非金属管道原材料——聚乙烯混配料的基本性能

非金属管道原材料

聚乙烯混配料的基本性能

聚乙烯原材料的质量性能直接决定了制品的质量性能。聚乙烯原材料的性能包括物理化学性能、力学性能、热性能、电性能、卫生性能等。

由于燃气输配系统对安全性有特殊要求，所以国家标准、国际标准和欧洲标准都要求制造燃气用管材、管件的原材料必须是符合相关标准要求的专用混配料，不允许制品生产商使用“白+黑”的方式自行配制“混配料”。燃气专用料的性能主要侧重于物理化学性能、力学性能和热性能，要求具有优良的强度、刚度、韧性和寿命。

燃气用聚乙烯混配料的性能应当符合表2-2、表2-3的要求(依据GB/T15558.1—2015《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统第1部分：管材》)。

1.密度

密度是聚乙烯混配料的重要性能之一，一般按其密度可分为低密度、中密度和高密度三类。混配料的密度越高，其分子链越接近线型结构，分子排列规整而紧密，因为结晶度高，硬度、刚度增加，力学性能和耐热性提高，相应的韧性和抗应力开裂性能有所下降。

2.熔体质量流动速率(MFR)

熔体质量流动速率(MFR)是指在规定的温度、负荷和活塞位置条件下，熔融树脂通过规定长度和内径的口模的挤出速率，即规定时间内挤出的质量，单位为g/10min。

MFR衡量的是聚乙烯分子的平均尺寸和流动性大小，它对产品性能的影响如图2-1所示。由图2-1可见，随着MFR的提高，制品的外观(光泽度)会得到改善，但是耐热性、抗冲击强度和耐应力开裂会降低。所以在开发或选用一种原材料时要综合考虑所有参数，达到满足用途的最佳性能。聚乙烯的加工过程与其熔体的流变行为密切相关，同时MFR也是制定焊接工艺的重要依据。聚乙烯原材料加工后，MFR将发生变化，原料生产工艺的正常波动和微小调整而导致的MFR波动一般不会超出±20%,所以标准要求，管材与原材料的MFR变化率要小于20%,这是为了确保加工过程能够将原材料的基础性能较好地转移到产品中，对不同材料牌号的管材、管件间的互熔焊接至关重要。

3.氧化诱导时间(OIT)

氧化诱导时间(OIT)是测定材料在高温(200℃或210℃)氧气条件下开始发生自动催化氧化反应的时间，是衡量材料耐氧化分解能力的指标。聚乙烯在成形加工、储存、焊接和使用过程中，都会受到温度、光、氧的作用，因此氧化诱导时间是考量产品使用寿命的重要指标之一。氧化诱导时间越长，耐热降解能力就越强，产品的使用寿命就越长。根据GB/T15558.1—2015要求，在200℃下通过差示扫描量热法(DSC)测定氧化诱导时间应大于20min。聚乙烯氧化诱导时间曲线如图2-2所示。

质量优良的原材料，氧化诱导时间在200℃时通常大于80min,即使在210℃,氧化诱导时间也在30min以上。而一些劣质原料的氧化诱导时间只有20~30min,甚至更短。

4.挥发分含量

聚乙烯混配料在聚合时加入的乙烯添加剂含有少量的挥发性物质，这些物质在聚乙烯进行成形加工时会有流失，为保证产品质量，CB/T15558.1—2015规定聚乙烯混配料的挥发分含量应不大于350mg/kg

挥发分的测试是将25g左右的原料放入(105±2)℃的不通风干燥箱中存放1h后取出，根据质量损失计算挥发分含量。通常聚乙烯原材料在生产过程中都含有少量的水分，在运输和储存过程中也会吸收水分，因此在测试挥发分含量的结果中也包含了一部分水分含量，所以标准规定，当挥发分含量不符合要求时，应以水分含量的测量结果作为判定依据。

5.水分含量

聚乙烯树脂本身无极性，是非吸水性材料，通常水分含量很低，但是聚乙烯混配料中受添加剂(如炭黑)的影响，在储存和运输过程中会吸收一些水分。过高的水分不但会导致管材内外表面粗糙，而且可能引起熔体中出现气泡，这些缺陷可能会使管材提前发生脆性破坏，因此在GB/T15558.1—2015中规定聚乙烯混配料的水分含量应不大于300mg/kg(质量分数为0.03%)。对于水分含量超标的原材料，在使用前要进行干燥预处理。GB/T15558.1—2015中规定水分含量的测试方法采用SH/T1770—2010《塑料聚乙烯水分含量的测定》(ISO15512:2008方法B),试样称量后放入加热炉内，试样中的水分在高温下蒸发，用惰性气体(通常是干燥氮气)将水蒸气吹送至滴定池内，用卡尔·费休库仑法滴定水分。目前测试方法有瓶式加热法(见图2-3)和管式加热法(见图2-4)两种。卡尔·费休试剂中含有碘和二氧化硫，试样中的水与之反应生成三氧化硫和氢碘酸，而库仑技术是由碘化物电解产生碘。根据法拉第原理，产生碘的物质的量与消耗的电量成正比，即1mg水消耗10.71C电量，从而通过消耗的总电量计算出水分含量。此方法测定的水分含量可不高于0.01%,适用于产品中微量水的测定。

6.炭黑含量

炭黑作为应用广泛的着色剂和抗紫外线剂，适量添加在聚乙烯树脂中可以提高聚乙烯产品的抗紫外线辐射能力，增强其耐候性。但是炭黑加入过多，会导致产品的机械强度明显下降，加入不足又无法保证产品的使用寿命，因此在GB/T15558.1—2015中规定了炭黑含量应控制在2.0%～2.5%(质量分数)范围内。

炭黑含量的测定方法按照GB/T13021—1991《聚乙烯管材和管件炭黑含量的测定(热失重法)》进行。该方法是将1g左右的试样在氮气流的保护下在(550±50)℃的管式马弗炉中进行热解约45min,让聚乙烯完全裂解，然后再在(900±50)℃的高温下进行煅烧直至炭黑全部消失。根据热解和煅烧前后的质量差计算炭黑含量。图2-5所示为炭黑含量测试用马弗炉装置。

部分劣质材料在550℃热解后就没有炭黑了，这说明材料中没有加入抗紫外线的炭黑，而是用黑色色粉代替，根本没有抗老化的作用。有的材料在900℃煅烧后灰分很高，说明原料中加入的无机填料过多，这会影响管材的其他性能。

7.炭黑分散/颜料分散

炭黑/颜料的粒径、结构、表面官能团和分散度对制品的性能有很大影响。炭黑/颜料的粒径是重要的性能，粒径越小其比表面积越大，其黑度、着色力、导电性、补强性和抗紫外线性均有所提高，但其分散性降低，黏度增加。另外炭黑的比表面积大，吸水量大，会影响制品的吸水性等。炭黑/颜料分散不均匀会导致应力集中，严重影响成品的物理性能和力学性能，因此在GB/T15558.1—2015中规定炭黑/颜料的分散度≤3级。

炭黑/颜料分散的测定按照GB/T18251—2019《聚烯烃管

材、管件和混配料中颜料或炭黑分散的测定方法》的规定进行。将制好的样品放在100倍的显微镜下进行观察。如图2-6所示，观测炭黑分散用显微镜，测量记录每个粒子和粒团的尺寸，分散表观等级需与图样比较确定，分散尺寸等级由6个试样的平均值确定。

满足燃气专用料的最低等级是A3级，如图2-7所示。图2-8、图2-9和图2-10所示的炭黑分散等级分别为B、C、D,都不能用作燃气专用料。图2-11所示是分散良好的预混配料案例，图2-12所示是炭黑分散不合格的白+黑料案例。

8.耐气体组分

纯天然气对聚乙烯管道质量没有影响，但是当输送的天然

气中含有有机臭剂、燃气调节剂、高分子量的烃时，这些成分就可能渗入管壁，造成材料老化、韧性降低，影响管路寿命，图2-6观测炭黑分散用显微镜因此对燃气专用料提出了耐气体组分的性能要求。

耐气体组分试验采用公称外径为32mm、SDR11的管材试样，在管材内充满冷凝液(纯度为99%的正癸烷和1,3,5-三甲基苯质量比1:1混合),在(23±2)℃的空气环境中放置1500h后，再进行80℃、环应力为2.0MPa的静液压试验20h以上，要求不出现破坏、渗透。

此试验是模拟燃气管道中有燃气的冷凝液沉积，产生气液共存现象时，管道承受挥发性物质脂肪烃和芳香烃的气液混合作用时，检测其机械强度和使用寿命是否会受到影响。

9.耐候性

耐候性是聚乙烯材料暴露在自然条件下，即在紫外线、温度、氧气及臭氧的作用下质量的稳定性。耐候性试样使用d,32mm、SDR11及d,110mm、SDR11,长为1m的管材，放在满足标准要求的位置上接收太阳辐射，累计接收太阳能辐射达到3.5GJ/m²后，再进行电熔结构剥离强度、断裂伸长率和静液压试验(电熔焊口剥离强度试验如图2-13所示，图2-14和图2-15是电熔焊口剥离试验后的试样)。上述3项试验均合格则认为此批原材料满足耐候性要求。GB/T15558.1—2015要求仅对非黑色混配料的管材进行耐候性测试。

10.耐快速裂纹扩展(RCP)

快速裂纹扩展是由偶然的冲击载荷引发瞬间发生裂纹扩展的现象。通常，聚乙烯材料的高分子链具有一定的内旋转自由度，使得聚乙烯材料具有良好的韧性。但是当施加外力的速度、外界温度、材料状态(如有原始裂纹、切口)达到一定临界值时，聚乙烯材料会在发生韧性变形之前就出现脆性破坏，这种脆性破坏速度非常快，导致管材瞬间开裂，形成了快速裂纹扩展。

GB/T15558.1—2015中规定，采用GB/T19280—2003《流体输送用热塑性塑料管材耐快速裂纹扩展(RCP)的测定小尺寸稳态试验(S4试验)》规定的方法测定聚乙烯材料的耐快速裂纹扩展性能。测试原理是截取规定长度的热塑性塑料管材试样，保持在规定的试验温度下，管内充满流体并施加规定的试验压力，在接近管材的一端实施一次冲击，以引发一个快速扩展的纵向裂纹，图2-16所示为RCP试验装置示意图和图2-17所示为RCP试验装置。随后检测管材试样以确定是裂纹终止还是裂纹扩展。通过一系列不同压力但温度恒定的这种试验，就可以确定RCP的临界压力或临界应力。

试验证明，温度越低，管径和壁厚越大，工作压力越高，管道快速裂纹扩展的可能性就越大。管材蠕变产生的裂纹、接头焊接引起的缺陷、铺设过程中的机械损伤、加工管材时产生的残余应力等因素都可能引起快速裂纹扩展。RCP试验结果显示了触发管材发生快速开裂的最小压力和最低温度，这对于管材的实际应用具有重大的指导意义。

11.耐慢速裂纹增长

耐慢速裂纹增长是反映管材表面出现划痕时，在长期应力作用下抵抗划痕缓慢增长的能力。聚乙烯管材在生产、储存、运输、安装过程中造成的表面划痕都有可能成为裂纹源，在长期应力作用下，裂纹源缓慢增长，最终使材料发生脆性破坏。因此，耐慢速裂纹增长的性能指标在很大程度上决定着管道系统安全运行的寿命。

目前，验证聚乙烯管材耐慢速裂纹增长的试验方法有切口试验、锥体试验、全切口蠕变试验、点载荷试验等。

GB/T15558.1—2015规定，对壁厚大于5mm的管材采用GB/T18476—2019《流体输送用聚烯烃管材耐裂纹扩展的测定慢速裂纹增长的试验方法(切口试验)》进行测试。

该试验是将管材试样沿圆周四等分，沿径向铣出4个规定长度和深度的V形切口，切口的剩余壁厚是试样公称壁厚的0.78～0.82倍，如图2-18所示，然后按照标准规定的环应力进行静液压测试，500h后未出现渗漏或破坏即认为通过。铣完切口的试样如图2-19所示，静液压试验完成后未出现渗漏或破坏的合格样品如图2-20所示，韧性破坏的试验样品如图2-21所示。

通过测试的原料表明其具有优良的耐慢速裂纹增长能力，但并不意味着对施工划伤要求放松，而是出于对不可避免的施工过程中管材损伤的预先考虑，是对管道系统安全性和寿命的有效保障。

对于壁厚≤5mm的管材根据GB/T19279—2003《聚乙烯管材耐慢速裂纹增长锥体试验方法》进行试验。具体方法是从管材上切取规定长度的管段，在试样一端沿径向切一个贯穿管壁、轴向长度为10mm的切口，如图2-22所示。在切口端插入一个规定直径的心轴以保持恒定应变，将其浸入(80±1)℃的表面活性溶液中，如图2-23所示，每24h取出试样测量切口长度，直到裂纹不发生增长为止，绘制裂纹长度与时间的曲线，计算裂纹增长速度。GB/T15558.1—2015中规定裂纹增长速度≤10mm/24h。图2-24所示是不同材料试验