HDPE管材产品特性及影响因素

HDPE管材产品特性及影响因素

王旭阳

中国石油股份化工有限公司天津分公司南港烯烃部  　天津市300270

摘要：介绍了影响HDPE产品性能和HDPE管材产品的重要参数，以及产品质量的影响因素。聚乙烯产品性能一般通常由三个重要参数影响，重均分子量（Mw）、分子量分布（MWD）、短链分支（SCB）。HDPE管材产品性能评价通常关注抗静水压力、抗断裂性、拉伸屈服应力、耐环境性、焊接性能几个特性。

关键词：聚乙烯产品质量影响因素 HDPE性能

HDPE管材因其突出的材料韧性、耐磨性、耐腐蚀性、耐温性等优异性能，在饮用水管、燃气管、工业用管、农业用管、采暖/室内等领域中运用的日趋广泛。近年来，我国在各个领域范围中运用的大多为通用树脂原材料，管材专用树脂仍大量依赖进口。HDPE装置生产的HDPE管材原材料产品因其独特优良的耐环境应力开裂的特点，可显著减少HDPE的使用成本，设计用于大直径压力管道的原材料。HDPE装置包括Zg催化剂单峰、Zg催化剂双峰和Cr催化剂三种生产模式，其中Zg催化剂双峰和Cr催化剂的产品具有分子量分布宽的特点，应用于聚乙烯管材。

双峰型HDPE产品的独特性在于该产品是由微观视角下具有特性区别较大的两个聚合物所构成的一个均匀混合物，该产品能有效体现同时兼顾刚性、加工性和耐环境应力开裂性的特点，在一定程度下提高了HDPE产品的品质。

1. HDPE产品性能

1.1一般HDPE产品性能:

一般情况下判断聚乙烯产品性能通常由三个重要参数影响，分别为重均分子量（Mw）、分子量分布（MWD）、短链分支（SCB）。

Mw和Mw/Mn对聚合物在固溶态和溶液态的性能有很大影响。熔体状态下的流变特性是快速和测定Mw和MWD的首选途径。MFR的测定能够进行粗略估计MWD。加工性能和使用性能较好的管材产品具体表现在分子链结构、流变性能和凝聚态。分子量分布越宽，代表产品通常具有相对更好的加工性能，该特点有利于实际的成型加工，且加工时稳定性更好。催化剂类型不同，也会影响产品聚合的过程，这主要是因为共聚单体在聚合物的主链上的排布情况不同，聚合物链结构和分子量分布也会不同。聚乙烯中高相对分子质量的部分可以使产品具有良好的强度、韧性，影响管材产品的耐压强度，而低相对分子质量的部分主要可改善聚乙烯的加工性能。

链中引入的共聚单体的性质和含量主要影响固态性质，如机械阻力。短链分支倾向于扰乱聚合物的结晶网络，从而扰乱其结晶度。支化度的不同，会影响HDPE树脂的结晶行为和聚集态结构，继而对制品的性能会产生一定的影响。由于非晶态区比晶态区密度小，可以通过密度测量来确定分支的含量。

Zg系双峰模式下生产出的HDPE聚合物产品，相对分子质量较低的部分有利于产品加工性能，相对分子质量较高的部分具有提升产品强度的特点。这是因为共聚单体加入多的情况下，形成一种能穿越较多晶区的系带分子，这种情况下有利于“片晶网络”的形成。对于HDPE管材产品，穿越晶区的系带分子增加，可以有效提升管材HDPE聚合产品的耐慢速裂纹增长特性。

1.2管材产品性能:

HDPE管材性能通常关注以下几种因素：抗静水压力、抗断裂性、拉伸屈服应力、耐环境性、焊接性能。

抗静水压力是管道的一个特性，必须经长时间的分析测试确定。具体方法为将管道保持在一系列高压高温下，直到发生故障。具体表现形式为管壁发生严重变形和变薄，产生破裂。或管壁缓慢开裂的脆性破裂，发生故障的时间作为管道抗静水压力的性能体现。

管材的断裂表现为在内部或外部施加应力的影响下，由管道或配件中产生的缺陷或应力集中引起的裂纹延长，直至裂纹贯穿整个管壁。这种裂缝的增长速度可以相对缓慢，持续多年，也可以在几微秒内快速增长。抗断裂可根据断裂速度分为抗慢速裂纹增长和快速裂纹扩散。抗慢速裂纹增长是指在安装过程中产生了裂痕、表面损伤，硬物冲击或强势弯曲都可能导致裂纹慢速增长。管材产品性能通常通过应变硬化试验、加速全缺口蠕变试验、裂纹试验、加速管道切口试验来判断。快速裂纹扩散多为强大的作用力或第三方损害的罕见的情况下造成，通常在低温情况下，裂纹穿壁扩散内部压力高，材料韧性弱，裂缝继续扩散且速度较快。

黑料管材产品制成的黑色管道因添加炭黑，能有效防止紫外线辐射，可在户外存放至少一年，不会因紫外线照射导致机械性能发生变化。

2.装置影响HDPE产品质量的因素：

Zg催化剂双峰和Cr催化剂的产品应用于聚乙烯管材，产品质量通过熔融指数和密度进行控制。

2.1熔融指数

Zg系生产时，反应器内氢气与乙烯的浓度比值直接影响聚合物的熔融指数，提高熔融指数一般通过增加氢气与乙烯浓度比值实现。结合具体生产通常通过调整参与反应的氢气浓度调整氢气乙烯浓度比值，具体表现形式为调整氢气进料流量。产品的平均分子量通过熔融指数进行判断。熔融指数越高，分子量越低。对于双峰操作，最终树脂的熔融指数实际上是两种具有不同熔融指数的树脂混合的结果。

实际上影响最终熔融指数的是第二个反应器内氢气与乙烯浓度。进入第二反应器的氢气流量仅通过氢气进料流速调整。熔融指数与粘度和重均分子量紧密相关，通过测定熔融指数来反应分子量。熔融指数代表的粘性流动是分子链中心沿流动方向发生位移和分子链间互相滑移的体现。在优等品的范围内，适当的提高熔融指数可以使分子量分布变化，进而有效地提高了聚乙烯产品的拉伸屈服应力。

Cr系熔融指数，在铬系催化中，熔融指数受反应温度的直接影响。增加聚合反应温度可提高熔融指数（其他所有性质仍保持不变）熔融指数可以用来指示产品的平均分子量。熔融指数越高，分子量越低。熔融指数测定的是熔融粘度（直接与聚合物平均分子量相关）。催化剂活化温度升高也会提高熔融指数，在生产中等密度（小于等于940）树脂时，共聚单体的浓度在熔融指数的控制中也起着重要作用，共聚单体浓度升高会引起熔融指数升高。中等密度产品需对共聚单体的浓度作较大变动，产品密度的微小调整都可能导致熔融指数的较大变动，并需要改变温度才能使产品合格。

2.2密度

聚合物产品的密度主要影响参数为结晶度和支化程度，聚合物密度通常对聚合物产品的机械强度有一定影响，密度为生产过程中重要控制指标。通常情况支化程度大的聚合物，它的结晶度和密度较低。在实际生产过程中，一般通过测试产品密度，来判断产品的结晶度。高密度聚乙烯装置生产的实际应用中，经常直接用密度直接指示结晶度，但是从根本上是支化程度影响物性。甲基和乙基等短支链对密度有直接影响，碳6及以上对密度影响微乎其微。

对于Zg催化剂双峰生产模式，密度控制通过调整共聚单体/乙烯浓度比值实现。共聚单体/乙烯浓度比值升高，聚合物产品密度降低。除熔融指数对密度有较小影响外，密度不会受其他参数影响。双峰操作是一种特殊情况，最终生成的树脂密度是两种密度不同的树脂混合的结果，第二反应器内注入了大量共聚单体。

双峰模式下第一反应器生成的聚合物密度相对较高，因为进入第一反应器的共聚单体含量较少。没有共聚单体时，熔融指数和聚合物的密度成正比关系，通过第二反应器己烯-1 / 乙烯比例控制器来调节最后产品的密度。第二反应器熔融指数对密度的影响非常小可以忽略。但密度对双峰产品熔融指数有影响，己烯-1 / 乙烯比越大，熔融指数越高。

Cr催化剂生产时聚合物的密度主要通过反应器内共聚单体/乙烯浓度比的调整来实现控制。共聚单体/乙烯浓度比升高，聚合物产品密度降低。可用以指示聚合物产品的结晶度比例。除共聚单体外，其他乙烯浓度、反应器温度等对密度影响较小。

3．结论

分子量分布越宽，产品通常具有相对更好的加工性能，有利于实际的成型加工，且加工稳定性更好。

可通过熔融指数直接指导控制聚合物的平均分子量。熔融指数数值越高，代表产品的分子量越低。

双峰模式下通过第二反应器己烯-1 / 乙烯比例控制器来调节最后产品的密度。