摘要：塑料管材以其耐腐蚀、耐老化、环保安全而越来越受到人们的青睐，新型塑料管材不仅能大量替代钢材、木材、水泥等传统建筑，而且还具有节能、节材、保护生态、改善居住环境等特点。PE 管道已发展成多品种、多应用领域管材，广泛应用于建筑给排水、城镇给排水、供热采暖、化工医药等领域。本文分析了聚乙烯（PE）工艺对PE 管材耐环境应力开裂（ESCR）性能的影响，并提出改善PE 管材ESCR 性能的措施。
关键词：PE 管材；耐环境应力；开裂
由于PE管材具有质轻、管壁光滑、价格低、安装方便等特点，PE 与PVC 硬管相比，具有耐冲击、无毒、可盘绕，以及低温性、耐磨性、耐化学药品性等特点。因此PE 管材被广泛用于建筑用上下水管，农用排灌管、煤气管以及排污管，是一种有发展前途的管材。PE 管材的破坏大多数是由于管材在承受长期内压力情况下发生裂纹造成的，它直接影响着管材的使用寿命。无论PE 本身还是塑料管制作过程中引起的任何变化，都会通过管材ESCR 性能的改变反映出来。PE 管材在长期负荷作用下经过一定时间后会出现应力开裂现象，并会导致管材破裂。如用于上下水管，会引起漏水；用于燃气管，会引起漏气，后果严重，所以必须重视PE 管材ESCR 性能的提高。
1 聚乙烯（PE）管材的优点
1.1管材用PE 材料取得重大发展。随着研发力度的不断加大，新一代高强度管材专用PE 料不断涌现，不只使用PE63 等级PE 材料，并且出现了PE80级、PE100级产品，材料升级换代使PE 管各种应力显著提高。
1.2PE 管柔韧且可熔接。具有独特的柔韧性，物理力学性能较好，铺设时移动、弯曲和穿插很容易，有着新颖用途；直径小的PE 管可用长盘管方式供货。运输、安装十分方便，较大直径PE管一般可在地面上连接好后再铺入管沟，施工铺设方便，某些场合下可不挖管沟，而用顶管技术铺设PE 管；可用长管沉入法在江、湖、河、海水底铺设PE 管，也可在沙漠上不挖沟铺设PE 输水管；可用PE 管做内补管修复旧排水管。
1.3低温韧性比PVC 管好。在华北及西北地区，冬季气温一般在0～30℃。PVC管会变硬变脆，但PE 管即使温度低至－30℃，PE 管依然保持良好的柔韧性，不会变脆。
2 PE 管材组分对ESCR 性能的影响
2.1PE 树脂
1）分子量。一般认为PE 的分子量越大，分子链愈长，晶片间的系带分子数愈多，ESCR 性能愈好。因为PE 的分子量越大，表面能就越大，破裂强度也越大，所以ESCR 性能也就越好，这是因为其分子链的运动困难，不易生成大的球晶和形成好的序态。可见熔体流动速率越小，即分子量越大，其ESCR 性能越好。PE 熔体流动速率与ESCR 性能的关系见表。
2）分子量分布。分子量分布是影响ESCR 性能的一个重要因素，分子量分布直接反映了高聚物中大分子和小分子的含量。大分子的含量多，晶片间的连接分子数就多，ESCR性能愈好，而小分子的含量多对ESCR 性能是极为不利的。当分子量分布窄时，分子链长短较均匀，能生成均匀的微晶结构，低分子空隙区少，所以ESCR 性能好。
3）密度和结晶度。PE 密度越大，结晶度越高，晶片间的系带分子数愈少，将导致ESCR 性能下降。另一方面，结晶度愈高，晶粒间结合的密度大，环境介质不易渗透到无定形区而使系带分子不易解缠和松弛，有利于ESCR 性能的提高。
4）分子链结构。当PE 分子带有支链时能大大提高PE 的ESCR 性能。如在PE 主链上引入弹性链段，这些弹性链段使PE大分子链具有很好的弯曲性，阻碍球晶和好的序态形成，因此比均聚物的ESCR 性能好。HDPE 树脂生产过程中加入1-J 烯，使HDPE 带有支链，能大大提高HDPE的ESCR 性能。
2.2PE 组合物成分
在生产PE 管材中，为了提高冲击强度加入少量改性剂；为提高耐老化性能加入炭黑及抗氧剂；为了降低成本加入填料。这些助剂，也将对PE 制品的ESCR性能产生影响。
1）炭黑。纯PE 的老化性能和日光暴晒性能均较差，为改善PE 上述性能而要加入炭黑。试验表明，随着炭黑的加入，使PE 分子之间的结合减弱，从而在外力及环境介质的作用下易产生开裂。
2）抗氧剂。为防止PE 在高温加工和长期使用过程中由于氧的作用而引起降解、龟裂等，在PE 中加入抗氧剂，以捕捉PE 因受热作用而产生的自由基，以此来阻止PE分子链断裂、避免导致材料表面裂纹和产生开裂，从而提高PE 管材的ESCR 性能。一般ESCR 性能随着抗氧剂用量的增加而提高。
3）填充剂。加入填料，使PE 分子间作用力减弱，并且由于与PE 形成的界面不完善及类似大球晶的应力集中作用，致使PE 在外力及溶剂作用下，易产生龟裂。使用填充母料则影响小些。
3 PE 管成型工艺对ESCR 性能的影响
3.1挤出温度。PE 管材通常采用挤出成型。一般认为在挤出PE管材料时，挤出机温度不宜过高，尤其在挤出机螺杆转速低时，物料在机筒停留时间长，PE 易受破坏，生产出的管材ESCR 性能差[3]。HDPE 与LDPE 熔点不同，在挤出成型时温度控制也应不同。
3.2冷却速度。PE 管材成型时，冷却速度将影响到结晶状态，所以应严格控制。当冷却速度能快速越过最佳的结晶温度时，管材表面就形成结晶度较低的聚集态，而中间层和内表层则因PE 传热慢，致使在较高温度下停留时间长，而获得晶核数量及生长速度较为有利的结晶层。所以，挤出温度适当低些，配合适宜的冷却速度，可使PE 管材内部生成球晶细小且结晶度高的聚集态，对PE 管材其它性能及ESCR 性能均有利。
4 提高PE 管ESCR 性能的办法
为提高PE 管ESCR 性能，可采用多种方法，其中以PE 共混改性最为简便有效。通过共混使第二组分存在于PE 主体中，起到细化球晶、降低结晶度和阻止裂纹伸展的作用。常用的改性剂有线型低密度聚乙烯（LLDPE）、氯化聚乙烯（CPE）、苯乙烯/丁二烯/苯乙烯弹性体、（SBS）及乙烯/醋酸乙烯共聚物（EVA）。表为不同改性剂对HDPE 的ESCR 性能的影响，表明以EVA的改性效果最佳。PE 管的ESCR 性能随改性剂用量增加而提高。起始时提高速度快，当改性剂用量达30 份左右，继续增加改性剂用量对改善ESCR 性能已无明显效果。见表。
研究表明[3]，LDPE 改善HDPE 的ESCR 性能主要是由晶体结构和结晶度的变化，而CPE，SBS，EVA 与HDPE 的共混物ESCR 试样断面呈现错综复杂的网状结构，表现为典型的韧性断裂形态。这说明它们不仅改变了HDPE 的晶态，降低了结晶度，更重要的是增加了晶区的连接，强化了无定形区域，从而能有效阻止裂纹的发生和发展，使ESCR 性能得到改善。一般认为，降低结晶度，减小球晶尺寸有利于改善ESCR 性能。改性剂加入使结晶度下降，且降低的幅度随改性剂用量的增加而增加。EVA 是乙烯—乙酸乙烯酯共聚而成的无规共聚物，它具有良好的抗挠曲性、韧性及ESCR 性能。EVA改性剂随着VA 含量的提高，LDPE 制品ESCR 性能有明显改善，且PE 管材性能随着EVA 中VA 含量的增加、拉伸断裂强度与伸长率增加，拉伸屈服强度则下降。非极性弹性体能使HDPE 的ESCR 性能提高，氯丁橡胶、丁腈橡胶等极性弹性体也能有效地改善ESCR性能。
5 结论
（1）利用改性剂与PE 共混改性方法，通过降低结晶度，强化无定形区，是提高PE 管材的ESCR 性能行之有效的方法。不同改性剂效果不同，以EVA 效果最好。
（2）正确选择挤出工艺，控制挤出温度，冷却速度，牵引速度将对PE 管材ESCR 性能有很大影响。
（3）正确选择PE 树脂牌号、分子量、分子量分布、熔体流动速率、分子结构等将对PE 管材性能产生极大影响，而PE 组合物成分的合理选配也关系到ESCR性能。
参考文献：
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[3]李国政.聚乙烯护套料的耐环境应力开裂性能[J].电线电缆，2013，（4）：23-27.
[4]周敬超.聚乙烯耐环境蠕变的断裂力学实验方法与应用[J].水利水电科技进展，2013，23（3）：53-56.
论文作者:史家军
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/22
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