用正交实验和回归分析研究压塑工艺对PP拉伸性能的影响

彭传伟，贾 振，吴伟嘉，杨 彪，王志勇，相政乐

（1.中海油能源发展清洁能源管道技术分公司，天津 300450；2.中海油发展珠海管道工程有限公司，广东 珠海 519000）

管道外防腐涂层先后经历了煤焦油磁漆（CTE）、熔结环氧粉末（FBE）、3LPE和3LPP等过程。3LPP是在3LPE涂层的基础上发展起来的一种性能优良的防腐涂层，其结构原理与3LPE相似，即钢管底层采用熔结环氧粉末，以增加与金属的粘结力，中间为聚丙烯共聚物胶粘剂层，与外层的聚丙烯牢固粘结，既有较高的抗机械损伤能力，又有良好的耐阴极剥离性能[1]。在3LPP的涂敷过程中，钢管表面需要加热到220~240℃，而聚丙烯、胶粘剂、环氧粉末、钢管的热膨胀系数各有不同，聚丙烯的热膨胀系数大约是1.1×10-4℃-1，钢管的热膨胀系数大约是1.1×10-5℃-1，因此，高温冷却会在聚烯烃面层及管段截断防腐层形成很大的残余应力[2]。

针对3LPP涂层不可避免会产生残余应力的情况，需要增强聚丙烯涂层本身的机械强度以对抗残余应力，从而保证3LPP涂层的质量，满足使用要求。PP材料的拉伸性能是反映材料机械强度的关键指标，为此本文制备了PP片状试样，采用回归分析，研究制备过程中的压力、温度、时间、冷却速度对PP拉伸性能的影响，进而优化涂敷工艺参数，以改善和提高PP涂层的机械强度。

1 实验方法

采用TR-501CD压模成型机（电热带冷却）和CMT 4104电子万能试验机制备试样。改变制样过程中的压力、温度、时间和冷却速度，进行相应的拉伸实验。

2 实验方案

根据标准及仪器参数，选择压力分别为4MPa、7MPa、10MPa和 13MPa，温度分别为190℃、210℃、230℃和 250℃，时间分别为 3min、4min、5min 和 6min，冷却速度分别为40℃・min-1和200℃・min-1。设计L16（44×23）的正交实验如表1所示。

表1 正交实验表

3 正交实验结果与分析

3.1 实验结果

本次实验主要考察了制样的工艺条件对拉伸性能的影响，包括屈服强度、拉伸强度和断裂伸长率，实验结果见表2。从表2可知，本次实验中，试样的屈服强度最大为23.11MPa，最小为20.48MPa，相差2.63MPa；拉伸强度最大为33.27MPa，最小为25.41MPa，相差7.86MPa；断裂伸长率最大为695.87%，最低为532.43%，相差163.44%。

表2 正交实验结果

图1是屈服强度、拉伸强度和断裂伸长率的误差棒图。由图1可以看出，一些实验号的指标是比较均匀分散的，但3号试样的屈服强度、拉伸强度和断裂伸长率，都存在较大的误差。总体而言，屈服强度比较稳定，断裂伸长率的波动较大，同时，7号~12号试样的屈服强度、拉伸强度和断裂伸长率，相对其它试样较为稳定。由此可知，不同工艺下的实验数据存在很大差距，并且同一实验号的实验数据也存在较大波动，因此对工艺参数进行分析十分必要。

图1 实验结果的方差分析图

3.2 回归分析

将实验数据导入SPSS数据分析软件，得到回归模型摘要和回归方程系数（表3、表4）。表3是对正交实验数据进行回归分析模型摘要的统计，R为复相关系数，它表示模型中所有自变量（tvnewspaper）与因变量（income）之间的线性回归关系的密切程度，取值介于0和1之间，R越大说明线性回归关系越密切。可决系数R2反映的是回归方程对y的解释能力。由表3得出屈服强度、拉伸强度和断裂伸长率的变化程度分别为28.6%、10.9%和18.9%，其中拉伸强度对应的R2数值最小，说明工艺参数对拉伸强度的影响程度更为复杂，需要考虑比屈服强度和断裂伸长率更多的因素，又或者说明了硫化压力、硫化温度、硫化时间、冷却速度对拉伸强度的影响程度比较小。

表3 回归模型摘要

3.3 线性回归方程的建立

从表3和表4可知，屈服强度、拉伸强度和断裂伸长率的回归方程中，德宾-沃森值分别为2.121、2.118和1.836，满足要求；屈服强度、拉伸强度和断裂伸长率的回归方程中，VIF数值均为1，同样满足要求。但是断裂伸长率的回归标准差直方图和正态P-P分布图不符合正态分布，因此不适用于断裂伸长率的回归分析。

表4 回归方程系数

图2 回归标准差直方图和正态P-P图

表5是对方程方差的分析结果。屈服强度的多元线性回归方程的显著性很强，具备统计学意义，自变量和因变量具备线性关系；拉伸强度的多元线性回归方程的显著性稍强，统计学意义稍弱，但在统计学意义上也接近95%，可以使用。为此我们根据回归分析结果，建立了制样工艺与拉伸性能之间的线性回归方程，以便能根据制样工艺对拉伸性能进行预测及控制。

表5 方差分析结果

进一步结合表3中的回归方程系数，并对应显著性数值后可发现，对于屈服强度，硫化温度和硫化时间的显著性数值大于0.05；对于拉伸强度，硫化温度、硫化时间和硫化压力的显著性数值同样大于0.05，因此相应地不具备显著性，即自变量对因变量的作用不显著，在本模型中没有统计学意义，应当在回归模型中删除相应的变量[4]，因此自变量和因变量的回归方程如公式（1）所示。

式中，y1为屈服强度；y2为拉伸强度；x1为硫化压力；x2为冷却速度。

3.4 工艺与性能的正负相关性

聚丙烯是典型的半结晶聚合物，它的结晶度、结晶形态、球晶尺寸等指标，将直接影响到制品的加工和应用性能[5]。改变磁场、温度和剪切应力等指标，可以对聚丙烯的结晶形态和结构产生影响[6]。从理论上来说，提高结晶度和细化晶粒尺寸有助于提高屈服强度和拉伸强度。在温度方面，升高温度虽然可以提高聚丙烯的结晶度，但是也会促进熔体分子的扩散作用，促进晶粒长大[7]。在压力方面，提高压力有利于提高PP熔融状态的致密度，促进结晶，但同时晶粒尺寸会有略微增大的趋势[8]。在冷却速度方面，加快冷速可以降低结晶度，但是会细化晶粒，同时对晶型也有影响[9]。由此可知，温度、压力和冷却速度并不能同时提高PP的结晶度和细化晶粒尺寸，进而影响拉伸性能，需要对具体的聚丙烯材料进行研究。由上述实验结果可知，工艺参数对拉伸性能的影响较为复杂，要依据回归方程对最终的拉伸性能做出预测及控制。

对本文的数据进行回归分析得到表4，其中回归方程系数的正负号代表正负相关性。对于屈服强度，随着硫化压力的提高、硫化温度的升高以及冷却速度的增大，屈服强度随之提高，增加硫化时间则会降低屈服强度。对于拉伸强度，随着硫化时间的延长和冷却速度的增大，拉伸强度随之提高，提高硫化压力和升高硫化温度则会降低拉伸强度。虽然温度、时间与屈服强度和拉伸强度的显著性不明显，但仍有一定的参考价值。

4 结论

1）相对于屈服强度和断裂伸长率，拉伸强度是一个更加复杂的参数，会受到更多的因素影响，也可以说硫化压力、硫化时间、硫化温度、冷却速度对拉伸强度的影响更小；

2）虽然未能对断裂伸长率建立有效的回归方程，但针对屈服强度和拉伸强度建立的回归方程可靠有效，可以对屈服强度和拉伸强度进行预测及控制；

3）对于屈服强度，随着硫化压力的提高、硫化温度的升高以及冷却速度的增大，屈服强度随之提高，增加硫化时间则会降低屈服强度。对于拉伸强度，随着硫化时间的延长和冷却速度的增大，拉伸强度随之提高，提高硫化压力和升高硫化温度则会降低拉伸强度。