黑色PE100燃气管材专用料的开发

李连鹏，李 莉，孟 博，王 硕，李晓东

(1.中国石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中国石油吉林石化公司北方公司 锦江油化厂，吉林 吉林 132022；3.中国石油天然气集团公司 工程建设分公司，北京 100007)

聚乙烯(PE)管道具有许多优异的性能，如耐低温性、韧性好、抗腐蚀性、可焊接性以及“非开挖定向钻孔”等，特别是其具有良好的快速裂纹传递抵抗能力，使其成为城镇中低压埋地燃气管材的首选材料。

根据国际标准ISO 4437:2007和欧洲标准EN 1555—1:2010的要求，生产燃气用埋地PE管材的原料应采用混配料，即基础PE树脂与添加剂，如添加抗氧剂、颜料、炭黑、紫外线稳定剂等均匀挤出混合物[1-2]。目前，PE燃气管材主要采用PE80与PE100等级的中密度聚乙烯(MDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)树脂为原料。其中PE80级树脂的颜色为黄色或者黑色，生产的管材颜色为黄色或者黑色管材加黄色标记，PE100级树脂的颜色为橙色或者黑色，生产的管材颜色为橙色或黑色管材加橙色标记。

中国石油吉林石化公司从2008年开始生产PE100管材料JHMGC100S，通过不断地工艺优化和质量攻关，产品质量逐步提升，获得了国内用户的认可。但是吉林石化公司JHMGC100S为白色PE100级树脂，不能应用在燃气领域，限制了JHMGC100S管材的应用范围。本文通过对黑色色母料的筛选，开发出黑色JHMGC100S燃气管材专用料，满足国内燃气市场的需求，实现了PE100管材产品系列化和高端化。

1 实验部分

1.1 原料

双峰PE100级管材料JHMGC100S：中国石油吉林石化公司；炭黑母料1#：进口；炭黑母料2#和3#为市售工业品。

1.2 仪器设备

双螺杆挤出机：SHJ-58-Ⅱ，南京航天航空大学信立塑料机械厂；热分析仪：DSC204，德国耐驰公司；高速混合机：SHR-50A，江苏张家港市亿利机械有限公司；简支梁冲击试验机：XJJ-50，河北承德试验机有限公司；哈克流变仪：RC9000，德国哈克公司；电子万能试验机：WDW-1020：长春科新试验仪器有限公司；维卡热变形仪：COESFELD Compact6，美国科斯菲尔德公司；熔体流动速率仪：GT-7100-M1B2，台湾高铁检测仪器有限公司；缺口制样机：XQZH-1，吉林东恒机械设备有限公司；相位显微镜：E2000S，日本尼康公司；密度梯度柱：DC2，美国阿美泰克公司；炭黑含量测试仪：GW3500，北京化工研究院；管材挤出机：德国巴顿菲尔辛辛那提公司。

1.3 实验步骤

(1) 利用高速混合机，将JHMGC100S和炭黑色母料共混5 min。

(2) 将双螺杆挤出机升温至190～220 ℃，对混合好的JHMGC100S进行挤出造粒。

(3) 造粒结束后，在电热鼓风干燥箱中于70 ℃下烘干2 h，用于测试。

(4) 利用平板硫化仪在190 ℃下按照GB/T 1845.2—2006进行拉伸样条、冲击样条和维卡软化点样条的制备。

1.4 分析测试

熔融指数按照GB/T 3682—2000进行测试，测试温度为190 ℃，砝码质量分别为5 kg和21.6 kg，其中MFR(190/5)表示砝码质量为5 kg时树脂的熔融指数，MFR(190/21.6)表示砝码质量为21.6 kg时树脂的熔融指数，流动速率比(FRR)=MFR(190/21.6)/MFR(190/5)；密度按照GB/T 1033.1—2008进行测试；拉伸强度按照GB/T 1040.1—2006进行测试，拉伸速率为50 mm/min；维卡软化点按照GB/T 1633—2000进行测试，负荷为50 N，升温速率为50 ℃/h；冲击强度按照GB/T 1043.1—2008进行测试。挥发分按照GB 15558.1—2003附录C进行测试；炭黑含量按照GB/T 13021—1991进行测试；炭黑分散性按照GB/T 18251—2000进行测试；氧化诱导期按照GB/T 17391—1998进行测试，测试温度为210 ℃；加工流变性能采用RC9000哈克流变仪进行测试，测试温度为200 ℃。

2 结果与讨论

2.1 炭黑母料的筛选

2.1.1 3种炭黑母料基础物理性能测试

对3种炭黑母料的密度、炭黑含量和熔融指数进行了测试，具体结果如表1所示。

表1 3种炭黑母料的基础物理性能测试结果

从表1可以看出，3种炭黑母料的密度和炭黑含量比较接近，但是3#炭黑母料的熔融指数与1#、2#炭黑母料相差较大。

2.1.2 炭黑母料加工性能分析

利用哈克流变仪，考察了200 ℃下3种炭黑母料剪切速率、剪切应力以及表观黏度，具体结果如图1和图2所示。

剪切速率/s-1图1 200 ℃下3种炭黑母料剪切速率和剪切应力的关系曲线

剪切速率/s-1图2 200 ℃下3种炭黑母料剪切速率和表观黏度的关系曲线

从图1和图2可以看出，在200 ℃下，炭黑母料1#和2#的加工性能比较接近，炭黑母料3#相差较大。

炭黑母料1#和2#在市场上已经应用在PE燃气管材领域，而3#炭黑母料的各种指标和加工性能与1#和2#炭黑母料相差较大，因此在进行黑色PE100燃气管材料开发时，使用1#和2#炭黑母料。

2.2 JHMGC100S黑色混配料的合成和性能分析

利用高速混合机和双螺杆挤出机，采用1#和2#炭黑母料，其添加的质量分数为6.25%，加工温度为190～200 ℃，批量生产黑色PE100混配料，同时进行基础物理性能分析测试，具体结果如表2所示。

表2 黑色JHMGC100S性能测试

续表

炭黑在PE中的分散结果如图3和图4所示。

图3 1#样品(×70)

从表2、图3和图4可以看出，这2种混配料的炭黑分散等级全部小于3级，炭黑的表观分散等级达到了A1级，说明这2种炭黑母料的分散性很好，完全可以满足国际标准ISO 4437—2007中对埋地燃气管材专用料的炭黑分散性要求。采用1#炭黑母料生产的JHMGC100S混配料的MFR(190/5)指标变化要更小一些。

2.3 JHMGC100S黑色混配料的加工应用实验

加工设备采用德国巴顿菲尔辛辛那提公司的管材挤出机，生产制品规格为DN32mm/SDR11和DN110mm/SDR11。其中PE管材生产工艺流程如图5所示。

对1#和2#混配料制得的管材进行了综合性能测试，具体结果如表3和表4所示。

从表3和表4可以看出，2种混配料加工成管材后，其熔融指数变化率小于5%，氧化诱导期大于40 min，远高于国家标准大于20 min(200 ℃)的要求。管材的短期静液压强度合格，特别是20 ℃静液压实验达到200 h时管材仍未发生泄漏和破裂。

表3 1#混配料制得的管材检测结果

表4 2#混配料制得的管材检测结果

3 结 论

(1) 经过2次造粒后，JHMGC100S的熔融指数变化不大。

(2) 在生产黑色燃气管材专用料时，宜选用1#和2#炭黑母料。

(3) 炭黑母料质量分数为6.25%时能够满足炭黑含量的标准要求，生产的混配料各项基础性能指标满足国家和行业标准的要求。

(4) 加入炭黑色母料后制得的管材,在20 ℃静液压实验达到200 h时管材仍未发生泄漏和破裂。

参 考 文 献：

[1] 国际标准化组织.Buried polyethylene(PE) pipes for the supply of gaseous fuels-Metric series-Specifications：ISO 4437-2007[S].日内瓦：国际标准化组织,2007:1-22.

[2] 欧洲标准化委员会.Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels-polyethylene(PE)-Part1:General:EN 1555.1-2010[S].日内瓦：欧洲标准化委员会,2010:1-18.