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1、5(Sum.151)塑料科技October2002PLASTICSSCI.&TECHNOLOGY55文章编号:10053360(2002)05005504综述HDPE耐环境应力开裂的机理、影响因素和改进叶昌明(杭州华电华源环境工程有限公司,浙江杭州310012)摘要:综述了HDPE环境应力开裂(ESC)的机理即裂纹慢速增长(SCG)机理;影响HDPE耐环境应力开裂的因素;以及改善HDPE耐环境应力开裂的途径。关键词:HDPE;ESC;机理中图分类号:TQ32
2、512文献标识码:AHDPE是目前我国发展速度最快的塑料品种之拉伸样条在平面应变状态下受恒定低拉应力作用下发一,它性能优良,如良好的物理机械性能,较高的使用生的断裂破坏具有如下特点:(1)一旦施加应力(不温度,优良的耐寒性等。聚乙烯同聚氯乙烯和聚丙烯一超过y2),PE材料在微观上即开始SCG过程,产生塑样可作为管材。美、日、英、德等国家约有30万英里长性破坏。破坏区包括三个部分(图1),DE段为塑性破的输气管道是用PE材料制造的。这是因为PE制造管坏区,前沿由一系列银纹所组成,银纹内的实体为粗材成本低、能耗少、安装维修容易、
3、耐腐蚀、漏缝易堵纤。分子间作用力已遭破坏,但连结分子尚未伸值;CD塞、寿命较长,但是HDPE耐环境应力开裂性差。本文段为过度区,该区连结分子已拉直,含有大量微银纹,着重讨论HDPE材料环境应力开裂的机理、影响因素其实体为微纤;BC段为已断裂区,微纤被拉断。(2)裂和改进措施。纹初始阶段恒速(时间较短),然后为逐渐加速增长阶段,最后则快速增长直至断裂。在快速增长之前是一个1环境应力开裂的机理SCG过程,在整个过程中主要是BC段在增长。(3)裂[1]缝在SCG阶段和其后几乎一直是楔三角形状,而且张所谓环境应力开裂(ESC)是指材料在环境因素和
4、应力因素协同作用发生的开裂。根据环境因素的不角几乎维持不变。很小,为7~10。同环境应力开裂包括:溶剂银纹,可能是由于溶剂溶胀高聚物表面使Tg降低或者导致结晶引起的;非溶剂(包括醇、润湿剂等表面活性物质)引起的环境应力开裂可能是由于表面活性物质侵润裂纹的表面,降低了表面能,从而有利于裂纹的发展;热应力开裂是由温度变化使高聚物内部发生结构的改变引起的,其裂缝主要发生在物质内部;氧化应力开裂则是氧化剂引起分子链断裂的一种不可逆过程。其中溶剂和非溶剂引起图1破坏区沿裂纹方向3个区段的划分的应力开裂的试验,已经成为研究高聚物内应力和耐[3]
5、董孝理提出,对于有裂纹的样条,由于裂纹尖端[2]开裂性能的重要方法。李孝三等提出HDPE是一种处有应力集中问题,只用应力表征载荷是不行的。按照结晶度较高的线形聚合物,在室温下受恒定低应力作断裂力学,对有裂纹的样条可以用应力强度因子K来用经过一段时间后发生宏观脆性断裂,断裂前会经历表征载荷。应力强度因子K是应力和列纹长度a的一个裂纹慢速增长(SCG)的过程。显微镜观察表明,PE收稿日期:2001111956叶昌明HDPE耐环境应力开裂的机理、影响因素和改进函数。下PE的非晶区处于橡胶态,分子间力极弱,材料的强K=Ya度主要是靠晶区以及晶
6、区间的连结分子提供的。曾有式中Y是与样条几何形状有关的常数,可从有关手册人指出,MW越大,连结分子数目越多,分子越长;MW[4]上查到。相同而分布较宽者,其连结分子的解缠滑脱就较困难,裂纹演化的信息包括裂纹长度、裂端塑性区(银纹材料寿命自然长一些。区)的长度,裂纹张开位移,以及加载线移动等。其中裂23热历史纹长度和裂端塑性区的长度最重要,可以用光学显微-1有人对三种不同热历史(-05!∀min、-15!∀镜观察、拍照。在K一定时,裂纹长度a随时间t推移-1min、水中淬冷)的均聚PE的o~t与~!行为作了的演进过程如图所示。研究。发
7、现冷却速度快则试样密度小,连结分子缠绕少,易发生环境应力开裂,故材料的寿命自然短一些。24支链乙烯与己烯1的共聚物尽管在每1000个主链C原子上只有45个丁基支链,但在80!下其破坏速率32却是室温下均聚PE的110~110。在相同条件下,共聚PE的破坏区是极不规则的三角形,顶端不是尖角状,而是弯弧状。因为材料产生断裂时必须有两个变化,即微纤随时间减弱和破坏区由弹性形态状态转为原纤化状态。前者包含有解缠过程,后者包含有屈服过程,其中连结分子的解缠滑脱作用是造成裂纹慢速增图2裂纹长度a随时间t的变化长的原因。由于PE的非晶区处
8、在高于Tg的状态,没有在诱导期ti内,裂纹并不增长,但裂端可出现一系分子会被拉断,故此种情况下SCG速率是由连结分子列显微镜可观察到的现象,如裂端钝化
