HDPE 卫浴排水弯管材质研究

作者：连荣炳

HDPE 是一种结晶度高、应用范围很广泛的热塑性塑料，目前大部分用于制作管材和管件制品，具有重量轻、耐化学腐蚀性好、低温抗冲击性好、耐磨性好、管壁光滑、水流阻力小、安装多样且方便等优点。与 PVC 管、PP 管比较，HDPE 管具有耐冲击、不易脆化，在 － 40℃ 低温环境下，仍能保持韧性和挠曲性，是一种很有竞争力的管材品种，已成为目前第二大塑料管材品种。

HDPE 耐环境应力开裂性能( ESCＲ) 差，在一定程度上限制了其应用［1］。卫浴行业的入墙水箱系列产品均有用到 HDPE排水弯管，如果 HDPE 弯管开裂，就会出现漏水，损坏墙体，给用户带来生活不变甚至财产损失。

HDPE 本身对环境应力开裂的敏感性，与其性质和结构是相关的，如结晶颗粒大小、结晶缺陷、无定形区的微空穴，以及分子链支化度、分子量长短及其分布等因素均会有相关的。本文通过改变 HDPE 的结晶形态、晶格结构、分子链支化度和分子链缠绕等方法，改善 HDPE 弯管的抗应力开裂性能，使其性能和强度符合排水弯管的使用要求。

1 实验部分

1.1 主要原料

HDPE M80064 注塑级 MI = 8 g /10min，沙特基础化工有限公司; HDPE 5502 吹塑级 MI = 0． 35 g /10min，韩国大林有限公司; 成 核 剂 HPN210M，美林肯中国有限公司; LLDPE DFDA7042，福炼石化有限公司; EVA 7350M，台塑塑胶工业有限公司; POE 8003，DOW 化学中国有限公司; PE 蜡 CH － A，厦门健佳工贸有限公司; 任基酚聚氧乙烯醚 TX － 10，市售。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤出机 AK36，南京科亚化工成套装备有限公司; 注塑机 EC100S，日本东芝机械有限公司; 电热鼓风干燥箱 TSD －9，统益塑料机械制造有限公司; 高速立式搅拌机 SHＲ － 50A，江苏格兰机械有限公司; 微机控制电子万能试验机 WDW － 20C，上海华龙测试仪器有限公司; 悬臂梁冲击试验机 XJU － 55，承德金建检测仪器有限公司; 熔融指数测试仪器 XNＲ － 400，承德金建检测仪器有限公司。

1.3 实验方法

工艺路线: 配料→搅拌机混合均匀→挤出造粒→注塑制样→性能测试。

性能测试: 抗应力开裂测试参考 GB /T1842 － 2008 进行，样条长宽厚为 40cm × 10cm × 4cm，中心处取个小 V 字形缺口，样条表面涂上浓度为 10% TX － 10 试剂，用特定治具在长度方向压缩 5% 后放入 70℃烘箱，观察样条中间 V 字处断裂一半的时间，常用 F50( h) 表示; 拉伸强度按 GB /T1040 － 1992 测试; 冲击强度按 GB1843 /1A 测试; 熔融指数按 GB /T3682 － 2000 进行。

2 结果与讨论

2． 1 成核剂对 HDPE 材料性能的影响

HDPE 结晶速度较快，容易产生较大的球晶，外力施加时容易形成应力集中点而形成开裂中心［2］。添加成核剂可以改善HDPE 的结晶形态，使结晶颗粒微细化，减少球晶颗粒尺寸，此外也可以提高材料的强度。

图 1 是成核剂 HPN 210M 对 HDPE M80064 抗开裂性能的影响。从图可知，成核剂能提高 HDPE 抗开裂时间，添加至 0． 2% ，抗开裂时间从 2h 提高至 6h，继续增加用量，提高幅度减缓，增加至 0． 4% ，抗开裂时间才为 8h。

图 1 成核剂 HPN 210M 用量对 HDPE 抗开裂性能的影响

表 1 是成核剂 HPN 210M 用量对 HDPE M80064 材料性能的影响，从表可以看出，添加成核剂，材料的拉伸强度和冲击强

度均变大，且随着用量的增加，材料拉伸强度和冲击强度逐渐

增大。这是因为成核剂提高 HDPE 的结晶度，使 HDPE 的刚性增大，同时成核剂也使球晶细化且完善程度提高，从而提高了

材料的韧性［3］。成核剂添加至 0． 2% 后，拉伸强度和冲击强度变化不明显，结合成本考虑，成核剂用量采用 0． 2% 。

2． 2 LLDPE 对 HDPE 材料性能的影响

与 HDPE 比较，LLDPE 带有短且规整的支链，形成的球晶比较小，晶格也比较完善，所以 LLDPE 的抗应力开裂性会比HDPE 好。图 2 是 LLDPE 7042 对 HDPE M80064 /成核剂 HPN 210M 材料的抗开裂性能影响。

从图 2 可知，添加 LLDPE 7042，材料的抗开裂性缓慢地从6h 提高至 25h 左右，且在添加 15% 之后，抗开裂时间才有较明显提高。

表 2 是 LLDPE 7042 用量对 HDPE M80064 /成核剂 HPN 210M 材料的性能影响。从表可见，LLDPE 7042 改善了 HDPE材料的韧性，但降低了材料的强度，当添加量至 15% 之后，材料强度降低到 20MPa 以下，材料显的偏软，影响了 HDPE 材料在弯管上的使用。

2． 3 吹塑级 HDPE 5502 对 HDPE 材料性能的影响

HDPE 分子量越大，分子链运动困难，就会不易生产大的球晶和形成好的序态，抗开裂性能( ESCＲ) 就会越好［4］。HDPE 5502 是吹塑级的，分子量比注塑级 HDPE M80064 大，抗开裂时间相应地也比较大，实测数据为 98h。图 3 是 HDPE 5502 对HDPE M80064 /成核剂 HPN 210M 材料的抗开裂性能影响。从图 3 可见，随着 HDPE 5502 添加量的增加，材料的抗开裂性是逐渐增加的。

表 3 是 HDPE 5502 对 HDPE M80064 /成核剂 HPN 210M 材料的抗开裂性能影响，吹塑级 HDPE 5502 的添加，材料的拉伸基本不变，材料的韧性得到改善，但材料的成型变差了，当添加量到 30% 后，材料的流动性明显降低，在长度较大的排水弯管会有成型困难。因此 HDPE 5502 添加量采用 30% 。

2． 4 弹性体对 HDPE 材料性能的影响

2． 4． 1 POE 弹性体对 HDPE 材料性能的影响

为提高 PE 管 ESCＲ 性能，可采用多种方法，其中以 PE 共混改性最为简便有效［4］。弹性体加入到 HDPE 中，以分散相存在于 HDPE 连续相中，起到了细化球晶、降低结晶度，阻止裂纹扩展的作用。

图 4 是 POE 8003 对 HDPE M80064 /HDPE 5502 /成核剂HPN 210M 材料抗开裂性能影响。从图可知，POE 明显改善HDPE 材料的抗开裂性，尤其是添加量至 15% 时，抗开裂时间达到 700h 左右。

表 4 是 POE 8003 对 HDPE M80064 /HDPE 5502 /成核剂HPN 210M 材料的抗开裂性能影响。从表 4 可以看出，POE 提高了材料的冲击强度，降低了材料的拉伸强度，对 MI 影响不大。当 POE 用量大于 15% ，材料的拉伸强度低于 20MPa，材料就显得偏软，影响了在排水弯管上的使用。

2． 4． 2 EVA 弹性体对 HDPE 材料性能的影响

研究表明［5］，聚烯烃弹性体改善 HDPE 的抗开裂性能

( ESCＲ) 主要是由晶体结构和结晶度的变化，而 EVA、CPE、SBS系列无规共聚弹性体不仅改变 HDPE 的晶态，降低了结晶度，

更重要的是增加了晶区的连接，强化了无定形区域，促使分子

链缠绕，从而能有效阻止裂纹的发生和发展，使 ESCＲ 性能得到明显改善。

4 结论与展望

本实验为了研究不同载体对 HOＲ 电催化剂的性能影响，采用氮掺杂、水煮还原、氩气环境下微波处理等方法，发现不同载体对催化剂性能的影响是较为显著的。

( 1) Pt /C － H2 O

直接对商业 Pt /C 进行水煮处理，CV 扫描图表明水煮后的H 的吸附、脱附峰消失了，活性面积是最小的，交换电流小，活性差; 预先对碳载体处理的 Pt /C － H2 O 的活性是这几种催化剂中最差的。即 Pt /C － H2 O 处理的催化剂活性会变差。

( 2) Pt /C － N

直接对商业 Pt /C 进行氮掺杂，交换电流较大，活性有所提高; 预先对碳载体处理的 Pt /C － N 催化剂表面积相比 Pt /C 较大，交换电流增大，活性有较大提高。实验数据说明，氮掺杂的催化剂的活性有较为明显的提高。

( 3) Pt /C － Ar

在氩气环境下直接对商业 Pt /C 进行微波处理，电化学活性表面积增大，交换电流最大，催化活性最好; 预先处理的 Pt /C －Ar 催化剂的面积增大，交换电流及质量活性有明显的提高。Pt /C － Ar 催化剂的活性是最好的。综上所述，无论是预先对载体进行处理后负载纳米晶，或是直接对催化剂进行处理，经氩气微波处理以及氮掺杂的催化剂活性都有所提高，Pt /C － Ar 的催化活性都是最高的，其次是 Pt /C － N，而 Pt /C － H2 O 催化剂的活性变差。从载体着手，提高贵金属 Pt 催化剂的活性是一种可行手段。尤其是 Pt /C － Ar 和 Pt /C － N 这两种方法都可以应用于提高碱性电解液中氢气氧化反应电催化剂的活性。