有较好的韧性及抗老化性能。从表2还可看出：K44-08-122通过了PE80级规定条件下的静液压测试。按照GB/T 18252—2008“塑料管道系统用外推法确定热塑性塑料材料以管材形式的长期静液压强度”评价，20 ℃、50 年、97.5％置信下限的管材长期静液压强度大于8.0 MPa，因此，确定K44-08-122为PE80级。

表2　K44-08-122的性能指标Tab.2 Performance index of K44-08-122

2.2 DSC分析

一般情况下，试样熔融温度高，分子链的对称性和规整性好，刚性较高；结晶温度高，说明在注塑制品过程中，试样可以在较高温度条件下结晶，加工时制品的成型速率会有所提高。从图1可以看出：K44-08-122的结晶温度高于参比试样，说明K44-08-122的分子链段活动性好，结晶速率快，能够使结晶过程充分发展，提高制品的成型速率。从图1还可以看出：K44-08-122的熔融温度低于参比试样，即加工K44-08-122时所需要的温度较低，从而有利于减少加工过程中的能耗，节约成本。

图1　K44-08-122与参比试样的 DSC曲线Fig.1 DSC curves of K44-08-122 and contrast sample

2.3 GPC分析

聚合物的相对分子质量对其加工性能（流变情况）及宏观力学性能有直接或间接的影响［2］。聚合物中高相对分子质量部分可使其具有较好的耐环境应力开裂性能、耐慢速裂纹增长性能、抗蠕变性能；低相对分子质量部分可以有效降低其在高剪切速率下的熔融黏度，改善加工流动性能。从表3可以看出：与参比试样相比，K44-08-122的重均分子量（Mw）和Z均分子量（Mz）均较高，相对分子质量分布较宽。这说明K44-08-122既有优良的力学性能，又有良好的加工性能，综合性能良好。

表3　K44-08-122与参比试样的GPC数据Tab.3 GPC data of K44-08-122 and contrast sample

2.4 毛细管流变性能

从图2可以看出：在同一温度条件下，K44-08-122与参比试样的剪切黏度（ηa）均随着剪切速率（γ）的增大而减小，属于切力变稀的假塑性流体，符合幂率流体方程。从图2还可以看出：参比试样的ηa对温度、γ的变化更为敏感，温度为190，230 ℃时，参比试样的流变曲线均在高γ下终止，而K44-08-122仅在温度提高至230 ℃时，毛细管流变曲线才在高γ下终止。这是因为物料出现了不稳定流动现象。因此，在生产过程中，K44-08-122的加工性能更为优异，可以有效避免由于挤出速度过快出现的物料输送不稳、熔体破裂等现象，从而保证管材质量。

图2　K44-08-122与参比试样在不同温度条件下的毛细管流变曲线Fig.2 Capillary rheological curves of K44-08-122 and contrast sample at different temperatures

2.5 饮用水管检测

委托中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所，按照《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》（GB/T 17219—1998）附件A“饮用水输配水设备卫生标准检验方法”对K44-08-122的铁、锰、氟化物含量等理化指标进行了检测，所测指标均符合标准要求，测试结果见表4。

表4　K44-08-122浸泡水水质检验结果Tab.4 Soaking water quality inspection results of K44-08-122

3 结论

a）K44-08-122具有优异的抗氧化性能和韧性。

b）与参比试样相比，K44-08-122的Mw和Mz均较高，相对分子质量分布较宽，因此，具有较好的加工性能和力学性能。

c）K44-08-122的结晶速率较快，结晶较为充分，可以提高制品的成型速率。熔融温度较低，有利于减少加工过程中的能耗，节约成本。

d）K44-08-122的ηa随着γ的增大而减小，属于切力变稀的假塑性流体，符合幂率流体方程。

e）K44-08-122符合GB/T 17219—1998的要求并通过了PE80级管材认证。

4 参考文献

[1]曹胜先，孟凡瑞，郭仕莲.双峰PE80级管材专用树脂的开发[J].现代塑料加工应用，2005，12（5）：25-27.

[2]乔彤森.聚乙烯结构与性能研究及质量改进[D]. 兰州：兰州大学，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

作者简介：张娜，女，1985年生，2011年毕业于天津科技大学材料加工工程专业，现从事聚烯烃树脂合成、应用研究及新产品的开发工作。联系电话：（022）63804046；E-mail：xhy226@126.com。

收稿日期：2015-09-28；修回日期： 2015-12-27。

中图分类号：TQ 325.1+2

文献标识码：B

文章编号：1002-1396（2016）02-0067-04