喬 欣, 高艷雨, 李東旭, 尹偉洋, 包 鵬, 崔建偉, 牛海軍,*

(1.黑龍江大學(xué) 化學(xué)化工與材料學(xué)院, 哈爾濱 150080；2.黑龍江貞財(cái)管道有限公司, 黑龍江 綏化 152000 )

0 引 言

隨著供熱行業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)埋地鋼制管道的不足逐漸顯現(xiàn)，存在的問(wèn)題主要包括使用壽命短，銹蝕沉積物造成堵塞，易發(fā)生腐蝕產(chǎn)生泄露，安裝困難等[1]。因此，供熱行業(yè)需要新技術(shù)來(lái)提高管網(wǎng)的安全性、減少漏失率、提高熱效率。此時(shí)塑料管道新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。塑料管材具有環(huán)保綠色可回收，無(wú)腐蝕銹蝕，不結(jié)垢不堵塞，輸送過(guò)程熱損耗小，50 a長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想型材料[2-6]。

道達(dá)爾公司研制的PE-RT II/XSENE XRT 70材料是一種性能優(yōu)異，應(yīng)用廣泛的新型塑料管材。該材料采用的是超級(jí)雙管式聚合技術(shù)(ADL)，用Catalyst催化劑(鉻，鋅和茂金屬)催化，將乙烯與己烯進(jìn)行共聚，其分子量分布呈現(xiàn)雙峰趨勢(shì)[7-8]。這種材料專為壓力管道設(shè)計(jì)，具有優(yōu)異的耐快速開(kāi)裂和耐慢速裂紋增長(zhǎng)性能，并且加工過(guò)程中無(wú)須加工助劑，較為方便。該管材在輸送水時(shí)，可以長(zhǎng)期無(wú)變化，穩(wěn)定性好，但該材料是否適用于酸堿或有機(jī)溶劑的輸送沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。因此為了進(jìn)一步拓寬該材料的使用范圍，開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)該材料進(jìn)行性能測(cè)試。 本文主要是對(duì)PE-RT II/XSENE XRT 70材料進(jìn)行熱重分析，并將試樣分別浸泡在無(wú)水乙醇(99.7%)、硫酸(98%)和氫氧化鈉(40%)中，測(cè)試其耐化學(xué)浸蝕性，拉伸性能，以及使用金相顯微鏡觀察其在不同浸泡時(shí)間下表面形態(tài)的變化[9-12]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料及主要試劑

II型耐熱聚乙烯(PE-RT II)XSENE XRT 70 材料，道達(dá)爾公司；無(wú)水乙醇(99.7%)，富宇精細(xì)化工有限公司；硫酸(98%)；氫氧化鈉(40%)，天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司。

圖1 管材和粒料的熱重曲線Fig.1 TG curves of the tubular product and particles

1.2 性能測(cè)試

熱重曲線是在北京恒久科學(xué)儀器廠HCT-3型微機(jī)差熱天平上進(jìn)行，測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度(或時(shí)間)的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)條件為N2氣氛，管材樣品量為12.023 2 mg，粒料的樣品量為10.593 6 mg，升溫速率為10 ℃/min。表面形貌是在上海光學(xué)儀器一廠生產(chǎn)de9XB-PC金相顯微鏡上觀察。拉伸測(cè)試在深圳凱強(qiáng)利機(jī)械有限公司生產(chǎn)的WDT90型微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。樣品是在管材上直接切割而成。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱穩(wěn)定性分析

管材與粒料的熱重曲線見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，PE-RT II/XSENE XRT 70材料在270 ℃以下，幾乎未發(fā)生質(zhì)量損失，這表明該材料在此溫度以下，具有良好的熱穩(wěn)定性，是一種性能優(yōu)良的耐熱性聚合物。在270～386 ℃，材料發(fā)生分解，質(zhì)量出現(xiàn)損失，但變化幅度不大。當(dāng)溫度>386 ℃，材料迅速分解，直到約480 ℃，失重過(guò)程基本完成，之后質(zhì)量變化不大。整個(gè)過(guò)程，質(zhì)量消耗率為93.99%，達(dá)到最大分解速率時(shí)的溫度約為420 ℃。粒料的熱重曲線與管材的變化趨勢(shì)幾乎一致，粒料最終的質(zhì)量消耗率為93.66%，與管材存在差異，這是因?yàn)樵诩庸こ晒懿臅r(shí)，添加了碳材料，最后失重的為碳材料。PE-RT II/XSENE XRT 70材料在溫度<386 ℃的使用環(huán)境下，表現(xiàn)出優(yōu)良的耐熱性，且在聚合物成型加工過(guò)程中，物理形態(tài)的改變未造成性能的破壞。

2.2 耐化學(xué)浸蝕性測(cè)試

2.2.1 表面形貌觀察分析

將II型耐熱聚乙烯(PE-RT II)XSENE XRT 70 管材在25 ℃分別浸泡于無(wú)水乙醇(99.7%)、氫氧化鈉(40%)和硫酸(98%)中，觀察被浸泡5 d、10 d、15 d時(shí)，以浸泡溫度為60 ℃時(shí)的變化為例，其表面形貌的變化，結(jié)果見(jiàn)圖2～圖4。

圖2 試樣1浸泡于無(wú)水乙醇(99.7%)的金相顯微鏡圖片F(xiàn)ig.2 Metalloscope images of sample 1 immersed in absolute ethanol (99.7%)

由圖2可見(jiàn)，樣品在無(wú)水乙醇(99.7%)中浸泡5 d時(shí)，可見(jiàn)其表面狀態(tài)變化不大，結(jié)構(gòu)平整，僅現(xiàn)輕微細(xì)紋；浸泡10 d時(shí)，表面紋路明顯增多，樣品受浸蝕程度增加；當(dāng)浸泡15 d時(shí)，表面出現(xiàn)大量孔洞式浸蝕點(diǎn)，材料結(jié)構(gòu)不完整。

圖3 試樣2浸泡于氫氧化鈉(40%)的金相顯微鏡圖片F(xiàn)ig.3 Metalloscope image of sample 2 immersed in sodium hydroxide (40%)

由圖3可見(jiàn)，管材在氫氧化鈉(40%)中浸泡5 d時(shí)，表面出現(xiàn)少量浸蝕點(diǎn)，總體光滑程度未受影響；10 d時(shí)，浸蝕程度未出現(xiàn)明顯變化；15 d時(shí)，表面出現(xiàn)紋路并伴隨浸蝕點(diǎn)，但整體受浸蝕程度不嚴(yán)重。

圖4 試樣3浸泡于濃硫酸(98%)的金相顯微鏡圖片F(xiàn)ig.4 Metalloscope image of sample 3 immersed in concentrated sulfuric acid (98%)

由圖4可見(jiàn)，樣品在硫酸(98%)中浸泡5 d時(shí)，出現(xiàn)面積較大的浸蝕點(diǎn)，表面粗糙度增加；隨著時(shí)間的推移，受浸蝕程度逐漸增大；浸泡15 d時(shí)，表面出現(xiàn)雜亂紋路，光滑平整結(jié)構(gòu)遭到破壞，受浸蝕程度最為嚴(yán)重。

綜上所述，樣品受浸蝕程度由大到小排序?yàn)闃悠?>樣品1>樣品2。

2.2.2 拉伸性能測(cè)試

拉伸性能是管材力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，也是管材性能檢測(cè)最重要的項(xiàng)目。以浸泡時(shí)間為橫坐標(biāo)，拉伸強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，通過(guò)將試樣浸泡于不同試劑分別在25 ℃和60 ℃得到相應(yīng)曲線(圖5、圖6)。由圖5可見(jiàn)，隨著浸泡時(shí)間的增加，拉伸強(qiáng)度都存在大幅度的下降。且以浸泡在硫酸(98%)中的試樣受影響最為嚴(yán)重。通過(guò)觀察表面形貌，該試樣受浸蝕最為嚴(yán)重，其表面粗糙度最大，結(jié)構(gòu)被破壞，在同樣應(yīng)力的作用下，更易發(fā)生斷裂，故表現(xiàn)出拉伸強(qiáng)度大幅度下降。由圖6可見(jiàn)，升溫會(huì)對(duì)浸蝕過(guò)程有重要的影響。

圖5 反應(yīng)溫度25℃時(shí)拉伸強(qiáng)度變化曲線Fig. 5 Tensile strength curves of samples at 25 ℃ immersed in solvents

圖6 反應(yīng)溫度60 ℃時(shí)拉伸強(qiáng)度變化曲線Fig.6 Tensile strength curves of samples at 60 ℃ immersed in solvents

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并參考了ISO/TR10358：1993《塑料管材和管件耐化學(xué)性綜合分類表》提供的一種管材和管件在無(wú)壓力下耐化學(xué)性的初步分類法，得到耐化學(xué)浸濕性測(cè)試表(表1)。

表1 耐化學(xué)浸蝕性測(cè)試Table 1 Chemical solvent resistance test data

注：“S”：耐浸蝕，管材可在既無(wú)壓力也無(wú)其他應(yīng)力下使用；在有壓力下使用時(shí)，最終的評(píng)價(jià)應(yīng)基于進(jìn)一步的壓力試驗(yàn)?！癓”：有限的耐浸蝕，管材可在既無(wú)壓力也無(wú)其他應(yīng)力下使用；但化學(xué)物質(zhì)引起的性能變化應(yīng)在可接受的范圍內(nèi)；在有壓力下使用，最終的評(píng)價(jià)應(yīng)基于進(jìn)一步的壓力試驗(yàn)?！癗S”：不耐浸蝕，管材被強(qiáng)烈浸蝕：不論有無(wú)壓力均不適用。

由表1可見(jiàn)，樣品耐氫氧化鈉(40%)浸蝕性最為優(yōu)良；浸泡在乙醇(99.7%)中，在一定范圍內(nèi)能做到耐浸蝕；而在濃硫酸(98%)的浸泡下，樣品結(jié)構(gòu)遭到較大的破壞。浸泡時(shí)溫度的提高，樣品的被浸濕程度會(huì)增加，但影響不大。

3 結(jié) 論

PE-RT II/XSENE XRT 70材料作為一種新型的耐高溫、非交聯(lián)的PE管材，在386 ℃仍具有良好的熱穩(wěn)定性，物理形態(tài)維持不變，使用性能優(yōu)良，有效解決了傳統(tǒng)鋼制管材存在的一些弊端。此外，通過(guò)拉伸試驗(yàn)，耐化學(xué)浸蝕性測(cè)試可知，該材料在不同濃度，不同酸堿度的溶劑中，耐浸蝕性存在較大差異：在氫氧化鈉(40%)中，隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，浸蝕程度大幅度提高，仍屬于耐浸蝕范圍。在濃硫酸(98%)的浸泡下呈現(xiàn)出被強(qiáng)烈浸蝕的現(xiàn)象，性狀不穩(wěn)定；在乙醇(99.7%)中浸泡的耐浸蝕程度介于兩者之間，但更傾向于耐浸蝕。拉伸強(qiáng)度與耐浸蝕性成正比例關(guān)系，隨時(shí)間的增長(zhǎng)，拉伸強(qiáng)度逐漸下降。此外，較高的反應(yīng)溫度會(huì)適當(dāng)削弱材料的耐浸蝕性。