耐熱聚乙烯管材料的穩定性分析范文

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《合成樹脂及塑料雜志》2015年第六期

摘要：

研究了3種耐熱聚乙烯（PE-RT）管材料的氧化誘導期、加工穩定性、長期熱穩定性等。結果表明：3種管材料的氧化誘導期（210℃）均在60min以上，其中，PE-RTQHM22F的加工穩定性和長期熱穩定性最優，5次造粒后熔體質量流動速率變化率小于3%，4800h熱水老化后斷裂標稱應變大于700%。

關鍵詞：

耐熱聚乙烯；管材料；穩定性；氧化誘導期

耐熱聚乙烯（PE-RT）管材料是最新一代耐熱管和地熱管專用塑料，是近年來在管材行業逐漸被采用的一種耐熱壓性能卓越的無需交聯的聚乙烯類塑料，市場需求量逐年增長。PE-RT管材料在高溫（>40℃）條件下使用，并且要滿足GB/T28799.2—2012對其靜液壓狀態下熱穩定性（8760h）的要求[1]，需要管材料具有優異的長期熱穩定性；與通用聚乙烯管材料相比，其在高溫條件下的加工速率更高，需要具有優異的加工穩定性。因此，研究PE-RT管材料的穩定性，對其加工及應用有重要意義。

1實驗部分

1.1原料PE-RT管材料，QHM22F，中國石油化工股份有限公司齊魯分公司生產；PE-RT管材料，PE-1，PE-2：均為進口。

1.2儀器與設備Q20型差示掃描量熱儀，美國TA儀器公司生產；4467型萬能材料實驗機，美國Instron公司生產；Magna760型傅里葉變換紅外光譜分析儀，美國尼高力公司生產。

1.3分析與測試按GB/T19466.6—2009測試氧化誘導期，210℃，鋁杯。按GB/T1040.2—2006測試拉伸性能，拉伸速度為50mm/min。羰基相對含量、端基雙鍵相對含量分析：采用紅外光譜法測試，羰基相對含量用譜圖中1685~1778cm-1的羰基吸收峰面積與合頻峰2019cm-1面積之比獲得；雙鍵相對含量用試樣中874~920cm-1的碳碳雙鍵吸收峰面積與合頻峰2019cm-1面積之比獲得。

2結果與討論

2.1國內外標準對PE-RT管材料穩定性要求目前，國內外設計PE-RT管材料的標準主要有ISO22391：2009“冷熱水用耐熱聚乙烯（PE-RT）管道系統”、CJ/T175—2002“冷熱水用耐熱聚乙烯管道系統”、GB/T28799—2012“冷熱水用耐熱聚乙烯（PE-RT）管道系統”3個標準，針對管材和管件的穩定性要求見表1。從表1可以看出：國家標準中，提高了PE-RT管材料加工穩定性，即熔體流動速率（MFR）變化率和對PE-RTⅡ型管材料熱穩定性要求，MFR變化率為±0.3g/10min且不超過±20%。

2.2氧化誘導期QHM22F，PE-1，PE-2的氧化誘導期接近而且均較長，分別為69，68，73min，可保證材料具有良好的熱穩定性。

2.3加工穩定性PE-RT管材料國家標準規定，管材料加工后MFR變化率小于20%，且生產時允許使用來自本廠的同一牌號的生產同種產品的清潔回用料[2]，故需要管材料具有良好的加工穩定性以滿足加工和使用要求。可通過多次造粒觀察管材料的MFR變化率大小，從而判斷其加工穩定性的優劣。從表2可看出：經5次造粒后，QHM22F的MFR變化率最小，說明該產品具有優異的加工穩定性，這一方面與其助劑體系有關，另一方面與其分子結構有關。

2.4長期熱穩定性由于PE-RT管主要用于輸送熱水，使用溫度較高，需要管材料具有良好的長期熱穩定性，以保證管材的長期使用壽命。試驗考察了QHM22F，PE-1及PE-2在95℃熱水中老化2500，4800h后拉伸性能的變化。

從表3可以看出：經過4800h熱水老化后，QHM22F及PE-2仍保持較高的斷裂標稱應變，PE-1斷裂標稱應變下降較明顯。QHM22F及PE-2優異的熱穩定性與其合理的抗氧劑體系有關，選擇的抗氧劑能有效地防止聚合物材料在長期老化過程中的熱氧化降解，并且兩種管材料均為茂金屬催化劑生產，分子結構具有高度的單一性、分子內組成分布均勻。在熱、氧的作用下，聚乙烯大分子鏈易發生熱氧化反應生成大分子烷氧自由基，其自身發生β裂解形成醛、酮，會在PE分子上形成羰基，羰基含量可表征材料因熱氧化發生降解反應而形成的各種氧化反應產物的多少，從而驗證材料長期熱穩定性的好壞。羰基一部分來源于樹脂的氧化降解，另一部分來源于樹脂中含羰基的抗氧劑，因此羰基含量是抗氧劑析出量與材料降解量綜合的結果。從表4可以看出：隨著熱水氧化時間的增加，2500h時，PE-1的羰基含量有所增加，說明材料發生了氧化降解；PE-2中羰基含量明顯下降，說明PE-2中的抗氧劑在水中有明顯的析出，其氧化誘導期明顯下降也證明了這一點。在4800h時，4種管材料的羰基含量較未老化前都有所減少，說明抗氧劑經長時間熱水老化后都會有一定量的析出，使材料的耐熱老化能力下降。端基雙鍵相對含量變化可以說明材料的交聯程度。從表4還可以看出：QHM22F，PE-1中端基雙鍵相對含量變化不大，材料中因熱氧化導致的交聯程度較少。PE-2中端基雙鍵相對含量在2500h時有所下降，說明材料中有較明顯的交聯，在4800h時端基雙鍵相對含量有所增加，是由于材料降解產生的雙鍵所致。綜上結果表明，PE-RT管材料在長期使用過程中，隨著抗氧劑的析出，會發生熱降解和交聯兩種熱老化過程。管材料結構、所用抗氧劑種類和含量的不同，會使材料的抗熱老化能力有明顯差異。

3結論

a）PE-RT管材料的氧化誘導期均較長，但由于助劑體系和分子結構不同會造成穩定性存在差異。b）研究的3種PE-RT管材料中，QHM22F具有優異的加工穩定性、長期熱穩定性，可滿足管材料加工和長期使用要求。c）PE-RT管材料在長期使用過程中會發生熱降解和交聯兩種熱老化過程。

4參考文獻

[1]GB/T28799.2—2012“冷熱水用耐熱聚乙烯管道系統.第2部分：管材”[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準委員會，2012.

[2]GB/T28799.1—2012“冷熱水用耐熱聚乙烯管道系統第1部分：總則”[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準委員會，2012.

作者：王群濤 郭銳 王日輝 高凌雁 許平 石晶 單位：中國石油化工股份有限公司齊魯分公司研究院