PE100级管材专用树脂的性能研究

刘志伟

(中沙(天津)石化有限公司， 天津 300270)

PE100级管材专用树脂的性能研究

刘志伟

(中沙(天津)石化有限公司， 天津 300270)

中沙(天津)石化有限公司生产的管材专用树脂PN049-030-122达到了PE100级管材专用树脂的等级认证。在对其进行结构分析的基础上，评价了管材专用树脂的性能，并与国内相关树脂进行对比。结果表明，PN049-030-122管材专用树脂的应力置信下限值为10.75 MPa，其耐慢速裂纹增长性能超过500 h，200 ℃氧化诱导期在173 min左右，具有良好的加工性能，且该管材专用树脂的性能完全满足国内生产给水管材的要求。

PE100级； 聚乙烯； 给水管材； 静液压强度

0 前言

聚乙烯(PE)管材以突出的耐化学腐蚀性、耐磨、耐热、摩擦因数低、焊接性能好，以及对输送介质无污染、使用寿命长、制造安装费用低等优异性能，愈来愈广泛地应用于燃气输送、供水、排污、矿山细颗粒固体输送、油田和化工等领域[1]。

PE100级管材是聚乙烯管材中的高端产品，要求其在20 ℃条件下，管材在使用50年后的最小强度仍要大于10 MPa。PE100级管材树脂以其优异的耐环境应力开裂性、耐慢速裂纹增长以及耐快速裂纹扩展性能的诸多优点，被广泛用于燃气、给水等要求高压力等级的领域[2-4]。

“西气东输”、城市管网建设等大型项目使得国内对PE100级管材需要量迅速猛增，这也极大地促进了国内外生产厂家对该类高耐压管材专用树脂的开发[5]。PE100级管材专用树脂多采用串联反应器生产，其相对分子质量具有双峰或多峰分布，除具有较高的力学性能外，还需要保证较高的加工性能，生产难度较大，对使用催化剂的活性、氢调性能、共聚性能和颗粒形态有着非常苛刻的要求。

中沙(天津)石化有限公司(简称中沙石化)是中国石化与沙特基础工业公司合资的一家现代化国际石油化工公司，引进INEOS公司的INNOVENE S工艺，采用双环管淤浆方法，生产单峰及双峰聚乙烯产品，年生产能力达到30 万t高密度聚乙烯。以1-己烯为共聚单体生产的高密度聚乙烯(HDPE)管材专用树脂PN049-030-122，经过用户试用、性能评价、工艺参数及配方的改进和完善，其优异的性能得到了用户的普遍认可，至今是国内优秀的管道专用树脂。经国家化学建材测试中心一年多的认证，认可我司生产的高密度聚乙烯(HDPE)管材专用树脂PN049-030-122达到了PE100级别的要求，说明我司已具备生产PE100级管材的能力，对我司生产更高级别管材具有重要的指导意义。

1 实验部分

1.1 实验原料

PN049-030-122(本色料)：中沙(天津)石化有限公司高密度聚乙烯装置提供；

PN049-030-122(对比样1)：中韩(武汉)石油化工有限公司聚乙烯装置提供；

DMDA-8920(对比样2)：新疆独山子石化公司高密度聚乙烯装置提供。

1.2 力学性能测试

按照GB/T 9352—2008规定采用平板硫化仪和溢料式模具制备压塑试片，模具条件按照GB/T 1845.2—2006规定进行制备试样，用于测试产品的力学性能。

拉伸性能采用GB/T 1040.2—2006标准进行测试，5544型拉力试验机，美国Instron公司，拉伸速率为50 mm/min。

简支梁缺口冲击性能采用GB/T 1043.1—2008标准进行测试，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。

1.3 静液压性能测试

将PN049-030-122挤成规格为φ32 mm×3 mm的实壁管，按GB/T 6111—2003测试，7250型冲击试验机，意大利Ceast公司。管内外介质均为水。

1.4 相对分子质量及分布

PL-GPC 220型高温凝胶渗透色谱仪，美国Polymer Laboratory。以邻二氯苯为溶剂，在135 ℃下，以1 mL/min的速度进样，标样采用聚苯乙烯(K=4.06×10-4，α=0.725)。

1.5 熔体质量流动速率

采用GB/T 3682—2000标准进行测试，4100型溶体流动速率仪，德国ZWICK/ROELL公司。测试温度为190 ℃，砝码质量为5.0 kg,其中MFR(190 ℃/5.0 kg)表示砝码质量为5.0 kg时树脂的流动速率。

1.6 挥发分含量

采用GB/T 15558.1—2003标准进行测试，SY-881-2型烘箱，苏州昇远烘箱设备有限公司。称量质量约为25.0 kg,测试烘干温度为(105±2) ℃，1 h后取出称量，代入公式计算得到产品挥发分含量。

1.7 耐慢速裂纹增长性能

采用GB/T 18476—2001标准进行测试，7250型冲击试验机，意大利Ceast公司。测试温度为80 ℃，测试时间为165 h。

1.8 耐快速裂纹扩展性能

采用GB/T 19280—2003标准进行测试，7250型冲击试验机，意大利Ceast公司。测试温度为0 ℃。

2 PE100级管材专用树脂的性能

2.1 常规物理性能

PN049-030-122管材专用树脂及对比样的常规物理性能见表1。从表1可以看出，PN049-030-122的物理性能均优于国内同类产品，说明材料具有优异的刚韧平衡性能。

2.2 综合性能

2.2.1 基本性能

我司生产的PN049-030-122管材专用树脂的基本性能见表2。由表2可知，该管材专用树脂的各项基本性能均达到国家标准GB/T 13663.2—2005《给水用聚乙烯(PE)管道系统》中PE100级管材的要求，有些指标明显高于国家标准要求，如：氧化诱导期、耐慢速裂纹增长和耐快速裂纹扩展等指标。

2.2.2 挥发分含量

若管材专用树脂中挥发分含量超标，在加工过程中将无法全部排除，会使产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。对PN049-030-122管材专用树脂挥发分的检测结果见表3。由表3中数据可知，PN049-030-122管材专用树脂中挥发分含量符合国家标准要求，且明显优于国家标准要求，这一指标将提高管材的质量，即提高其使用寿命。

表1 PN049-030-122管材专用树脂及对比样的常规物理性能

表2 PN049-030-122管材专用树脂的基本性能

表3 PN049-030-122管材专用树脂挥发分含量

2.3 短期静液压强度

管材料的静液压强度决定了管材的耐内压能力。将PN049-030-122加工制备成φ32 mm×3 mm管材制品后，进行了3个条件下的短期静液压强度测试，结果见表4。由表4可知，管材专用树脂的短期静液压强度性能均高于国家标准的要求，说明管材专用树脂具有很好的耐内压强度性能。

表4 PN049-030-122管材专用树脂短期静液压强度

测试条件最小破坏时间/hPN049⁃030⁃122管材专用树脂国家标准要求20℃，12．4MPa562≥10080℃，5．4MPa5056≥16580℃，5．0MPa6454≥1000

注：国家标准要求为《给水用聚乙烯(PE)管道系统》GB/T 13663.2—2005

2.4 耐慢速裂纹增长性能

耐慢速裂纹增长(SCG，resistance to slow crack growth)破坏是指管道在加工、运输、施工中受到碰撞或刮擦形成的表面缺陷和应力集中部位。在长期压力作用下，PE分子链发生滑移，系带分子链从晶区中拔脱出来，微裂纹缓慢增长，最终导致管道的脆性开裂破坏。

PE压力管道在实际使用过程中，需要长期承受管内输送介质气体和液体的压力，并且要求管道具有50年以上的寿命，这就要求PE管材料应该具有优异的SCG抵抗能力[6]。

管材料的耐慢速裂纹增长性能是管材料的关键性能指标，对PN049-030-122管材专用树脂的耐慢速裂纹增长性能的检测结果见表5。由表5可知，PN049-030-122管材专用树脂的耐慢速裂纹增长速率超过500 h,完全符合国家标准要求。

表5 PN049-030-122管材专用树脂的耐慢速裂纹增长性能

测试条件标准要求检测结果测试方法80℃，0．92MPa≥165>500GB/T18476—2001

2.5 耐快速裂纹扩展性能

耐快速裂纹扩展(RCP，resistance to rapid crack propagation)是指管道受外力冲击或内应力产生的裂纹，沿纵向高速扩展，造成管道大面积瞬间破坏的现象。RCP是一种偶发性事故，但是一旦发生将会造成灾难性后果。因此耐快速裂纹扩展性能是管材料的一项重要的性能。表6为PN049-030-122管材专用树脂的耐快速裂纹扩展性能的检测结果，表明其已达到国家标准要求。

表6 PN049-030-122管材专用树脂的耐快速裂纹扩展性能

测试项目技术要求测试结果测试方法RCP(S4，0℃)/MPa临界压力Pc，S4≥0．34>1．0GB/T19280—2003

2.6 相对分子质量及其分布

PE100级管材专用树脂多为双峰分布产品，高相对分子质量部分提供产品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、高拉伸强度和高冲击强度；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，并保证较高结晶度，使产品具有良好的刚性。表7对比了三种物料的相对分子质量及其分布，Mw为重均分子量，Mn为数均分子量，PDI为相对分子质量分布(多分散性指数)。

表7 三种管材专用树脂的相对分子质量及其分布测试结果

样品MWMnPDI=MW/MnPN049⁃030⁃122298391974230．63对比样12979511035828．76对比样22861381185924．13

由表7数据可知，PN049-030-122管材专用树脂的Mw、PDI值高于对比样，且Mn值低于对比样，所表现出的宏观性能是PN049-030-122管材专用树脂的加工性能良好，并且其双峰型相对分子质量分布较好地调整了高相对分子质量和低相对分子质量对产品的性能贡献，有利于提高管材树脂对慢速裂纹扩展的抵抗能力，因此PN049-030-122管材专用树脂既具有良好的力学性能，同时兼顾良好的加工性能。

3 管材专用树脂认证结果

我司生产的PN049-030-122管材专用树脂送至国家化学建筑材料测试中心进行PE100等级评定，评定结果见图1。评定结果表明，PN049-030-122管材专用树脂在20 ℃、50年、97.5%置信下限的管材长期静液压强度σLPL为10.75 MPa，达到PE100级别。

图1 PN049-030-122管材专用树脂等级认证结果

4 结论

(1) 己烯共聚管材专用树脂PN049-030-122获得国家权威管材料等级认证部门的认证，达到了PE 100级别管材专用树脂的国家标准要求。

(2) 中沙公司管材专用树脂PN049-030-122具有良好的耐慢速裂纹增长性能，耐快速裂纹扩展性能均达到标准要求。

(3) PN049-030-122管材专用树脂具有优良的力学性能和加工性能。

[1] 吴洁.双峰聚乙烯PE100管材的市场分析[J].石油化工技术与经济，2009，25(3)：29-35.

[2] 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.

[3] 布鲁斯瑞普.PE100管道系统[M].魏若奇，者东梅，译.3版.北京：中国石化出版社，2009：1-10.

[4] 唐岩，王群涛，石志俭，等.PE100级管材专用树脂的开发[J].合成树脂及塑料，2005，22(5)：5-8.

[5] 桂祖桐，谢建玲.聚乙烯树脂及其应用[M].北京：北京工业出版社，2002：494-515.

[6] 王群涛，唐岩，毕丽景，等.PE100级燃气管管材专用树脂的研制[J].齐鲁石油化工，2006，34(4)：379-382.

Polyscope亮相2017中国国际橡塑展
推出XIBONDTM产品组合优化聚合物共混物

日前，世界领先的苯乙烯马来酸酐(SMA)共聚物生产商Polyscope推出偶联剂和扩链剂产品，进一步扩大其聚合物相容化技术产品范围。新产品将以XIBONDTM商标在市场上销售。Polyscope现有的XERAN产品已整合到XIBONDTM产品线中。 XIBONDTM系列致力于满足市场对于聚合物共混物和合金性能优化的需求。

在优化PA/ABS和PC/ABS共混物中表现优异

在添加XIBONDTM之后，Polyscope的客户显著得益于苯乙烯聚合物性能优化后的表现。在PA/ABS和PC/ABS共混物中，XIBONDTM相容剂有效改变了材料的界面张力，使其在高应力环境下具有更稳定的形态，增强材料在固体状态时相位间的附着力。因此，聚合物共混物的机械性能得到大幅改善。

基于多年成功经验

如今，市场上对 "定制化"具体应用聚合物解决方案的需求不断涌现，因此共混物优化剂的需求也不断上升。产品开发商始终在寻求具有性价比高的解决方案，以提高当前和未来聚合物共混物及合金产品的性能表现。 XIBONDTM以低廉的成本协助未填充等级及含有填料(如玻璃)的产品进行偶联及增容。 Polyscope正不断扩大其产品组合，以满足PPO、PS、PA和PLA等其他材料与ABS共混物/合金对于相容性的市场要求。

此外，XIBONDTM系列还推出了扩链剂和偶联剂以及熔体流动增强剂不同型号产品，以满足在后工业和后消费领域的高端应用中提升再生材料性能的需求。在含有纤维的聚合物共混物中，XIBONDTM产品作为偶联剂可改善纤维和聚合物之间的附着力，在不影响其他性能的前提下，附着力可提高50%。

在广州举行的2017中国国际橡塑展上，Polyscope聚合物私人有限公司业务部总监Ferdi Faas表示：“随着越来越多的应用需要‘定制化’的聚合物解决方案，市场对于共混物优化剂的需求也日益上升。中国市场的发展趋势也同样如此。通过与客户的紧密合作，我们的产品开发工程师不断研究如何通过产品创新为客户所面临的挑战提供解决方案。这也正是Polyscope的企业发展基因：创新思维，卓越产品。”

Study on Properties of PE100 Special Resin for Tubing

LIUZhi-wei

(SINOPEC SABIC Tianjin Petrochemical Co.， Ltd.， Tianjin 300270, China)

PN049-030-122 special resin from SINOPEC SABIC Tianjin Petrochemical Co.， Ltd.， has reached PE100 grade resin for tubing certification. On the basis of the structure analysis of PN049-030-122 special resin， the performance of the special material was evaluated, and compared with the domestic materials. The result shows that the stress confidence limit value of PN049-030-122 is 10.75 MPa, the slow crack growth resistance exceeds 500 h, and the oxidation induction period is about 173 min at 200 ℃. Also it has a good processing performance, and the performance of the PN049-030-122 special material can meet the production requirements of domestic tubing.

PE 100 grade； polyethylene； water supply pipe； hydrostatic strength

刘志伟(1970—)，男，本科，工程师，主要从事聚乙烯生产、技术、研发、应用的工作。

TQ 325.1+2

A

1009-5993(2017)02-0032-05

2017-03-01)