李連鵬，李 莉，孟 博，王 碩，李曉東

(1.中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中國石油吉林石化公司北方公司 錦江油化廠，吉林 吉林 132022；3.中國石油天然氣集團公司 工程建設(shè)分公司，北京 100007)

聚乙烯(PE)管道具有許多優(yōu)異的性能，如耐低溫性、韌性好、抗腐蝕性、可焊接性以及“非開挖定向鉆孔”等，特別是其具有良好的快速裂紋傳遞抵抗能力，使其成為城鎮(zhèn)中低壓埋地燃氣管材的首選材料。

根據(jù)國際標準ISO 4437:2007和歐洲標準EN 1555—1:2010的要求，生產(chǎn)燃氣用埋地PE管材的原料應(yīng)采用混配料，即基礎(chǔ)PE樹脂與添加劑，如添加抗氧劑、顏料、炭黑、紫外線穩(wěn)定劑等均勻擠出混合物[1-2]。目前，PE燃氣管材主要采用PE80與PE100等級的中密度聚乙烯(MDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)樹脂為原料。其中PE80級樹脂的顏色為黃色或者黑色，生產(chǎn)的管材顏色為黃色或者黑色管材加黃色標記，PE100級樹脂的顏色為橙色或者黑色，生產(chǎn)的管材顏色為橙色或黑色管材加橙色標記。

中國石油吉林石化公司從2008年開始生產(chǎn)PE100管材料JHMGC100S，通過不斷地工藝優(yōu)化和質(zhì)量攻關(guān)，產(chǎn)品質(zhì)量逐步提升，獲得了國內(nèi)用戶的認可。但是吉林石化公司JHMGC100S為白色PE100級樹脂，不能應(yīng)用在燃氣領(lǐng)域，限制了JHMGC100S管材的應(yīng)用范圍。本文通過對黑色色母料的篩選，開發(fā)出黑色JHMGC100S燃氣管材專用料，滿足國內(nèi)燃氣市場的需求，實現(xiàn)了PE100管材產(chǎn)品系列化和高端化。

1 實驗部分

1.1 原料

雙峰PE100級管材料JHMGC100S：中國石油吉林石化公司；炭黑母料1#：進口；炭黑母料2#和3#為市售工業(yè)品。

1.2 儀器設(shè)備

雙螺桿擠出機：SHJ-58-Ⅱ，南京航天航空大學信立塑料機械廠；熱分析儀：DSC204，德國耐馳公司；高速混合機：SHR-50A，江蘇張家港市億利機械有限公司；簡支梁沖擊試驗機：XJJ-50，河北承德試驗機有限公司；哈克流變儀：RC9000，德國哈克公司；電子萬能試驗機：WDW-1020：長春科新試驗儀器有限公司；維卡熱變形儀：COESFELD Compact6，美國科斯菲爾德公司；熔體流動速率儀：GT-7100-M1B2，臺灣高鐵檢測儀器有限公司；缺口制樣機：XQZH-1，吉林東恒機械設(shè)備有限公司；相位顯微鏡：E2000S，日本尼康公司；密度梯度柱：DC2，美國阿美泰克公司；炭黑含量測試儀：GW3500，北京化工研究院；管材擠出機：德國巴頓菲爾辛辛那提公司。

1.3 實驗步驟

(1) 利用高速混合機，將JHMGC100S和炭黑色母料共混5 min。

(2) 將雙螺桿擠出機升溫至190～220 ℃，對混合好的JHMGC100S進行擠出造粒。

(3) 造粒結(jié)束后，在電熱鼓風干燥箱中于70 ℃下烘干2 h，用于測試。

(4) 利用平板硫化儀在190 ℃下按照GB/T 1845.2—2006進行拉伸樣條、沖擊樣條和維卡軟化點樣條的制備。

1.4 分析測試

熔融指數(shù)按照GB/T 3682—2000進行測試，測試溫度為190 ℃，砝碼質(zhì)量分別為5 kg和21.6 kg，其中MFR(190/5)表示砝碼質(zhì)量為5 kg時樹脂的熔融指數(shù)，MFR(190/21.6)表示砝碼質(zhì)量為21.6 kg時樹脂的熔融指數(shù)，流動速率比(FRR)=MFR(190/21.6)/MFR(190/5)；密度按照GB/T 1033.1—2008進行測試；拉伸強度按照GB/T 1040.1—2006進行測試，拉伸速率為50 mm/min；維卡軟化點按照GB/T 1633—2000進行測試，負荷為50 N，升溫速率為50 ℃/h；沖擊強度按照GB/T 1043.1—2008進行測試。揮發(fā)分按照GB 15558.1—2003附錄C進行測試；炭黑含量按照GB/T 13021—1991進行測試；炭黑分散性按照GB/T 18251—2000進行測試；氧化誘導期按照GB/T 17391—1998進行測試，測試溫度為210 ℃；加工流變性能采用RC9000哈克流變儀進行測試，測試溫度為200 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 炭黑母料的篩選

2.1.1 3種炭黑母料基礎(chǔ)物理性能測試

對3種炭黑母料的密度、炭黑含量和熔融指數(shù)進行了測試，具體結(jié)果如表1所示。

表1 3種炭黑母料的基礎(chǔ)物理性能測試結(jié)果

從表1可以看出，3種炭黑母料的密度和炭黑含量比較接近，但是3#炭黑母料的熔融指數(shù)與1#、2#炭黑母料相差較大。

2.1.2 炭黑母料加工性能分析

利用哈克流變儀，考察了200 ℃下3種炭黑母料剪切速率、剪切應(yīng)力以及表觀黏度，具體結(jié)果如圖1和圖2所示。

剪切速率/s-1圖1 200 ℃下3種炭黑母料剪切速率和剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線

剪切速率/s-1圖2 200 ℃下3種炭黑母料剪切速率和表觀黏度的關(guān)系曲線

從圖1和圖2可以看出，在200 ℃下，炭黑母料1#和2#的加工性能比較接近，炭黑母料3#相差較大。

炭黑母料1#和2#在市場上已經(jīng)應(yīng)用在PE燃氣管材領(lǐng)域，而3#炭黑母料的各種指標和加工性能與1#和2#炭黑母料相差較大，因此在進行黑色PE100燃氣管材料開發(fā)時，使用1#和2#炭黑母料。

2.2 JHMGC100S黑色混配料的合成和性能分析

利用高速混合機和雙螺桿擠出機，采用1#和2#炭黑母料，其添加的質(zhì)量分數(shù)為6.25%，加工溫度為190～200 ℃，批量生產(chǎn)黑色PE100混配料，同時進行基礎(chǔ)物理性能分析測試，具體結(jié)果如表2所示。

表2 黑色JHMGC100S性能測試

續(xù)表

炭黑在PE中的分散結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 1#樣品(×70)

從表2、圖3和圖4可以看出，這2種混配料的炭黑分散等級全部小于3級，炭黑的表觀分散等級達到了A1級，說明這2種炭黑母料的分散性很好，完全可以滿足國際標準ISO 4437—2007中對埋地燃氣管材專用料的炭黑分散性要求。采用1#炭黑母料生產(chǎn)的JHMGC100S混配料的MFR(190/5)指標變化要更小一些。

2.3 JHMGC100S黑色混配料的加工應(yīng)用實驗

加工設(shè)備采用德國巴頓菲爾辛辛那提公司的管材擠出機，生產(chǎn)制品規(guī)格為DN32mm/SDR11和DN110mm/SDR11。其中PE管材生產(chǎn)工藝流程如圖5所示。

對1#和2#混配料制得的管材進行了綜合性能測試，具體結(jié)果如表3和表4所示。

從表3和表4可以看出，2種混配料加工成管材后，其熔融指數(shù)變化率小于5%，氧化誘導期大于40 min，遠高于國家標準大于20 min(200 ℃)的要求。管材的短期靜液壓強度合格，特別是20 ℃靜液壓實驗達到200 h時管材仍未發(fā)生泄漏和破裂。

表3 1#混配料制得的管材檢測結(jié)果

表4 2#混配料制得的管材檢測結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 經(jīng)過2次造粒后，JHMGC100S的熔融指數(shù)變化不大。

(2) 在生產(chǎn)黑色燃氣管材專用料時，宜選用1#和2#炭黑母料。

(3) 炭黑母料質(zhì)量分數(shù)為6.25%時能夠滿足炭黑含量的標準要求，生產(chǎn)的混配料各項基礎(chǔ)性能指標滿足國家和行業(yè)標準的要求。

(4) 加入炭黑色母料后制得的管材,在20 ℃靜液壓實驗達到200 h時管材仍未發(fā)生泄漏和破裂。

參 考 文 獻：

[1] 國際標準化組織.Buried polyethylene(PE) pipes for the supply of gaseous fuels-Metric series-Specifications：ISO 4437-2007[S].日內(nèi)瓦：國際標準化組織,2007:1-22.

[2] 歐洲標準化委員會.Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels-polyethylene(PE)-Part1:General:EN 1555.1-2010[S].日內(nèi)瓦：歐洲標準化委員會,2010:1-18.