HDPE 管材成型工藝條件對其應(yīng)力開裂的影響

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 管道在長期負(fù)荷作用下和一定時間后會出現(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 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能夠獲得晶核數(shù)量及生長速率最有利的結(jié)晶層，這個區(qū)域晶體生長好，聚集結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。如果這時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)層停留的時間較長，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間會影響殘存晶核的數(shù)量，晶核的存在與否及晶核的大小，對成型時的結(jié)晶速度有很大的影響.如果熔融溫度低，熔融時間短，殘核沒有受到破壞，成型時晶核結(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，熔融時間長，原有結(jié)構(gòu)破壞得就越多，殘余的晶核就越少，成核的時間就長，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)力開裂時間都很短。我們曾用預(yù)熱時間長、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)，其時間只有 4.3h。熔融溫度對 HDPE成型時的熔體破裂也有較大影響。成型時熔體受到剪切應(yīng)力，當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到或超過某一臨界值時，熔體就會出現(xiàn)破裂。熔體溫度不同，對應(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)理研究及開裂時間的預(yù)測
2.1 觀察開裂過程
繪出裂紋增長的示意圖，根據(jù)材料所處狀態(tài)的不同，將裂紋分為 3 個區(qū)域，分別為塑性破壞區(qū)、過渡區(qū)和已斷裂區(qū)。在整個裂紋增長過程中，根據(jù)裂紋擴(kuò)展速度的不同，將斷裂過程分為 3 個階段，分別為時間很短的初始恒速階段、加速增長階段（SCG）、快速增長階段（FCG）。得出了蠕變位移與時間的關(guān)系，研究了不同切口深度、載荷對時間的關(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階段所用的時間占整個過程破壞時間的絕大部分，SCG 的持續(xù)時間決定了材料的破壞時間。
2.2 假設(shè)在 SCG 增長過程中
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)，得到裂紋恒速增長階段應(yīng)變范圍、SCG 增長的應(yīng)變范圍、應(yīng)變擴(kuò)展速度等測試結(jié)果，推導(dǎo)出預(yù)測試樣破壞時間的公式，預(yù)測出的破壞時間與實(shí)際測試結(jié)果相一致。
3 建議
（1）HDPE 管成型工藝對其環(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)力開裂時間。
（2）冷卻水溫與該溫度下的牽引速度有一個較佳的成型適宜值；成型時的熔體溫度根據(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、拉絲級的 HDPE 樹脂成型的管材不宜應(yīng)用到輸送有壓介質(zhì)的管道上或長時間的使用。
（4）在獲得各因素對 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 HDPE 耐環(huán)境應(yīng)力開裂強(qiáng)度，縮短時間周期。
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。