PE100 级管材专用树脂的性能

张 娜，李玉松，马国玉，张 威

（中国石油化工股份有限公司天津分公司研究院，天津市 300271）

近年来，塑料管已普及到建筑和市政给排水、燃气、电线电缆套管、工业用管、农田排灌管等领域。高密度聚乙烯（HDPE）管材因摩擦系数小、耐低温、韧性好、绝缘性能好、耐腐蚀、良好的耐慢速裂纹增长性能（SCG）等优点，被作为燃气管和供水管的首选材料。PE100 管材树脂出现于 20 世纪 80 年代中期，被称为第三代聚乙烯（PE）管材专用树脂。目前，PE100 级管材专用树脂主要为双峰 HDPE，其相对分子质量呈双峰分布，低相对分子质量部分提供较好的加工性能，高相对分子质量部分提供较好的力学性能[1]。

PN049-030-122 是中沙（天津）石化有限公司采用 Innovene S 双环管淤浆工艺生产的压力管材专用 HDPE 树脂，其优势在于良好的加工性能和优良的耐裂纹扩展性能。该产品自 2010 年排产以来，经过多个厂家试用和反馈，通过调整工艺条件及配方，解决了初期存在的问题，现已实现稳定生产，并通过了国内长期静液压试验，得到下游用户的普遍认可。

1 实验部分

1.1 原料

HDPE，PN049-030-122，中沙（天津）石化有限公司生产；树脂 1，树脂 2，市场上收集的 PE100级管材专用 HDPE 树脂，国产。

1.2 主要仪器与设备

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，深圳新三思材料检测有限公司生产；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；Rosand RH7 型毛细管流变仪，英国马尔文仪器公司生产。

2 结果与讨论

2.1 基本性能

从表 1 看出：PN049-030-122 的韧性、抗氧化性、刚性及拉伸性能均优于对比试样。PN049-030-122 的拉伸屈服应力较高，这是因为它的密度较高，为 0.951 8 g/cm3，因而结晶度也较高，而结晶高聚物的屈服过程实质上是结晶的破坏过程。在外力作用下，分子间发生滑移，分子的聚集程度变疏，结晶遭破坏。结晶越完善，分子间排列越规整、紧密，抵抗外力的能力就越强，屈服强度越大。

经国家化学建筑材料测试中心检测，PN049-030-122 性能符合给水用 PE 管材国家标准（GB/T 13663—2000）的要求（见表 2）。

2.2 相对分子质量及其分布

PE100 级管材专用树脂多为双峰分布 HDPE产品，高相对分子质量部分提供较好的耐环境应力开裂性能、SCG、抗蠕变性能、拉伸强度和冲击强度；低相对分子质量部分可有效降低其在高剪切速率（γ）下的熔融黏度（η），改善加工流动性，并保证较高结晶度，使产品具有良好的刚性。

表 1 PE100 级管材专用树脂的物理及力学性能Tab.1 Physical and mechanical properties of the special resins for PE100 grade tubing

表 2 PE 管材国家标准及 PN049-030-122 测试结果Tab.2 National standards for PE100 grade tubing and test results of PN049-030-122

表 3 PE100 级管材专用树脂的相对分子质量及其分布Tab.3 Relative molecular mass and its distribution of the special resins for PE100 grade tubing

从图 1 看出： PN049-030-122 为双峰相对分子质量分布，低相对分子质量与高相对分子质量的分布较均匀，较好地调整了高相对分子质量和低相对分子质量对产品性能的贡献，且相对分子质量分布较宽（见表 3）。因此，该树脂既具有良好的使用性能，同时具备很好的加工性能。

图 1 PN049-030-122 的相对分子质量分布曲线Fig.1 Curve of relative molecular mass distribution of PN049-030-122

2.3 毛细管流变行为

聚合物的流变特性是其内在结构的反映，流变行为是在一定的 γ 和剪切应力（τ）作用下，聚合物分子间缠结态被破坏，分子重新取向排列。流变行为随聚合物的链结构、相对分子质量及其分布等因素的变化而变化。从图 2 看出：两种树脂的 η 均随 γ 的增大而减小；在同一 γ 下，随实验温度的升高，η 也会降低，均属于切力变稀的假塑性流体，符合幂率流体方程。当温度为 190 ℃ 时，PN049-030-122 的毛细管流变曲线在高 γ 下出现拐点（见图 2a），说明该物料在高 γ 下不稳定，因此在生产过程中，如果挤出速度过快，易出现物料输送不稳、熔体破裂等现象，从而影响管材质量。这种现象可以通过升高温度的方式得到缓解，当温度升高至 210，230 ℃ 时，流变曲线光滑，熔体性能较为稳定。

2.4 管材特殊性能

HDPE 是一种黏弹性材料，蠕变和松弛是其固有特性，力学性能和温度、时间密切相关。作为压力管道，简单的力学性能不能反映出 HDPE 作为压力管道专用树脂的本质要求，须以管材形式考察其 SCG、耐快速裂纹扩展性能（RCP），进行短期静液压试验以及长期静液压强度分级，试验条件及标准见表 4。

SCG 是指在长时间、低负荷作用下，因管材表面裂纹的尖端处应力集中，达到和超过某一临界条件时，裂纹失去稳定性而发生扩展，当表面微裂纹缓慢扩展至一定长度或壁厚时，致使管材失效。对于管材而言这是一种长期的脆性破坏。PE100 管材体系需具有良好的 SCG 性能，以确保管材的使用寿命[2]。

图 2 管材专用树脂的流变曲线Fig.2 Rheological curves of the special resins for tubing

表 4 管材特殊性能试验条件及要求Tab.4 Test conditions and standards for special properties of tubing

RCP 是在有压力的塑料管道中与纵向裂纹快速不稳定扩展有关的破坏。若发生快速裂纹扩展，管道的裂纹扩展可瞬间大几百米，造成严重的安全事故。因此，RCP 是管材料的一项重要性能[3]。

PN049-030-122 通过了权威机构的 PE100 等级认证，RCP 的测试结果 PC,S4，0℃＞1.0 MPa，SCG＞500 h，并分别通过了 20，80 ℃ 不同压力下的静液压试验。

3 结论

a）PN049-030-122 具有较好的韧性、抗氧化性和拉伸性能。

b）PN049-030-122 的毛细管流变曲线在 190℃，高 γ 下出现不稳定流动，提高温度后现象得到缓解，流变曲线光滑。

c）PN049-030-122 具有较宽的相对分子质量分布，加工性能良好。

[1] 王浩水，王文清. PE100 级管材专用树脂性能研究[J]. 合成树脂及塑料，2006,23（4）:24-26．

[2] 张丽洋，邹恩广，王立娟,等. 双峰 PE100 级管材料的表征与测试技术[J]. 塑料科技,2009, 37（11）:79-82．

[3] 王群涛，唐岩，毕丽景,等. 齐鲁 PE100 级燃气管专用料的研制[J]. 齐鲁石油化工，2006,34（4）:379-382.