HDPE管材成型工藝條件對其應力開裂的影響

 2022年3月18日，HDPE 管材有許多優良的性能，如質輕、抗腐、內壁光滑、使用壽命長等，又以其較高的強度應用在承壓輸送各種介質的管道上，但其環境應力開裂性能較差，一些 HDPE 管道在長期負荷作用下和一定時間后會出現應力破損現象。
1 影響因素
1.1 冷卻速度的影響

   溫度是 HDPE 結晶過程中敏感的因素，不同的結晶程度對管材的力學性能有較大的影響。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 有不同的結晶行為閱，形成了不同結晶度的聚集結構。管材外表層受水急驟冷卻能夠很快的越過z佳的結晶溫度，形成一層結晶度較低的聚集結構區。外表層和中間層有一個能夠獲得晶核數量及生長速率有利的結晶層，這個區域晶體生長好，聚集結構穩定。如果這時控制好一定的水溫和相應的牽引速度，就可增加該層的厚度。因 HDPE 熱傳導慢，z佳結晶溫度在中間層和內層停留的時間較長，結晶能夠在充分的條件下進行，所得到的是數量較少、顆粒較大的聚集結構區域。這種內外結構的不均勻性對管材的力學性能影響較大，低結晶區使管材具有韌性，高結晶區具有剛性，隨著結晶度的增加，脆性增大。當壓扁到 2/3 時內表面出現裂紋；繼續壓扁，裂紋向外表面擴展。我們認為使用密度高的均聚物擠出成型管材更應該注意成型工藝。

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量，晶核的存在與否及晶核的大小，對成型時的結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，成型時晶核結晶速度快，晶體的尺寸大小均勻，能形成較穩定的聚集結構；如果熔融溫度高，熔融時間長，原有結構破壞得就越多，殘余的晶核就越少，成核的時間就長，結晶速度就慢，結晶尺寸也大，結構不穩定，從而影響了管材的強度。熔體溫度都較高，應力開裂時間都很短。我們曾用預熱時間長、預熱溫度較高的機頭內熔體成型管材做短期靜水壓強度試驗，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力，當剪切應力達到或超過某一臨界值時，熔體就會出現破裂。熔體溫度不同，對應的剪切速率也大不相同。為保證管材的力學性能，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與牽引管材的速度相協調。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，彈性還沒有回復就被冷卻定型，特別是在口模已定的情況下，靠調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生裂紋。
2 蠕變開裂機理研究及開裂時間的預測
2.1 觀察開裂過程
    繪出裂紋增長的示意圖，根據材料所處狀態的不同，將裂紋分為 3 個區域，分別為塑性破壞區、過渡區和已斷裂區。在整個裂紋增長過程中，根據裂紋擴展速度的不同，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系，研究了不同切口深度、載荷對時間的關系。表明低應力載荷（小于屈服應力的一半）、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 的持續時間決定了材料的破壞時間。
2.2 假設在 SCG 增長過程中
    裂紋的擴展速度是與溫度相關的初始應力、初始切口深度的冪函數，結合試驗，擬合出相應常數，得到裂紋擴展速度與溫度、初始應力、初始切口深度的關系函數。應用彈性體斷裂力學 Dugdale 模型，結合低應力拉伸及 3 點彎曲試驗，得到裂紋恒速增長階段應變范圍、SCG 增長的應變范圍、應變擴展速度等測試結果，推導出預測試樣破壞時間的公式，預測出的破壞時間與實際測試結果相一致。
3 建議
  （1）HDPE 管成型工藝對其環境應力開裂有較大的影響，好的樹脂沒有恰當的成型工藝不能加工出質優的產品，代用樹脂通過改良工藝也能獲得一定的環境應力開裂時間。
  （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樹脂的熔融溫度去設定機筒、機頭溫度，不易過高；牽引速度和擠出速度要同步，不能只用調整牽引速度去大幅度的調整管材壁厚。
  （3）以吹塑級、拉絲級的 HDPE 樹脂成型的管材不宜應用到輸送有壓介質的管道上或長時間的使用。
  （4）在獲得各因素對 HDPE 耐環境應力開裂強度關系的基礎上，通過軟件仿真方式，預測 HDPE 耐環境應力開裂強度，縮短時間周期。
   幾年來，我們通過生產、試驗和總結，根據不同的原料樹脂，及時調整工藝條件，使塑料管材質量有所改善和提高，生產出用戶滿意的產品間，當然，影響 HDPE 管材成型的因剝良多，本次試驗中工藝條件的確定與調整是以靜水壓強度試驗和環境應力開裂試驗指標為主要依據，我們所作的分析僅供參考。