压力管材专用HDPE的结构与性能

张 威，张 娜

压力管材专用HDPE的结构与性能

张 威，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）

采用差示扫描量热仪、凝胶渗透色谱仪、毛细管流变仪等研究了压力管材专用高密度聚乙烯（HDPE）K44-08-122的结构与性能。结果表明：HDPE K44-08-122的加工性能良好、氧化诱导时间长、相对分子质量分布宽、抗裂纹扩展能力强；用K44-08-122制备的压力管材在环应力9.0 MPa，20 ℃，100 h和环应力4.6 MPa，80 ℃，165 h以及环应力4.0 MPa，80 ℃，1 000 h情况下均不破裂、不渗透；K44-08-122的综合性能优异并通过GB/T 17219—1998的检测，满足生活饮用水管的要求。

高密度聚乙烯 给水管 静液压强度 结构

聚乙烯（PE）凭借其优异的长期使用性能和良好的加工性能，一直作为燃气管、给水管等中高档管材的首选材料。《供水用聚乙烯管材规范》（ISO 4427：1996）根据管材长期强度把PE分为PE32，PE40，PE63，PE80，PE100等不同等级。我国管材专用PE的发展相对滞后，大多靠引进技术生产[1]。给水管和燃气管的快速发展和转型升级，使用户对压力管材专用高密度聚乙烯（HDPE）的要求不断提高。

中沙（天津）石化有限公司（简称中沙石化）HDPE装置是引进英国Ineos公司的Innovene S工艺，采用双环管淤浆工艺，使用Ziegler-Natta及Cr系催化剂体系，可生产相对分子质量分布呈单峰及双峰的HDPE，年生产能力300 kt。经过用户试用、性能评价、工艺参数及配方的改进，该公司生产了性能优异的以1-己烯为共聚单体的管材专用HDPE K44-08-122（记作HDPE1）。本工作选择用户较为认可的压力管材专用HDPE（记作HDPE2）进行了分析与测试，并结合工业装置的工艺技术和催化剂的特点，为下一步产品的开发和加工应用提供指导[2]。

1　实验部分

1.1主要原料及仪器

HDPE1，共聚单体为1-己烯，单峰，采用Cr系催化剂生产，中沙石化提供；HDPE2，共聚单体为1-己烯，市售。

1.2主要仪器与设备

凝胶渗透色谱（GPC）采用英国Polymer Laboratories公司生产的PL-GPC 220型高效液相色谱仪测试，3根Plgel 10 μm MIXED-B色谱柱串联；差示扫描量热法（DSC）分析采用美国PE公司生产的Perkin-Elmer Diamond DSC型差示扫描量热仪测试；毛细管流变性能采用英国马尔文仪器公司生产的Rosand RH7型毛细管流变仪测试。

1.3分析及测试

熔体流动速率（MFR）按GB/T 3682—2000测试，温度190 ℃，负荷21.6 kg；拉伸性能按GB/T 1040.2—2006测试；弯曲模量按GB/T 9341—2008测试；简支梁缺口冲击强度按GB/T 1043.1—2008测试；氧化诱导时间按GB/T 19466.6—2009测试；维卡软化温度按GB/T 1633—2000测试。

2　压力管材专用HDPE的性能

2.1力学性能

从表1可以看出：HDPE2的MFR稍高于HDPE1，说明其流动性能较好；HDPE1的氧化诱导时间为90.1 min，明显高于HDPE2的34.0 min，说明HDPE1抗氧化性能良好；维卡软化温度越高，表明材料负荷变形能力越好，刚性越大，模量越高，HDPE1的维卡软化温度为80.2 ℃，低于HDPE2的82.3 ℃，说明HDPE1的刚性低，与弯曲模量给出的数据相符。

表1　HDPE1与HDPE2的基本性能Tab.1 Basic performance of HDPE1 and HDPE2

2.2挥发分及水含量

如果专用树脂中的挥发分含量和水含量超标，将无法在加工过程中全部排除，导致制品表面有麻点或产生内部缺陷，最终导致管材表面不光滑，或引发裂纹增长导致静液压性能下降，影响管材的使用寿命。从表2可以看出：HDPE1和HDPE2的挥发分和水含量均满足标准要求。

表2　HDPE1和HDPE2中的挥发分和水含量Tab.2 Volatile content and water content in HDPE1 and HDPE2　　　　mg/kg

2.3相对分子质量及其分布

重均分子量（Mw）强调聚合物的中相对分子质量部分，Z均分子量（Mz）则强调高相对分子质量部分，它们对树脂的力学性能（如抗冲击性能、耐环境应力开裂性能）贡献较大。从表3可以看出：HDPE1的Mw和Mz均高于HDPE2；而HDPE1与HDPE2的多分散系数（PDI）分别是14.2，13.2。这说明HDPE1既具有较强的抗裂纹扩展能力，又具有良好的加工性能，综合性能良好。

表3　HDPE1与HDPE2的相对分子质量及PDITab.3 Relative molecular mass and multiple dispersion coefficient of HDPE1 and HDPE2

2.4热性能

从图1可看出：HDPE1的熔融温度为129.94℃，结晶温度为112.96 ℃；HDPE2的熔融温度为133.33 ℃，结晶温度为111.36 ℃。树脂分子链的对称性和规整性越好、结晶度越高则熔融温度越高，说明HDPE2的结晶度较高，刚性较好。

2.5加工性能

从图2可以看出：在同一温度条件下，两种HDPE的剪切黏度（η）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：两者的毛细管流变性能对温度均较为敏感，并且当温度提高至230 ℃时，两种HDPE对高γ也十分敏感，可能是因为出现了不稳定流动，进而使流变性能曲线在高γ条件下终止。

图1　HDPE1与HDPE2的DSC曲线Fig.1 DSC curves of HDPE1 and HDPE2

图2　HDPE1与HDPE2的毛细管流变性能曲线Fig.2 Capillary rheological curves of HDPE1 and HDPE2

2.6饮用水安全检测

HDPE1用水浸泡后，从表4可以看出：所测指标均符合《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）的要求。

表4　HDPE1浸泡水的水质检验结果Tab.4 Quality inspection results in soaking water of HDPE1

2.7管材的短期静液压强度

管材按照GB/T 13663—2000要求进行检验，从表5可以看出：HDPE1的短期静液压强度符合标准规定要求。

表5　HDPE1管材的短期静液压强度Tab.5 Short-term hydrostatic strength of the pipe prepared with HDPE1

3　结论

a）HDPE1的综合性能较好，其加工性能、抗氧化性能及韧性均优于HDPE2，刚性反之。

b）与HDPE2相比，HDPE1的抗裂纹扩展能力更强。

c）HDPE1通过GB/T 13663—2000，GB/T 17219—1998的检测。

[1] 刘明晖，张勇. PE80级管材专用树脂的开发[J].合成树脂及塑料，2007，24（1）：18-21.

[2] 王文清，谢建玲.PE压力管道专用树脂的性能及我国研发状况[J].合成树脂及塑料，2007,24（5）：54-57.

独山子石化公司开发出PE100级管件专用树脂TUB121N3000M

2015年10月14日，由中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司（简称独山子石化公司）开发生产的PE100级管件专用树脂TUB121N3000M在西北地区某聚乙烯管件生产企业完成现场加工实验和制品性能评价，外观及各项性能指标满足需求。

目前，国内压力管道配件市场除少量进口牌号外，尚未有国产管件专用树脂，管件生产企业大都以非专用树脂及掺混料进行生产，加工过程复杂，质量难以保证。独山子石化公司开发的TUB121N3000M定位为PE100级压力管道专用管件树脂。通过聚合物结构设计、聚合原料配方调整、生产工艺控制优化，最终成功生产TUN121N3000M约2 200 t，产品质量达到设计要求。TUN121N3000M与独山子石化公司开发的PE100级管材专用树脂TUB121N3000，PE100级管材黑色混配料TUB121N3000B，大口径PE100级管材专用树脂UHXP4808，PE80级管材专用树脂DGDZ2400形成聚乙烯管材专用树脂系列牌号。

聚乙烯管件加工企业的应用评价表明，TUB121N3000M显示出良好的流动性，具有加工窗口宽，管件力学性能和外观质量好的特点。热熔接性能和力学强度均满足要求，是一种将高力学强度与易加工性相结合的新材料，为聚乙烯管件制造商提供了更好的选择。

（独山子石化公司 陈莉薇）

Structure and properties of HDPE for special pressure pipe

Zhang Wei，Zhang Na
（Research Institute ofTianjin Branch Co., SINOPEC, Tianjin 300270, China）

The structure and properties of high density polyethylene（HDPE） K44-08-122 for pressure pipe were studied by means of differential scanning calorimetry（DSC）, gel permeation chromatography（GPC） and capillary rheometer. The results show that the special material has good processing performance, long oxidation induction period, wide relative molecular mass distribution and higher resistance to crack growth. The pressure pipes prepared with K44-08-122 are not damaged and impermeable in the condition of ring stress of 9.0 MPa at 20 ℃, 100 h and ring stress of 4.6 MPa at 80 ℃,165 h and ring stress of 4.0 MPa at 80 ℃,1 000 h. K44-08-122 resin has excellent comprehensive performance and passes the detection of GB/T 17219—1998, which meets the requirements of drinking water pipe.

high density polyethylene；water pipe；hydrostatic strength；structure

TQ 325.1+2

B

1002-1396（2015）06-0065-04

2015-05-27；

2015-08-26。

张威，男，1983年生，硕士，工程师，2010年毕业于河北工业大学高分子化学与物理专业，现主要从事聚烯烃新产品研发与技术服务工作。联系电话：（022）63804046；E-mail：zhangw_223@163.com。