HDPE 管材成型工艺条件对其应力开裂的影响

HDPE 管材有许多优良的性能，如质轻、抗腐、内壁光滑、使用寿命长等，又以其较高的强度应用在承压输送各种介质的管道上，但其环境应力开裂性能较差，一些 HDPE 管道在长期负荷作用下和一定时间后会出现应力破损现象。
1 影响因素
1.1 冷却速度的影响
温度是 HDPE 结晶过程中最敏感的因素，不同的结晶程度对管材的力学性能有较大的影响。某厂 HDPE 管在水冷真空定径箱中成型，管壁断面有不同的热历史，不同的热历史对 HDPE 有不同的结晶行为阅，形成了不同结晶度的聚集结构。管材外表层受水急骤冷却能够很快的越过最佳的结晶温度，形成一层结晶度较低的聚集结构区。外表层和中间层有一个能够获得晶核数量及生长速率最有利的结晶层，这个区域晶体生长好，聚集结构稳定。如果这时控制好一定的水温和相应的牵引速度，就可增加该层的厚度。因 HDPE 热传导慢，最佳结晶温度在中间层和内层停留的时间较长，结晶能够在充分的条件下进行，所得到的是数量较少、颗粒较大的聚集结构区域。这种内外结构的不均匀性对管材的力学性能影响较大，低结晶区使管材具有韧性，高结晶区具有刚性，随着结晶度的增加，脆性增大。当压扁到 2/3 时内表面出现裂纹；继续压扁，裂纹向外表面扩展。我们认为使用密度高的均聚物挤出成型管材更应该注意成型工艺。
1.2 熔融温度的影响
成型中熔融温度与在该温度下停留的时间会影响残存晶核的数量，晶核的存在与否及晶核的大小，对成型时的结晶速度有很大的影响.如果熔融温度低，熔融时间短，残核没有受到破坏，成型时晶核结晶速度快，晶体的尺寸大小均匀，能形成较稳定的聚集结构；如果熔融温度高，熔融时间长，原有结构破坏得就越多，残余的晶核就越少，成核的时间就长，结晶速度就慢，结晶尺寸也大，结构不稳定，从而影响了管材的强度。熔体温度都较高，应力开裂时间都很短。我们曾用预热时间长、预热温度较高的机头内熔体成型管材做短期静水压强度试验，其时间只有 4.3h。熔融温度对 HDPE成型时的熔体破裂也有较大影响。成型时熔体受到剪切应力，当剪切应力达到或超过某一临界值时，熔体就会出现破裂。熔体温度不同，对应的剪切速率也大不相同。为保证管材的力学性能，成型时要控制好成型温度，尽量避免熔体破裂。
1.3 牵引速度的影响
在管材成型过程中，熔体挤出口模的速度应与牵引管材的速度相协调。如果牵引速度大于挤出速度，部分大分子顺着牵引方向取向，在牵引力的作用下，弹性还没有回复就被冷却定型，特别是在口模已定的情况下，靠调整牵引速度来加工薄壁管，这样的管材更易在轴线方向上产生裂纹。
2 蠕变开裂机理研究及开裂时间的预测
2.1 观察开裂过程
绘出裂纹增长的示意图，根据材料所处状态的不同，将裂纹分为 3 个区域，分别为塑性破坏区、过渡区和已断裂区。在整个裂纹增长过程中，根据裂纹扩展速度的不同，将断裂过程分为 3 个阶段，分别为时间很短的初始恒速阶段、加速增长阶段（SCG）、快速增长阶段（FCG）。得出了蠕变位移与时间的关系，研究了不同切口深度、载荷对时间的关系。表明低应力载荷（小于屈服应力的一半）、浅切口条件下，SCG阶段所用的时间占整个过程破坏时间的绝大部分，SCG 的持续时间决定了材料的破坏时间。
2.2 假设在 SCG 增长过程中
裂纹的扩展速度是与温度相关的初始应力、初始切口深度的幂函数，结合试验，拟合出相应常数，得到裂纹扩展速度与温度、初始应力、初始切口深度的关系函数。应用弹性体断裂力学 Dugdale 模型，结合低应力拉伸及 3 点弯曲试验，得到裂纹恒速增长阶段应变范围、SCG 增长的应变范围、应变扩展速度等测试结果，推导出预测试样破坏时间的公式，预测出的破坏时间与实际测试结果相一致。
3 建议
（1）HDPE 管成型工艺对其环境应力开裂有较大的影响，好的树脂没有恰当的成型工艺不能加工出质优的产品，代用树脂通过改良工艺也能获得一定的环境应力开裂时间。
（2）冷却水温与该温度下的牵引速度有一个较佳的成型适宜值；成型时的熔体温度根据树脂的熔融温度去设定机筒、机头温度，不易过高；牵引速度和挤出速度要同步，不能只用调整牵引速度去大幅度的调整管材壁厚。
（3）以吹塑级、拉丝级的 HDPE 树脂成型的管材不宜应用到输送有压介质的管道上或长时间的使用。
（4）在获得各因素对 HDPE 耐环境应力开裂强度关系的基础上，通过软件仿真方式，预测 HDPE 耐环境应力开裂强度，缩短时间周期。
几年来，我们通过生产、试验和总结，根据不同的原料树脂，及时调整工艺条件，使塑料管材质量有所改善和提高，生产出用户满意的产品间，当然，影响 HDPE 管材成型的因剥良多，本次试验中工艺条件的确定与调整是以静水压强度试验和环境应力开裂试验指标为主要依据，我们所作的分析仅供参考。