耐熱聚乙烯管材專用樹脂的性能

王群濤，唐巖，郭銳，高凌雁，王日輝

（中國(guó)石油化工股份有限公司齊魯分公司研究院，山東省淄博市 255400）

耐熱聚乙烯管材專用樹脂的性能

王群濤，唐巖，郭銳，高凌雁，王日輝

（中國(guó)石油化工股份有限公司齊魯分公司研究院，山東省淄博市 255400）

研究了耐熱聚乙烯管材專用樹脂QHM22F的常規(guī)物性、長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性、加工性能、靜液壓強(qiáng)度等，并在管材生產(chǎn)廠家進(jìn)行了不同口徑的管材加工應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明：QHM22F的簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度在70 kJ/m2以上；200℃氧化誘導(dǎo)期大于120 min；熔體強(qiáng)度在0.24 N以上；加工性能良好，可滿足高速牽引的加工需要。采用QHM22F生產(chǎn)的管材內(nèi)外表面光滑、壁厚均勻，性能滿足用戶要求。

耐熱聚乙烯 管材 高速牽引 靜液壓強(qiáng)度

耐熱聚乙烯（PE-RT）是一種非交聯(lián)的聚乙烯，采用特殊的分子設(shè)計(jì)和聚合工藝合成，可用于生產(chǎn)地暖管、鋁塑復(fù)合管、輸油管等[1]。2010年，我國(guó)PE-RT管道產(chǎn)量約70 kt。隨著我國(guó)住宅迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，建筑冷熱水輸送、地暖等用途塑料管道必不可少，PE-RT管道將會(huì)快速發(fā)展，市場(chǎng)的潛力巨大。2011年以前，我國(guó)使用的PE-RT管材專用樹脂全部依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，每噸PE-RT樹脂比普通聚乙烯樹脂同期價(jià)格高2 500～3 500元。因此，為滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展需求，迫切需要國(guó)內(nèi)石化企業(yè)結(jié)合自身工藝開發(fā)出性能優(yōu)異的PE-RT管材專用樹脂。

中國(guó)石油化工股份有限公司齊魯分公司（簡(jiǎn)稱齊魯石化）在管材專用樹脂開發(fā)和研究方面積累了多年經(jīng)驗(yàn)，通過進(jìn)行PE-RT管材專用樹脂市場(chǎng)調(diào)研、進(jìn)口樹脂及助劑體系研究、中試生產(chǎn)等，為產(chǎn)品工業(yè)化打下了良好的基礎(chǔ)。2011年4月，齊魯石化利用工業(yè)化裝置成功開發(fā)了PE-RT管材專用樹脂QHM22F，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

QHM22F，齊魯石化生產(chǎn)；PE-1，進(jìn)口PE-RT管材專用樹脂。

1.2 儀器與設(shè)備

35SFV655038型密度梯度儀，6542型熔體流動(dòng)速率儀，6957型沖擊強(qiáng)度儀，均為意大利Ceast公司生產(chǎn)；Q20型差示掃描量熱儀，美國(guó)TA公司生產(chǎn)；4467型萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，美國(guó)Instron公司生產(chǎn)；LR-016型熱老化試驗(yàn)箱，重慶銀河試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)；RHEOTENS71.90型熔體強(qiáng)度儀，德國(guó)Gottfert公司生產(chǎn)；ACER2000型毛細(xì)管流變儀，美國(guó)流變科學(xué)公司生產(chǎn)；6M-2型維卡軟化儀，日本東洋精機(jī)株式會(huì)社生產(chǎn)。

1.3 分析與測(cè)試

熔體流動(dòng)速率（MFR）按GB/T 3682—2000測(cè)試，負(fù)載為2.16 kg。密度按GB/T 1033.2—2010（D法）測(cè)試。氧化誘導(dǎo)期按GB/T 19466.6—2009測(cè)試，200℃，鋁杯。流變性能按ISO 11443：1995測(cè)試。短期靜液壓強(qiáng)度按GB/T 6111—2003測(cè)試。簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度按ISO 11357-6：2008測(cè)試，23℃，A型缺口。拉伸性能按GB/T 1040.2—2006測(cè)試，拉伸速率為50 mm/min。維卡軟化溫度按GB/T 1633—2000測(cè)試，升溫速率為120℃/min。熔體強(qiáng)度按Q/SF 10—2006測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)物性

從表1看出：QHM22F的斷裂標(biāo)稱應(yīng)變和簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度較高，滿足管材使用中對(duì)材料柔韌性的要求；氧化誘導(dǎo)期較長(zhǎng)，可保證材料具有良好的熱穩(wěn)定性。

表1 QHM22F的常規(guī)物性（典型值）Tab.1Basic physical properties of QHM22F(typical value)

2.2 加工穩(wěn)定性

從表2看出：經(jīng)多次造粒后QHM22F的MFR、斷裂標(biāo)稱應(yīng)變的變化較小，說明該產(chǎn)品具有優(yōu)異的加工穩(wěn)定性。

表2 多次造粒后QHM22F的性能變化Tab.2Property changes of QHM22F after repeated pelleting

2.3 長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性

由于PE-RT管材主要用于輸送熱水，使用溫度較高，要求樹脂具有良好的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性，以保證管材的使用壽命。考察了QHM22F在110℃下烘箱老化500，1 500 h后拉伸性能的變化，并與市場(chǎng)上應(yīng)用較廣泛的進(jìn)口樹脂PE-1進(jìn)行了對(duì)比。從表3看出：經(jīng)長(zhǎng)期熱老化后，QHM22F及PE-1仍保持較高的斷裂標(biāo)稱應(yīng)變，說明兩者具有良好的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性；兩種管材專用樹脂的拉伸屈服強(qiáng)度都略有增加。這是由于在熱老化過程中材料結(jié)晶性能改變，結(jié)晶度增加[2]。

表3 兩種管材專用樹脂熱老化后拉伸性能的變化Tab.3The change in tensile property of 2 kinds of special resins for pipe safter heat aging

2.4 流變行為

采用毛細(xì)管流變儀考察了210℃下QHM22F與PE-1的流變行為。從圖1看出：QHM22F與PE-1都具有較高的臨界剪切速率（γ）（300 s-1），可保證管材在高速加工時(shí)仍具有良好的外觀；在較低γ（低于100 s-1）下，QHM22F與PE-1的剪切黏度（η）相近，說明兩者在開機(jī)初始的電流接近；在較高γ（100～300 s-1）下，QHM22F的η明顯低于PE-1，說明QHM22F在管材加工過程中的能耗較小。

2.5 熔體強(qiáng)度

熔體強(qiáng)度反映聚合物熔體的抗延伸性及抗熔垂性，它是決定材料加工成型的一個(gè)非常重要的性能[3]。PE-RT管材專用樹脂擠出時(shí)需要較高的熔體強(qiáng)度以滿足高速牽引和成型的需要。QHM22F與PE-1的熔體強(qiáng)度分別為0.24，0.21。管材加工中發(fā)現(xiàn)兩種管材料的熔體強(qiáng)度較高，可滿足高速牽引的生產(chǎn)要求，制備尺寸穩(wěn)定的管材。

2.6 出口膨脹比

從圖2看出：QHM22F的出口膨脹比較小，有利于管材生產(chǎn)，保證了管材特別是小口徑管材的尺寸穩(wěn)定性。

2.7 結(jié)晶溫度

管材專用樹脂的結(jié)晶溫度影響其成型周期、管材外觀和使用性能，較高的結(jié)晶溫度可縮短成型周期、縮小管材內(nèi)外壁的性能差異。普通線型低密度聚乙烯結(jié)晶溫度與的結(jié)晶溫度分別為114.4，113.9℃，結(jié)晶溫度較高，有利于縮短擠出管材時(shí)的成型周期，保證高速加工條件下制備外觀良好的管材。

2.8 靜液壓強(qiáng)度

靜液壓強(qiáng)度是PE-RT管材專用樹脂的關(guān)鍵性能，影響著管材的耐壓強(qiáng)度和使用壽命。從表4看出：QHM22F除110℃下靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)仍在進(jìn)行中外，其他各條件下的靜液壓強(qiáng)度都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，材料具有優(yōu)異的耐壓性能。

表4 QHM22F管材的靜液壓強(qiáng)度Tab.4Hydrostatic strength of the pipes made of QHM22F

3 加工應(yīng)用試驗(yàn)

采用PE-RT管材專用樹脂QHM22F在國(guó)內(nèi)多個(gè)生產(chǎn)廠家的管材生產(chǎn)線上分別進(jìn)行了不同口徑的管材加工應(yīng)用試驗(yàn)。

從表5看出：QHM22F加工性能好，加工工藝穩(wěn)定，與進(jìn)口樹脂PE-1相當(dāng)；生產(chǎn)的管材內(nèi)外表面光滑，壁厚均勻，管材短期靜液壓強(qiáng)度滿足出廠檢驗(yàn)要求。

表5 QHM22F的加工工藝條件Tab.5Processing conditions of QHM22F

從表看出：的加工性能和設(shè)備適應(yīng)性好，與進(jìn)口樹脂PE-1相當(dāng)，加工工藝穩(wěn)定，可滿足高速加工需要，最高牽引速度可達(dá)25 m/ min；生產(chǎn)的管材內(nèi)外表面光滑，壁厚均勻。

表6 QHM22F的加工工藝條件Tab.6Processing conditions of QHM22F

從表7看出：QHM22F的加工性能好，可滿足高速加工需要；生產(chǎn)的管材內(nèi)外表面光滑，壁厚均勻，制品性能滿足CJ/T 175—2002“冷熱水用耐熱聚乙烯管道系統(tǒng)”的要求。

表7 QHM22F的加工工藝條件Tab.7Processing conditions of QHM22F

4 結(jié)論

a)開發(fā)的PE-RT管材專用樹脂QHM22F具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能、加工穩(wěn)定性、長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性。

b)QHM22F具有良好的加工性能，滿足高速牽引的要求。

c)采用QHM22F生產(chǎn)的管材內(nèi)外表面光滑、壁厚均勻，滿足用戶要求。

[1]唐巖,王群濤,郭銳，等.耐熱聚乙烯管材料的開發(fā)綜述[J].齊魯石油化工，2011,39(3)：265-268.

[2]李紅山，張藝，許家瑞.硬脂酸鑭對(duì)LLDPE熱老化行為的影響[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，45（6）：48-52.

[3]占國(guó)榮，周南橋，彭響方，等.聚合物的熔體強(qiáng)度及測(cè)試技術(shù)[J].中國(guó)塑料，2003，17（8）：79-82.

Properties of special polyethylene for heat resistant pipes

Wang Quntao,Tang Yan,Guo Rui,Gao Lingyan,Wang Rihui
(Research Institute of Qilu Branch Co.,SINOPEC,Zibo 255400,China)

The authors studied basic physical properties,long-term heat stability,processability and hydrostatic strength of the special polyethylene resin(QHM22F)for heat resistant pipes.The processing and pplication experiments of the pipes with different diameters made of the resin were carried out in the pipe nterprises.The results indicate that the Charpy impact strength of QHM22F is higher than 70 kJ/m2, xidation induction time at 200℃is over 120 min and melting strength is above 0.24 N.QHM22F has xcellent processability and meet the processing conditions for high speed pulling.The pipe made of QHM22F has the advantages of uniform thickness and smooth inner and outer surface;its properties satisfy he users′requirement.

heat resistant polyethylene;pipe;high speed pulling;hydrostatic strength

TQ 325.1+2

B

1002-1396(2012)04-0062-04

2012-01-30。

2012-04-26。

王群濤，1979年生，工程師，2001年畢業(yè)于天津科技大學(xué)，現(xiàn)從事高分子材料研究。聯(lián)系電話：（0533）7585676；E-mail：9732113@sina.com。

（編輯：李靜輝）