HDPE 管材成型工（gōng）藝條件對其應力開裂的影響

HDPE 管材有許多優良的性（xìng）能，如質輕、抗腐、內壁光滑、使用壽命長（zhǎng）等，又以其較高的強（qiáng）度應用在承壓輸送各種介（jiè）質（zhì）的管道上，但其環（huán）境應力開裂性能（néng）較差，一些 HDPE 管道在長期負（fù）荷作用下和一（yī）定時間後會出現應力破損（sǔn）現象。
1 影響因（yīn）素
1.1 冷卻速度的影響
溫度是 HDPE 結晶（jīng）過程中最敏感的因素，不（bú）同的（de）結晶程度對管材的力學性能有（yǒu）較大（dà）的影響。某廠 HDPE 管在水冷真空定徑箱中成型，管壁斷麵有不同（tóng）的熱曆史，不同的熱曆史對 HDPE 有不同的結晶行為閱，形成（chéng）了（le）不同結晶度的聚集結構（gòu）。管材外表（biǎo）層受水急驟冷卻（què）能夠很快的越過最佳的結晶溫（wēn）度，形（xíng）成一層結晶度較低的聚集結構區。外表層和中間（jiān）層有（yǒu）一個能夠獲得晶核數量及（jí）生長速（sù）率最有（yǒu）利的結晶層，這個區域晶體（tǐ）生長好，聚集結構穩定（dìng）。如果（guǒ）這（zhè）時控製好一定的水溫和相應的牽引速（sù）度，就（jiù）可增（zēng）加該層的厚度。因 HDPE 熱（rè）傳導慢，最佳結晶溫度在中間層和內層停留的時（shí）間較長，結晶能夠在充分的（de）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（wài）結構的不均勻（yún）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（jiā），脆（cuì）性增大。當壓（yā）扁到 2/3 時內表麵出現裂紋；繼續壓扁，裂紋（wén）向外表麵擴展。我們認為使用密度高的均聚物擠出成型管材（cái）更應（yīng）該注意成型工藝。
1.2 熔融溫度的（de）影響
成型中熔融溫度與在該溫度下停留的時間會影響（xiǎng）殘存晶（jīng）核的數量（liàng），晶核的存在與否及晶核的大小（xiǎo），對成型時（shí）的結晶速（sù）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（dù）快，晶體的尺寸大小均勻，能形成較穩定的聚（jù）集結構（gòu）；如果熔（róng）融溫度高，熔融時間（jiān）長，原（yuán）有結構破壞得（dé）就越多，殘餘的晶核就越少，成核的時間就長，結晶速度就慢，結晶尺（chǐ）寸也大，結構不（bú）穩定，從而影響（xiǎng）了管材的強度。熔體溫度（dù）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（róng）體成型管材做（zuò）短期靜水壓強度試驗，其時間隻有 4.3h。熔融溫（wēn）度（dù）對 HDPE成型時的熔體破裂也有較大影響。成型時熔（róng）體受到剪切應力，當剪（jiǎn）切應力達到或超過某一臨界（jiè）值時，熔體就會出現破裂（liè）。熔體溫度不同，對應（yīng）的剪切速率也大不相同。為保證管材的力學性能，成型時要控製好成型溫度，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（chū）口模的速度（dù）應與牽引管材的速度相協（xié）調。如果牽引速度（dù）大於擠出速度，部（bù）分（fèn）大分子（zǐ）順著牽引方（fāng）向取向（xiàng），在牽引力的作用下，彈性還沒（méi）有回複就被冷卻定型，特別是在口模（mó）已定（dìng）的情況下，靠調整（zhěng）牽引速度來加工薄壁管，這樣的管材更易（yì）在軸線方向上產生（shēng）裂紋。
2 蠕變（biàn）開裂機（jī）理研究及開裂時間的預測
2.1 觀察開裂過程
繪（huì）出裂紋增長的示意圖，根據材料所處狀態的不同，將裂紋分（fèn）為 3 個區域，分別為塑性破壞區、過渡（dù）區和已斷裂區。在整個裂紋增長過（guò）程（chéng）中（zhōng），根據裂紋擴展速度的不同（tóng），將斷（duàn）裂過程分為 3 個階段，分別為（wéi）時間很短的初始恒速階段、加速增（zēng）長階段（SCG）、快速增長階段（FCG）。得出了蠕（rú）變位移與時間的關係，研究了不同切口深（shēn）度、載荷對時間（jiān）的關係。表（biǎo）明低應力載荷（小於屈服應力的一半）、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（chí）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（dù）相（xiàng）關的初始應力、初（chū）始切口深度的冪函數，結合（hé）試驗，擬合出相應常數，得到裂（liè）紋擴展速度與溫度、初（chū）始應力、初始切口深度的關係函數。應用彈性體斷裂力學 Dugdale 模型，結合低應力拉伸及 3 點彎（wān）曲試（shì）驗，得到裂（liè）紋恒速增長階（jiē）段應（yīng）變範圍、SCG 增長的應變範圍、應變擴展速度等（děng）測試結果，推（tuī）導出預（yù）測試樣（yàng）破壞時（shí）間的公式，預（yù）測出的破壞時間與實際（jì）測試結果相一致。
3 建（jiàn）議
（1）HDPE 管成型工藝對其環境應力（lì）開裂有較（jiào）大的影（yǐng）響，好的（de）樹脂沒有（yǒu）恰當的成型工藝不能（néng）加工出質（zhì）優的產品，代用樹脂通過改良工藝也能獲得一定的（de）環境應力開裂時（shí）間（jiān）。
（2）冷卻水溫與該溫度下的牽引速度（dù）有一個較佳的成（chéng）型適宜值；成型時的熔（róng）體溫度根（gēn）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（bù），不能隻用調整（zhěng）牽引速度（dù）去大幅（fú）度的調整管材壁厚（hòu）。
（3）以吹塑級、拉（lā）絲級的 HDPE 樹脂成型的管（guǎn）材不宜應用到輸送有壓介質的管道上或長時間的使用（yòng）。
（4）在獲得各因（yīn）素對 HDPE 耐（nài）環境應力（lì）開裂強度關係的基礎上，通過軟件仿真（zhēn）方式，預測 HDPE 耐環（huán）境（jìng）應力開裂強（qiáng）度，縮（suō）短時間周（zhōu）期。
幾年來，我們通（tōng）過（guò）生產、試驗和（hé）總結，根（gēn）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（suǒ）改善（shàn）和提高，生產（chǎn）出用（yòng）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（tiáo）件的確定與調整是以靜水壓強度試驗和（hé）環境應力開裂試驗指標為主要依據，我們所（suǒ）作的分析僅供參考。