聚乙烯管材耐慢速裂紋增長性能的加速評價方法研究進展

王志剛，楊 波，李茂東，林金梅，李仕平，翟 偉

（廣州特種承壓設備檢測研究院，廣東廣州510663）

標準與測試

聚乙烯管材耐慢速裂紋增長性能的加速評價方法研究進展

王志剛，楊 波，李茂東，林金梅，李仕平，翟 偉

（廣州特種承壓設備檢測研究院，廣東廣州510663）

綜述了聚乙烯（PE）管材慢速裂紋失效模式及相關評價方法，分析了現有PE管材耐慢速裂紋增長（SCG）性能評價方法的優(yōu)缺點，針對現有評價方法試驗周期長、效率低等問題，詳細介紹了近年來應用于測試PE管材SCG性能的主要加速評價方法，并對該領域未來的發(fā)展方向提出展望。

聚乙烯管材；失效模式；耐慢速裂紋增長；加速評價

0 前言

PE材管由于其耐腐蝕性強、力學性能好、使用壽命長及環(huán)保等優(yōu)勢已逐步取代鋼管，在城市給排水、燃氣等管道系統(tǒng)中廣泛使用［1－3］。但是由于在生產、運輸及施工等過程中造成的缺陷以及溫度、壓力和點載荷等外界因素的影響，PE管材會存在蠕變、應力松弛、快速裂紋擴展、慢速裂紋擴展及材料老化等失效模式，而慢速裂紋擴展是影響PE管材使用壽命最主要的失效模式［4］。因此，評價PE管材的SCG性能在工業(yè)制造中非常重要。目前，實現PE管材SCG的主要評價方法包括切口管試驗（NPT）、全缺口拉伸蠕變試驗（FNCT）、賓夕法尼亞缺口拉伸試驗（PENT）、錐體試驗方法（Cone）、缺口環(huán)試驗（NRT）和點載荷試驗（PLT）等［5－6］，這些方法雖然能很好的評價PE管材的SCG性能，但是隨著材料的不斷更新［如100級聚乙烯（PE100）、100級耐開裂聚乙烯（PE100RC）等材料］，其SCG性能越來越好，傳統(tǒng)的SCG性能評價方法由于所需的試驗時間太長等局限而逐漸難以支撐工業(yè)快速發(fā)展的需求，如PE100RC管材的全缺口拉伸蠕變試驗及點載荷試驗時間均需要超過15000h，其他評價方法也都需要超過1年的試驗時間，長時間的評價周期嚴重阻礙了管材專用樹脂的開發(fā)速度。因此，越來越多的國內外研究者開始把目光投向材料SCG性能加速評價方法的研究，以滿足對PE管材的質量控制及專用樹脂開發(fā)的需求。

本文詳細介紹了目前使用的測試PE管材SCG性能的主要加速評價方法，詳細分析了相應試驗方法的原理及優(yōu)勢，為新型PE管材材料的SCG性能測試提供更快速、有效的評價方法。

1 主要加速評價方法

1．1 應變硬化模量法

PE材料是由結晶區(qū)和無定形區(qū)組成的部分結晶型聚合物，其結晶度較高，存在3種無定形的分子鏈形態(tài)（從片晶中伸出的懸浮分子鏈、分子鏈兩端均在同一片晶中伸出的懸浮分子鏈環(huán)和系帶分子鏈）。管材慢速裂紋擴展是材料在持續(xù)低應力狀態(tài)下發(fā)生的，當材料在低應力狀態(tài)下，帶分子鏈開始解纏和滑移，隨著時間的推移，剩下為數不多的帶分子鏈承受著載荷作用，這時造成應力集中，于是管材發(fā)生脆性破壞，如圖1為PE結構分子的脆性破壞示意圖。應變硬化模量法（The Strain Hardening Modulus Method，SH）是基于銀紋發(fā)展和銀紋—裂紋轉換的Kramer－Brown模型［7－8］發(fā)展起來的評價PE材料SCG性能的加速試驗方法［910］，如圖2為裂紋尖端的銀紋結構。通過測試材料應變硬化點的應力 － 應變曲線的斜率來表征材料的SCG性能［11］，如圖3所示。該方法試驗原理是首先將試樣放在80℃的恒溫箱中，通過特制的夾持器具夾住試樣（試樣如圖4所示）兩端，以5mm／min的應變率施加一個0．4MPa的預應力，接著用20mm／min的恒定移動速度拉伸試樣，收集拉伸比（λ）在8～12之間或試樣失效時的數據值。該方法較傳統(tǒng)測試材料裂紋增長速度［5］的SCG性能試驗方法有以下優(yōu)勢：（1）試驗時間能從傳統(tǒng)的幾千小時縮短至幾小時，極大地縮短了PE材料的試驗周期；（2）操作簡單，僅需在80℃恒溫狀態(tài)下進行簡單地拉伸應變硬化試驗；（3）無需浸泡在特殊環(huán)境中，也無需添加任何表面活性劑；（4）試驗測得數據的標準偏差小于傳統(tǒng)SCG性能評價方法，具有更高的評價精確度和準確度。Kurelec等［12］通過試驗驗證了材料的有效纏結分子鏈的密度是控制材料銀紋擴展和銀紋－裂紋轉換最重要的固有材料參數，可以通過測試材料的應變硬化程度來直接評估PE材料的有纏結分子鏈密度，最終得出材料應變硬化性能與SCG性能是成正相關的關系。Antony等［13］通過進一步改進試驗方法，使應變硬化模量法只需在常溫下就能進行，進一步簡化了試驗條件，不過該方法目前只能應用于低密度聚乙烯（PE－LD）管材的SCG性能測試。2015年英國正式制定了應用應變硬化模量法來實現PE管用材料的SCG性能的加速試驗的國際標準（BS ISO 18488：2015）［14］。截止目前為止，國內還未對該方法形成國家及行業(yè)標準，也鮮有相關學術論文報道。所以，該方法將成為未來測試新型PE管用材料SCG性能加速主要試驗方法之一。

圖1 PE結構分子水平的脆性破壞示意圖Fig．1 Schematic diagram of brittle fracture at molecular level of polyethylene structure

圖2 裂紋尖端的銀紋結構Fig．2 Crazing structure of the cracked tip

圖3 應變硬化模量法試驗拉伸曲線圖Fig．3 Tensile curves of strain hardening modulus method

圖4 加工試樣Fig．4 Processing samples

1．2 循環(huán)載荷法

隨著原材料性能的提高，PE管材抵抗裂紋萌生和慢速裂紋擴展的能力大幅提高［15］。現有PE材料SCG性能評價方法的評價時間往往超過實際時間［16］，通過提高溫度［17］及加壓［18］等方式來減少試驗時間等措施都對試驗環(huán)境提出了較高的要求，而循環(huán)載荷法即使是在外界溫度23℃室溫條件下，試驗時間就可獲得極大程度的縮短。該方法通過在圓柱試樣的圓周方向加工環(huán)形初始裂紋，然后在圓柱試樣上施加材料發(fā)生慢速裂紋擴展的連續(xù)負荷范圍的循環(huán)拉伸，使其發(fā)生慢速裂紋擴展直至失效，通過分析在初始預置裂紋長度為aini時，樣品失效周期數（Nf）與應力范圍值（Δδ0）的對應關系，來測試材料的SCG性能。該方法的優(yōu)勢是由于樣品的特殊幾何關系使得裂紋尖端存在高度的制約和小的塑性變形，保證了裂紋快速萌生，從而縮短試驗時間［19－22］。該試驗方法的優(yōu)勢是試驗環(huán)境無需在特定環(huán)境下進行，僅需要在與實際應用溫度保持一致的情況下進行試驗；由于是在室溫下進行試驗，聚合物的結構狀態(tài)不會發(fā)生改變，不會破壞材料的分子鏈結構。Redhead等［23］使用線彈性斷裂力學的概念，開發(fā)了用于高密度聚乙烯（PE－HD）管的SCG試樣中的裂紋產生模型，應用于PE管材的壽命評估；此外，還對裂紋尖端工藝區(qū)進行了分析，以便更好地理解慢速裂紋生長的引發(fā)機理。Frank等［24］運用循環(huán)載荷法對來自5個不同原料供應商的10種PE100和PE100RC管材的SCG性能進行快速材料分級，還對35種不同PE管材進行試驗，根據采集的數據來確定不同PE材料的失效范圍，并且驗證了在室溫下，PE100的失效性能和PE100RC有重疊。Kratochvialla等［25］將循環(huán)載荷法運用于確定管材SCG性能的短時間試驗方法，該試驗方法在48h內就能提供材料脆性斷裂結果，并指示慢速裂紋的失效類型，通過與缺口管試驗、二缺口蠕變試驗和儀器化夏比沖擊試驗進行比較，驗證了SCG試驗可用于預測PE管的長期緩慢裂紋擴展行為。循環(huán)載荷試驗方法的國際標準ISO 18489：2015于2015年制定［26］，目前國內還未形成相應國家及行業(yè)相關標準。

圖5 循環(huán)載荷試驗結束后典型的SCG樣品斷面圖Fig．5 Typical SCG sample cross sections after cyclic loading test

1．3 其他方法

溫度、壓力及溶劑活性等作為影響PE管材SCG的主要因素，一直以來都是國內外眾多研究者研究PE管材SCG性能的主要參考點［21］。Brown等［20］研究表明，試驗溫度每提升1℃，破壞時間大約縮短10%，同時建立了不同溫度時應力與破壞時間的曲線，可以判斷脆韌轉變點，預測材料的長期性能；Warda等［27］研究表明在表面活性劑溶液中的試驗周期比在空氣進行試驗要縮短50倍。針對FNCT、Cone、NPT及PLT等PE管材SCG性能評價方法均需要在液壓以及溶液環(huán)境下進行，越來越多的研究者通過在溶液中加入表面活性劑來實現材料SCG性能加速測試。熊志敏等［28］通過開發(fā)質量分數為1．96%的Arkopal N100及質量分數為0．04%的十二烷基磺酸鈉溶液制成的表面活性劑溶液用于研究PE－HD管材SCG性能，該方法較壬基酚聚氧乙烯醚表面活性劑溶液提高至少1倍的加速效果，極大地加速了PE－HD管材的評價試驗。通過改變溫度、壓力及添加表面活性劑等方式，可以加速試樣的破壞，縮短材料的評價周期，存在的局限性是都需要在特定的環(huán)境中才能進行試驗。

2 結論

（1）PE管材SCG性能作為影響管材使用壽命最重要的脆性失效模式，其SCG性能測試顯得尤為重要，為保障工業(yè)PE管材的長期安全使用起到重要的作用；

（2）PE管材SCG性能測試的加速評價方法相比傳統(tǒng)評價方法，不僅評價周期極大地縮短，減少了新材料的開發(fā)周期，而且試驗精確度和準確度也具有明顯的優(yōu)勢，未來將成為高性能PE管材的主要評價方式。

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《中國塑料》正文格式要求

文章以實驗為主要內容的，應說明實驗設備、實驗條件，對實驗誤差的估計等。文章的撰寫應便于同行重復再現所報道的內容，由于保密原因不便公開某些內容的，應在附信中向編輯說明情況。

文章以數值計算為主要內容的，應給出所求解的方程、重要的計算參數、初始或邊界條件，難點問題的處理等，應對方法的適用性和計算精度估計有所說明，全文統(tǒng)一計算精度。

引言應說明課題的背景，引述該領域的國內外同行已經取得的進展，以說明本文的選題意義和創(chuàng)新點所在。

正文采用二級及以下標題。二級標題下需要分類的，可在新的段落中進行討論，一個段落討論說明一個問題。舉例：

0前言

1實驗部分

1．1 主要原料

此節(jié)給出所用原料和藥品的具體參數，每一種原料占一行，以“；”結束此項；最后用“。”結束此段。

格式：藥品或原料名稱，藥品或原料規(guī)格、牌號及參數，生產廠家；例：

十八烷基三甲基氯化銨，分析純，山東淄博化學有限公司；

高密度聚乙烯（PE－HD），5502，雪佛龍－菲利普斯新加坡化工有限公司；

1．2 主要設備及儀器

此節(jié)給出設備參數，每一設備占一行。

格式：設備名稱，型號，生產廠家；例：

平板硫化機，SQLB－350×350，上海第一橡膠機械廠；

熱失重分析儀，TA2950，美國TA公司。

1．3 試樣（或樣品）制備

此節(jié)主要介紹制備工藝過程。例：

所用的聚甲基乙烯基硅氧烷為BPO硫化PMVS得到的片狀料，其配方、工藝參數、厚度相同，溶脹之前在真空烘箱中于150℃干燥4h，180℃干燥2h，除去小分子殘留物。硅橡膠片尺寸約45mm×24mm×2mm，質量約2．5g。在玻璃瓶中加入丙烯酸酯單體（60g）、過氧化苯甲酰引發(fā)劑BPO（102mg），室溫下放置2h，觀察不到固體BPO存在時，將硅橡膠片完全浸沒在丙烯酸酯與BPO組成的溶液中，溶脹不同時間后，取出硅橡膠片，記錄溶脹后的質量。溶脹度用溶脹吸收的丙烯酸酯溶液的質量與原硅橡膠片的質量之比表示。將溶脹一定時間的橡膠片置于玻璃瓶中，置于真空干燥箱中，在80℃，真空度0．01MPa下聚合2h。

1．4 性能測試與結構表征

此節(jié)要列出所采用的標準和試驗條件等。例：

按GB／T 1843—2008測試材料懸臂梁缺口沖擊性能，使用缺口制樣機r＝0．1mm的銑刀制得“V”形缺口，缺口深度為2mm，擺錘速度為3．5m／s。

2結果與討論

……………。

2．1 蒙脫土對PP力學性能的影響

……………。

2．1 ．1對沖擊強度的影響

……………。

2．1 ．2對拉伸強度的影響

……………。

2．2 ……………

……………………………………………………

3結論

（1）……………；

（2）……………。

（注：對全文工作的總結，最好分段給出。結論與摘要不能完全重復。）

參考文獻：

［1］……………．

［2］……………．

Research Progresses in Accelerated Evaluation Methods for Slow－crack－growth Resistant Performance of Polyethylene Pipes

WANG Zhigang，YANG Bo，LI Maodong，LIN Jinmei，LI Shiping，ZHAI Wei
（Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute，Guangzhou 510663，China）

This paper reviewed modes of slow crack growth（SCG）failure for polyethylene pipes and their evaluation methods，and also analyzed advantages and disadvantages of current evaluation methods for the slow crack growth－resistant performance of the pipes．For problems in the evaluation methods such as a long testing period and low efficiency，main accelerated evaluation methods for charactering the slow crack growth－resistant performance of the pipe was introduced in detail，and finally，the future development direction of this field was prospected．

polyethylene pipe；failure mode；slow crack growth resistance；acceleration evaluation

TQ325．1＋2

B

1001－9278（2017）07－0121－05

10．19491／j．issn．1001－9278．2017．07．020

2016－12－26

國家質檢總局科技計劃項目（2016QK142）

聯系人，orinwang8851＠163．com