聚丙烯冷熱水管材的鑒別

（國家能源集團寧夏煤業煤炭化學工業技術研究院，寧夏銀川 750411）

聚丙烯管材專用料按聚合工藝不同分為均聚聚丙烯（PPH）管材料、嵌段共聚聚丙烯(PPB)管材料以及無規共聚聚丙烯(PPR)管材料三種。PPH由單一的丙烯分子聚合而成，PPB與PPR則由丙烯與乙烯等其他分子共聚而成。分子結構的不同導致材料具有不同的應用特性。PPH管材料的模量高、承壓能力強，但低溫性能較差，因而不適用于民用給水管道；PPB的高、低溫沖擊強度高，但承壓能力差，因此只適用于冷水及低溫采暖；PPR管材具有優良的長期耐熱氧穩定性、長期抗蠕變性能，更適于輸送熱水。由于PPR管的市場價格高于PPB管，個別生產企業利用消費者貪圖便宜的心理，使用PPB管冒充PPR管，損害消費者利益的同時，還可能帶來管道泄漏或使用壽命縮短等嚴重后果。因此，掌握PPB和PPR管材專用料的特征及鑒別方法尤為重要。

本文從聚丙烯的結構、性能的角度出發，通過紅外光譜、掃描電鏡、差式掃描量熱、力學性能測試等手段，探討PPB和PPR管材專用料的鑒別方法。

1 實驗部分

1.1 原料

PPB:韓國某公司生產；PPR：韓國某公司生產。

1.2 主要儀器和設備

注塑機，BC-V／I，中國博創機械股份公司；掃描電鏡，Quanta 250，美國FEI公司；紅外光譜儀，V70，德國Bruker公司；沖擊試驗機，9050，美國Instron公司；差式掃描量熱儀（DSC)，200F3，德國Netzsch公司；萬能試驗試驗機，5966，美國Instron公司；洛氏硬度儀，RB2000，美國Wilson 公司；熱變形試驗機，40-197-100，德國Coesfeld公司。

1.3 測試方法

熔融、結晶溫度按照GB/T 19466.3-2004 測試；洛氏硬度按GB/T 3398.1-2008測試；彎曲模量按GB/T 9341-2008測試；簡支梁缺口沖擊強度按GB/T 1043.1-2008測試；熱變形溫度按GB/T 1634.2-2004測試；管材靜液壓試驗按GB/T 18742.2-2017測試。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜表征

分別對PPB和PPR樣品做紅外光譜分析，結果如圖1所示，PPB樣品在721 cm-1處有一明顯吸收峰，而PPR樣品在732 cm-1處有一明顯吸收峰。根據紅外光譜分析理論可知，在共聚聚丙烯的紅外譜圖中，721 cm-1附近的吸收峰為- CH2 - ( - CH2 - ) -n CH2 -的特征峰。731 cm-1附近的吸收峰是乙烯和丙烯以- CH ( CH3 - ) - CH2 - CH2 - CH2 - CH ( CH3 - ) - 形式相連接鏈段的特征峰。733 cm-1附近的吸收峰則是乙烯和丙烯以- CH ( CH3 - ) - CH2 - CH2 - CH2 - CH ( CH3 - ) - CH2 -形式相連接鏈段的特征峰[1-2]。由此可知，721 cm-1附近的吸收峰為乙丙共聚物中乙烯嵌段聚合鏈段的特征峰，PPB樣品在該處的吸收峰表明該PPB樣品為典型的嵌段共聚聚丙烯。PPR樣品在732 cm-1處有吸收峰，而在721 cm-1附近無吸收峰表明該PPR樣品中基本不存在乙烯嵌段聚合鏈段，屬于典型的無規共聚聚丙烯。

圖1 PPB和PPR樣品的紅外光譜圖Fig.1 The infrared spectrogram of PPB and PPR samples

2.2 掃描電鏡表征

圖2為PPB和PPR樣品切片經刻蝕后在掃描電鏡下5000倍時的對比照片。可以看出，橡膠相以微粒狀均勻地分散在PPB基體中，呈典型的“海-島”結構。橡膠相在PPB中起增韌作用，提高了PPB的沖擊強度，尤其是低溫沖擊強度。但由于存在明顯的兩相結構，因此抗蠕變性能稍差。而PPR由于乙烯無規分布在丙烯的分子鏈中，為均相結構，因此不含橡膠相，抗蠕變性能也好。

圖2 PPB和PPR樣品的掃描電鏡照片Fig.2 The scanning electron microscopy of PPB and PPR samples

2.3 熱分析法

通過差式掃描量熱儀（DSC）測量PPB和PPR的熔點，結果如圖3所示，可以看出，PPB的熔點通常在165 ℃左右，而PPR的熔點一般在145 ℃左右。PPB與PPR熔點的差異近20 ℃，成為區分PPB與PPR的主要特征之一，也是兩者不能混用的重要原因之一，否則熱熔連接管材和管件時，極易導致管道泄漏。

圖3 PPB和PPR樣品的熔融曲線圖Fig.3 The melting curves of PPB and PPR samples

2.4 結晶度

聚丙烯的結晶度是一個重要的結構參數，聚丙烯的許多宏觀物理機械性能都與結晶度直接相關。圖4給出了PPB和PPR兩種聚丙烯管材專用料的結晶度?？梢钥闯?，PPB樣品的結晶度大于PPR樣品的結晶度。

聚丙烯的結晶度受分子鏈的立構規整性影響很大。分子鏈的立構規整度越高，越易排列成晶體結構，材料的結晶度也就越高。PPB中雖然含有乙烯單體，但由于乙烯單體大多存在于嵌段相中，并未有效降低聚丙烯分子鏈的規整度，因此結晶度只是略微下降；而PPR中的乙烯單體是無規分布在聚丙烯分子鏈中，有效降低了聚丙烯分子鏈的規整度，因此PPR的結晶度明顯小于PPB的。

圖4 PPB和PPR樣品的結晶度Fig.4 The crystallinity of PPB and PPR samplesz

表1 PPB和PPR的物理機械性能Table1 The physical and mechanical properties of PPB and PPR

2.5 物理機械性能

聚丙烯分子結構的不同導致其物理機械性能也不同。表1給出了可以區分PPB和PPR的幾種物理機械性能。

從表1中可以看出，PPB的彎曲模量在1000 MPa以上，而PPR的彎曲模量通常在800 MPa左右，PPB的彎曲模量明顯高于PPR的。

在-20 ℃時，PPB的簡支梁缺口沖擊強度為6.17 kJ/m2，PPR的簡支梁缺口沖擊強度為2.82 kJ/m2，兩者差異比較明顯。

PPB的洛氏硬度在90左右，PPR的洛氏硬度則在75左右。

PPB的熱變形溫度在88 ℃左右，PPR的熱變形溫度則在69 ℃左右。

PPB和PPR的物理機械性能有著明顯的差異，可以作為區別PPB管材料和PPR管材料的依據。

2.6 靜液壓試驗

靜液壓試驗是考核給水管管材質量最基本的項目，它反映了管材在應用時所能承受壓力的大小和壽命的長短，只有達到標準要求的產品才能保證其在規定使用期內正常使用。材料不同，對管材耐壓性能的要求也不同。如表2所示，PPB在高溫下的環應力明顯低于PPR。表3為由聚丙烯管材耐壓性能不同導致的管材使用壽命上的差異,可見，如果使用PPB管材代替PPR管材，將大大縮短管材的使用壽命。

表2 PPB和PPR管材靜液壓試驗性能[3]Table2 The hydrostatic test performance of PPB and PPR pipes

表3 PPB和PPR管材使用壽命的比較Table 3 Comparison of service life of PPB and PPR pipes

3 結論

通過紅外光譜、掃描電鏡、差式掃描量熱、力學性能測試等手段，可以對聚丙烯管材專用料進行區別和鑒定。如果同時采用幾種方法進行分析測試，鑒定結果將更為可靠。