HDPE卫浴排水弯管材质研究

2019-03-29连荣炳

山东化工 2019年4期

连荣炳

(厦门威迪亚精密模具塑胶有限公司，福建厦门 361028)

HDPE是一种结晶度高、应用范围很广泛的热塑性塑料, 目前大部分用于制作管材和管件制品，具有重量轻、耐化学腐蚀性好、低温抗冲击性好、耐磨性好、管壁光滑、水流阻力小、安装多样且方便等优点。与PVC管、PP管比较，HDPE管具有耐冲击、不易脆化，在-40℃低温环境下，仍能保持韧性和挠曲性，是一种很有竞争力的管材品种，已成为目前第二大塑料管材品种。

HDPE耐环境应力开裂性能(ESCR)差，在一定程度上限制了其应用[1]。卫浴行业的入墙水箱系列产品均有用到HDPE排水弯管，如果HDPE弯管开裂，就会出现漏水，损坏墙体，给用户带来生活不变甚至财产损失。

HDPE本身对环境应力开裂的敏感性，与其性质和结构是相关的，如结晶颗粒大小、结晶缺陷、无定形区的微空穴，以及分子链支化度、分子量长短及其分布等因素均会有相关的。本文通过改变HDPE的结晶形态、晶格结构、分子链支化度和分子链缠绕等方法，改善HDPE弯管的抗应力开裂性能，使其性能和强度符合排水弯管的使用要求。

1 实验部分

1.1 主要原料

HDPE M80064 注塑级MI=8 g/10min，沙特基础化工有限公司；HDPE 5502 吹塑级MI=0.35 g/10min，韩国大林有限公司；成核剂 HPN210M，美林肯中国有限公司；LLDPE DFDA7042，福炼石化有限公司；EVA 7350M，台塑塑胶工业有限公司；POE 8003，DOW化学中国有限公司；PE蜡 CH-A，厦门健佳工贸有限公司；任基酚聚氧乙烯醚 TX-10，市售。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤出机AK36，南京科亚化工成套装备有限公司；注塑机EC100S，日本东芝机械有限公司；电热鼓风干燥箱TSD-9，统益塑料机械制造有限公司；高速立式搅拌机SHR-50A，江苏格兰机械有限公司；微机控制电子万能试验机WDW-20C，上海华龙测试仪器有限公司；悬臂梁冲击试验机XJU-55，承德金建检测仪器有限公司；熔融指数测试仪器 XNR-400，承德金建检测仪器有限公司。

1.3 实验方法

工艺路线：配料→搅拌机混合均匀→挤出造粒→注塑制样→性能测试。

性能测试：抗应力开裂测试参考GB/T1842-2008进行，样条长宽厚为40cm×10cm×4cm，中心处取个小V字形缺口，样条表面涂上浓度为10%TX-10试剂，用特定治具在长度方向压缩5%后放入70℃烘箱，观察样条中间V字处断裂一半的时间，常用F50(h)表示；拉伸强度按GB/T1040-1992测试；冲击强度按GB1843/1A测试；熔融指数按GB/T3682-2000进行。

2 结果与讨论

2.1 成核剂对HDPE材料性能的影响

HDPE结晶速度较快，容易产生较大的球晶，外力施加时容易形成应力集中点而形成开裂中心[2]。添加成核剂可以改善HDPE的结晶形态，使结晶颗粒微细化，减少球晶颗粒尺寸，此外也可以提高材料的强度。

图1是成核剂HPN 210M对HDPE M80064抗开裂性能的影响。从图可知，成核剂能提高HDPE抗开裂时间，添加至0.2%，抗开裂时间从2h提高至6h，继续增加用量，提高幅度减缓，增加至0.4%，抗开裂时间才为8h。

表1是成核剂HPN 210M用量对HDPE M80064材料性能的影响，从表可以看出，添加成核剂，材料的拉伸强度和冲击强度均变大，且随着用量的增加，材料拉伸强度和冲击强度逐渐增大。这是因为成核剂提高HDPE的结晶度，使HDPE的刚性增大，同时成核剂也使球晶细化且完善程度提高，从而提高了材料的韧性[3]。成核剂添加至0.2%后，拉伸强度和冲击强度变化不明显，结合成本考虑，成核剂用量采用0.2%。

表1 成核剂HPN210M用量对HDPE M80064性能影响

2.2 LLDPE对HDPE材料性能的影响

与HDPE比较，LLDPE带有短且规整的支链，形成的球晶比较小，晶格也比较完善，所以LLDPE的抗应力开裂性会比HDPE好。图2是LLDPE 7042对HDPE M80064/成核剂 HPN 210M材料的抗开裂性能影响。

图2 LLDPE 7042用量对HDPE/成核剂抗开裂性能的影响

从图2可知，添加LLDPE 7042，材料的抗开裂性缓慢地从6h提高至25h左右，且在添加15%之后，抗开裂时间才有较明显提高。

表2 LLDPE 7042用量对HDPE /成核剂性能影响

表2是LLDPE 7042用量对HDPE M80064/成核剂 HPN 210M材料的性能影响。从表可见，LLDPE 7042改善了HDPE材料的韧性，但降低了材料的强度，当添加量至15%之后，材料强度降低到20MPa以下，材料显的偏软，影响了HDPE材料在弯管上的使用。

2.3 吹塑级HDPE 5502对HDPE材料性能的影响

HDPE分子量越大，分子链运动困难，就会不易生产大的球晶和形成好的序态，抗开裂性能(ESCR)就会越好[4]。HDPE 5502是吹塑级的，分子量比注塑级HDPE M80064大，抗开裂时间相应地也比较大，实测数据为98h。图3是HDPE 5502对HDPE M80064/成核剂 HPN 210M材料的抗开裂性能影响。从图3可见，随着HDPE 5502添加量的增加，材料的抗开裂性是逐渐增加的。

图3 HDPE 5502用量对HDPE/成核剂抗开裂性能的影响

表3是HDPE 5502对HDPE M80064/成核剂 HPN 210M材料的抗开裂性能影响，吹塑级HDPE 5502的添加，材料的拉伸基本不变，材料的韧性得到改善，但材料的成型变差了，当添加量到30%后，材料的流动性明显降低，在长度较大的排水弯管会有成型困难。因此HDPE 5502添加量采用30%。

表3 HDPE 5502用量对HDPE /成核剂性能影响

2.4 弹性体对HDPE材料性能的影响

为提高PE 管ESCR 性能，可采用多种方法，其中以PE共混改性最为简便有效[4]。弹性体加入到HDPE中，以分散相存在于HDPE连续相中，起到了细化球晶、降低结晶度，阻止裂纹扩展的作用。

图4是POE 8003对HDPE M80064/HDPE 5502/成核剂HPN 210M材料抗开裂性能影响。从图可知，POE明显改善HDPE材料的抗开裂性，尤其是添加量至15%时，抗开裂时间达到700h左右。

图4 POE 8003用量对HDPE M80064/HDPE5502/成核剂抗开裂性能的影响

表4是POE 8003对HDPE M80064/HDPE 5502/成核剂HPN 210M材料的抗开裂性能影响。从表4可以看出，POE提高了材料的冲击强度，降低了材料的拉伸强度，对MI影响不大。当POE用量大于15%，材料的拉伸强度低于20MPa，材料就显得偏软，影响了在排水弯管上的使用。

表4 POE 8003用量对HDPE M80064/5502/成核剂性能影响

研究表明[5],聚烯烃弹性体改善HDPE的抗开裂性能(ESCR)主要是由晶体结构和结晶度的变化，而EVA、CPE、SBS系列无规共聚弹性体不仅改变HDPE的晶态，降低了结晶度，更重要的是增加了晶区的连接，强化了无定形区域，促使分子链缠绕，从而能有效阻止裂纹的发生和发展，使ESCR性能得到明显改善。

图5是EVA 7350M对HDPE M80064/HDPE 5502/成核剂HPN 210M材料抗开裂性能影响。从图5可明显看到，EVA能明显改善HDPE材料的抗开裂性能，当用量添加至10%时，抗开裂时间达到了近900h，而后继续增大用量，抗开裂时间增加幅度出现减缓。EVA弹性体能明显改善HDPE的抗开裂性，这除了EVA能降低HDPE结晶度、微细化球晶颗粒，更重要的是能把材料中吹塑级HDPE 5502大分子上的支链发生缠绕，在受力时分子量不易解缠滑脱，从而大大阻止裂纹的出现和扩展。

图5 EVA 7350M对HDPE M80064/HDPE 5502/成核剂HPN 210M材料抗开裂性能影响

表5 EVA 7350M对HDPE M80064/HDPE 5502/成核剂HPN 210M材料性能影响

表5是EVA 7350M对HDPE M80064/HDPE 5502/成核剂HPN 210M材料性能影响。EVA的添加，会轻微降低材料的流动性，提高材料的韧性，降低了材料的刚性，当添加量为10%时，材料拉伸强度为21.9MPa，大于20MPa,材料强度仍能在HDPE排水弯管上使用。故EVA弹性体用量选择10%。

2.5 润滑剂对HDPE材料性能影响

经过多次配方调整和验证，HDPE排水弯管材质配方确定为HDPE M80064/成核剂HPN210M/HDPE5502/EVA7350M=59.8/0.2/30/10，其抗开裂性和材料性能能满足排水弯管要求，但在长度较大的排水弯管成型时，弯管产品在强脱部位会出现拉伤，其原因是EVA 7350M的VA含量是18%，高温状态下对模具会有点粘附，对此添加润滑PE蜡进行改善。PE蜡 CH-A添加量为2 phr，对材料性能的影响，具体如表6。