HDPE 管材有許多優(yōu)良的性能,如質(zhì)輕、抗腐、內(nèi)壁光滑、使用壽命長(zhǎng)等,又以其較高的強(qiáng)度應(yīng)用在承壓輸送各種介質(zhì)的管道上,但其環(huán)境應(yīng)力開裂性能較差,一些 HDPE 管道在長(zhǎng)期負(fù)荷作用下和一定時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力破損現(xiàn)象。
1 影響因素
1.1 冷卻速度的影響
溫度是 HDPE 結(jié)晶過程中最敏感的因素,不同的結(jié)晶程度對(duì)管材的力學(xué)性能有較大的影響。某廠 HDPE 管在水冷真空定徑箱中成型,管壁斷面有不同的熱歷史,不同的熱歷史對(duì) HDPE 有不同的結(jié)晶行為閱,形成了不同結(jié)晶度的聚集結(jié)構(gòu)。管材外表層受水急驟冷卻能夠很快的越過最佳的結(jié)晶溫度,形成一層結(jié)晶度較低的聚集結(jié)構(gòu)區(qū)。外表層和中間層有一個(gè)能夠獲得晶核數(shù)量及生長(zhǎng)速率最有利的結(jié)晶層,這個(gè)區(qū)域晶體生長(zhǎng)好,聚集結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。如果這時(shí)控制好一定的水溫和相應(yīng)的牽引速度,就可增加該層的厚度。因 HDPE 熱傳導(dǎo)慢,最佳結(jié)晶溫度在中間層和內(nèi)層停留的時(shí)間較長(zhǎng),結(jié)晶能夠在充分的條件下進(jìn)行,所得到的是數(shù)量較少、顆粒較大的聚集結(jié)構(gòu)區(qū)域。這種內(nèi)外結(jié)構(gòu)的不均勻性對(duì)管材的力學(xué)性能影響較大,低結(jié)晶區(qū)使管材具有韌性,高結(jié)晶區(qū)具有剛性,隨著結(jié)晶度的增加,脆性增大。當(dāng)壓扁到 2/3 時(shí)內(nèi)表面出現(xiàn)裂紋;繼續(xù)壓扁,裂紋向外表面擴(kuò)展。我們認(rèn)為使用密度高的均聚物擠出成型管材更應(yīng)該注意成型工藝。
1.2 熔融溫度的影響
成型中熔融溫度與在該溫度下停留的時(shí)間會(huì)影響殘存晶核的數(shù)量,晶核的存在與否及晶核的大小,對(duì)成型時(shí)的結(jié)晶速度有很大的影響.如果熔融溫度低,熔融時(shí)間短,殘核沒有受到破壞,成型時(shí)晶核結(jié)晶速度快,晶體的尺寸大小均勻,能形成較穩(wěn)定的聚集結(jié)構(gòu);如果熔融溫度高,熔融時(shí)間長(zhǎng),原有結(jié)構(gòu)破壞得就越多,殘余的晶核就越少,成核的時(shí)間就長(zhǎng),結(jié)晶速度就慢,結(jié)晶尺寸也大,結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,從而影響了管材的強(qiáng)度。熔體溫度都較高,應(yīng)力開裂時(shí)間都很短。我們?cè)妙A(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)、預(yù)熱溫度較高的機(jī)頭內(nèi)熔體成型管材做短期靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn),其時(shí)間只有 4.3h。熔融溫度對(duì) HDPE成型時(shí)的熔體破裂也有較大影響。成型時(shí)熔體受到剪切應(yīng)力,當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到或超過某一臨界值時(shí),熔體就會(huì)出現(xiàn)破裂。熔體溫度不同,對(duì)應(yīng)的剪切速率也大不相同。為保證管材的力學(xué)性能,成型時(shí)要控制好成型溫度,盡量避免熔體破裂。
1.3 牽引速度的影響
在管材成型過程中,熔體擠出口模的速度應(yīng)與牽引管材的速度相協(xié)調(diào)。如果牽引速度大于擠出速度,部分大分子順著牽引方向取向,在牽引力的作用下,彈性還沒有回復(fù)就被冷卻定型,特別是在口模已定的情況下,靠調(diào)整牽引速度來加工薄壁管,這樣的管材更易在軸線方向上產(chǎn)生裂紋。
2 蠕變開裂機(jī)理研究及開裂時(shí)間的預(yù)測(cè)
2.1 觀察開裂過程
繪出裂紋增長(zhǎng)的示意圖,根據(jù)材料所處狀態(tài)的不同,將裂紋分為 3 個(gè)區(qū)域,分別為塑性破壞區(qū)、過渡區(qū)和已斷裂區(qū)。在整個(gè)裂紋增長(zhǎng)過程中,根據(jù)裂紋擴(kuò)展速度的不同,將斷裂過程分為 3 個(gè)階段,分別為時(shí)間很短的初始恒速階段、加速增長(zhǎng)階段(SCG)、快速增長(zhǎng)階段(FCG)。得出了蠕變位移與時(shí)間的關(guān)系,研究了不同切口深度、載荷對(duì)時(shí)間的關(guān)系。表明低應(yīng)力載荷(小于屈服應(yīng)力的一半)、淺切口條件下,SCG階段所用的時(shí)間占整個(gè)過程破壞時(shí)間的絕大部分,SCG 的持續(xù)時(shí)間決定了材料的破壞時(shí)間。
2.2 假設(shè)在 SCG 增長(zhǎng)過程中
裂紋的擴(kuò)展速度是與溫度相關(guān)的初始應(yīng)力、初始切口深度的冪函數(shù),結(jié)合試驗(yàn),擬合出相應(yīng)常數(shù),得到裂紋擴(kuò)展速度與溫度、初始應(yīng)力、初始切口深度的關(guān)系函數(shù)。應(yīng)用彈性體斷裂力學(xué) Dugdale 模型,結(jié)合低應(yīng)力拉伸及 3 點(diǎn)彎曲試驗(yàn),得到裂紋恒速增長(zhǎng)階段應(yīng)變范圍、SCG 增長(zhǎng)的應(yīng)變范圍、應(yīng)變擴(kuò)展速度等測(cè)試結(jié)果,推導(dǎo)出預(yù)測(cè)試樣破壞時(shí)間的公式,預(yù)測(cè)出的破壞時(shí)間與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相一致。
3 建議
(1)HDPE 管成型工藝對(duì)其環(huán)境應(yīng)力開裂有較大的影響,好的樹脂沒有恰當(dāng)?shù)某尚凸に嚥荒芗庸こ鲑|(zhì)優(yōu)的產(chǎn)品,代用樹脂通過改良工藝也能獲得一定的環(huán)境應(yīng)力開裂時(shí)間。
(2)冷卻水溫與該溫度下的牽引速度有一個(gè)較佳的成型適宜值;成型時(shí)的熔體溫度根據(jù)樹脂的熔融溫度去設(shè)定機(jī)筒、機(jī)頭溫度,不易過高;牽引速度和擠出速度要同步,不能只用調(diào)整牽引速度去大幅度的調(diào)整管材壁厚。
(3)以吹塑級(jí)、拉絲級(jí)的 HDPE 樹脂成型的管材不宜應(yīng)用到輸送有壓介質(zhì)的管道上或長(zhǎng)時(shí)間的使用。
(4)在獲得各因素對(duì) HDPE 耐環(huán)境應(yīng)力開裂強(qiáng)度關(guān)系的基礎(chǔ)上,通過軟件仿真方式,預(yù)測(cè) HDPE 耐環(huán)境應(yīng)力開裂強(qiáng)度,縮短時(shí)間周期。
幾年來,我們通過生產(chǎn)、試驗(yàn)和總結(jié),根據(jù)不同的原料樹脂,及時(shí)調(diào)整工藝條件,使塑料管材質(zhì)量有所改善和提高,生產(chǎn)出用戶滿意的產(chǎn)品間,當(dāng)然,影響 HDPE 管材成型的因剝良多,本次試驗(yàn)中工藝條件的確定與調(diào)整是以靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)和環(huán)境應(yīng)力開裂試驗(yàn)指標(biāo)為主要依據(jù),我們所作的分析僅供參考。