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  2024年5月22日，成都顧地得億塑膠有限公司HDPE管材成型工藝條件對其應力開(kāi)裂的影響
   HDPE 管材有許多優(yōu)良的性能，如質(zhì)輕、抗腐、內壁光滑、使用壽命長(cháng)等，又以其較高的強度應用在承壓輸送各種介質(zhì)的管道上，但其環(huán)境應力開(kāi)裂性能較差，一些 HDPE 管道在長(cháng)期負荷作用下和一定時(shí)間后會(huì )出現應力破損現象。
1 影響因素
1.1 冷卻速度的影響

   溫度是 HDPE 結晶過(guò)程中敏感的因素，不同的結晶程度對管材的力學(xué)性能有較大的影響。某廠(chǎng) HDPE 管在水冷真空定徑箱中成型，管壁斷面有不同的熱歷史，不同的熱歷史對 HDPE 有不同的結晶行為閱，形成了不同結晶度的聚集結構。管材外表層受水急驟冷卻能夠很快的越過(guò)佳的結晶溫度，形成一層結晶度較低的聚集結構區。外表層和中間層有一個(gè)能夠獲得晶核數量及生長(cháng)速率有利的結晶層，這個(gè)區域晶體生長(cháng)好，聚集結構穩定。如果這時(shí)控制好一定的水溫和相應的牽引速度，就可增加該層的厚度。因 HDPE 熱傳導慢，佳結晶溫度在中間層和內層停留的時(shí)間較長(cháng)，結晶能夠在充分的條件下進(jìn)行，所得到的是數量較少、顆粒較大的聚集結構區域。這種內外結構的不均勻性對管材的力學(xué)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(zhù)結晶度的增加，脆性增大。當壓扁到 2/3 時(shí)內表面出現裂紋；繼續壓扁，裂紋向外表面擴展。我們認為使用密度高的均聚物擠出成型管材更應該注意成型工藝。

1.2 熔融溫度的影響
    成型中熔融溫度與在該溫度下停留的時(shí)間會(huì )影響殘存晶核的數量，晶核的存在與否及晶核的大小，對成型時(shí)的結晶速度有很大的影響.如果熔融溫度低，熔融時(shí)間短，殘核沒(méi)有受到破壞，成型時(shí)晶核結晶速度快，晶體的尺寸大小均勻，能形成較穩定的聚集結構；如果熔融溫度高，熔融時(shí)間長(cháng)，原有結構破壞得就越多，殘余的晶核就越少，成核的時(shí)間就長(cháng)，結晶速度就慢，結晶尺寸也大，結構不穩定，從而影響了管材的強度。熔體溫度都較高，應力開(kāi)裂時(shí)間都很短。我們曾用預熱時(shí)間長(cháng)、預熱溫度較高的機頭內熔體成型管材做短期靜水壓強度試驗，其時(shí)間只有 4.3h。熔融溫度對 HDPE成型時(shí)的熔體破裂也有較大影響。成型時(shí)熔體受到剪切應力，當剪切應力達到或超過(guò)某一臨界值時(shí)，熔體就會(huì )出現破裂。熔體溫度不同，對應的剪切速率也大不相同。為保證管材的力學(xué)性能，成型時(shí)要控制好成型溫度，盡量避免熔體破裂。
1.3 牽引速度的影響
    在管材成型過(guò)程中，熔體擠出口模的速度應與牽引管材的速度相協(xié)調。如果牽引速度大于擠出速度，部分大分子順著(zhù)牽引方向取向，在牽引力的作用下，彈性還沒(méi)有回復就被冷卻定型，特別是在口模已定的情況下，靠調整牽引速度來(lái)加工薄壁管，這樣的管材更易在軸線(xiàn)方向上產(chǎn)生裂紋。
2 蠕變開(kāi)裂機理研究及開(kāi)裂時(shí)間的預測
2.1 觀(guān)察開(kāi)裂過(guò)程
    繪出裂紋增長(cháng)的示意圖，根據材料所處狀態(tài)的不同，將裂紋分為 3 個(gè)區域，分別為塑性破壞區、過(guò)渡區和已斷裂區。在整個(gè)裂紋增長(cháng)過(guò)程中，根據裂紋擴展速度的不同，將斷裂過(guò)程分為 3 個(gè)階段，分別為時(shí)間很短的初始恒速階段、加速增長(cháng)階段（SCG）、快速增長(cháng)階段（FCG）。得出了蠕變位移與時(shí)間的關(guān)系，研究了不同切口深度、載荷對時(shí)間的關(guān)系。表明低應力載荷（小于屈服應力的一半）、淺切口條件下，SCG階段所用的時(shí)間占整個(gè)過(guò)程破壞時(shí)間的絕大部分，SCG 的持續時(shí)間決定了材料的破壞時(shí)間。
2.2 假設在 SCG 增長(cháng)過(guò)程中
    裂紋的擴展速度是與溫度相關(guān)的初始應力、初始切口深度的冪函數，結合試驗，擬合出相應常數，得到裂紋擴展速度與溫度、初始應力、初始切口深度的關(guān)系函數。應用彈性體斷裂力學(xué) Dugdale 模型，結合低應力拉伸及 3 點(diǎn)彎曲試驗，得到裂紋恒速增長(cháng)階段應變范圍、SCG 增長(cháng)的應變范圍、應變擴展速度等測試結果，推導出預測試樣破壞時(shí)間的公式，預測出的破壞時(shí)間與實(shí)際測試結果相一致。
3 建議
  （1）HDPE 管成型工藝對其環(huán)境應力開(kāi)裂有較大的影響，好的樹(shù)脂沒(méi)有恰當的成型工藝不能加工出質(zhì)優(yōu)的產(chǎn)品，代用樹(shù)脂通過(guò)改良工藝也能獲得一定的環(huán)境應力開(kāi)裂時(shí)間。
  （2）冷卻水溫與該溫度下的牽引速度有一個(gè)較佳的成型適宜值；成型時(shí)的熔體溫度根據樹(shù)脂的熔融溫度去設定機筒、機頭溫度，不易過(guò)高；牽引速度和擠出速度要同步，不能只用調整牽引速度去大幅度的調整管材壁厚。
  （3）以吹塑級、拉絲級的 HDPE 樹(shù)脂成型的管材不宜應用到輸送有壓介質(zhì)的管道上或長(cháng)時(shí)間的使用。
  （4）在獲得各因素對 HDPE 耐環(huán)境應力開(kāi)裂強度關(guān)系的基礎上，通過(guò)軟件仿真方式，預測 HDPE 耐環(huán)境應力開(kāi)裂強度，縮短時(shí)間周期。
   幾年來(lái)，我們通過(guò)生產(chǎn)、試驗和總結，根據不同的原料樹(shù)脂，及時(shí)調整工藝條件，使塑料管材質(zhì)量有所改善和提高，生產(chǎn)出用戶(hù)滿(mǎn)意的產(chǎn)品間，當然，影響 HDPE 管材成型的因剝良多，本次試驗中工藝條件的確定與調整是以靜水壓強度試驗和環(huán)境應力開(kāi)裂試驗指標為主要依據，我們所作的分析僅供參考。