祝景云，谷鳳來，鄢 薇，衣惠君

（1.北京燕山石化高科技術有限責任公司，北京 102500；2.北京燕山石化合成樹脂廠，北京 102500）

0 前言

PE?HD樹脂是一種飽和碳鏈高分子聚合物，是典型的線形分子結構，不能承受較高的溫度（耐熱等級僅55℃左右），隨著使用溫度的提高，蠕變變形增大，力學性能大大降低，難以滿足建筑熱水管的要求。若采用交聯(lián)改性，在聚乙烯分子間形成化學交聯(lián)，從而形成三維網(wǎng)狀的熱固性大分子，其耐熱性及熱強度、耐熱老化性、耐環(huán)境應力開裂性、電絕緣性、阻隔性、耐汽油和芳烴性、抗蠕變性等都得到較大提高；尤其是適用溫度范圍寬，可以在-70～95℃下長期使用；質地堅實而有韌性，抗內壓強度較高，95℃時爆破壓力大于2 MPa，使用壽命長達50年。

用于聚乙烯交聯(lián)的方法主要有3種：硅烷交聯(lián)、過氧化物交聯(lián)和輻照交聯(lián)。硅烷交聯(lián)與輻照交聯(lián)為擠出制品后進行交聯(lián)，交聯(lián)主要發(fā)生在非晶區(qū)，因此交聯(lián)點不均勻。硅烷交聯(lián)需要的助劑較多，價格較高，生產工藝不容易控制，擠出的管材需要水煮8 h后才能完成交聯(lián)反應。輻照交聯(lián)設備比較昂貴，生產厚壁制品時需要更高的輻照劑量和更高的溫度，材料有發(fā)生降解的趨勢，只適合于薄壁制品的生產，如電線電纜、管材等。過氧化物交聯(lián)聚乙烯管材的生產設備簡單，易于控制，生產的管材質量均一，因此過氧化物交聯(lián)成為聚乙烯交聯(lián)的主要方法[1?4]。

過氧化物交聯(lián)PE?HD管材的擠出采用柱塞式擠出機，該方法最主要的優(yōu)點是成本相對低廉，生產工藝簡單，在線一步交聯(lián)，管材柔韌性較好，易于施工，缺點是生產速度慢，1.5 m/min左右。

國內引進過氧化物交聯(lián)PE?HD管材生產線已有將近25年的歷史，但始終沒有國產樹脂供應，一直被國外進口樹脂壟斷，燕山石化低壓裝置成功開發(fā)了過氧化物交聯(lián)PE?HD管材專用料8100M，并獲得了定級認證，本文將8100M與進口料進行結構與性能的對比分析。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PE?HD，8100M粉料、6800CP粉料、6380M粉料、5000S粉料、7600M粉料、5200B二釜粉料，中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司；

1＃粉料、2＃粉料，韓國進口；

交聯(lián)劑（過氧化物DCP），化學純，白色晶體，純度>99.0%，熔點 39.5℃，堆密度 660 kg/m3，密度1 100 kg/m3，阿克蘇諾貝爾公司；

抗氧劑，1076，北京加成助劑研究所。

1.2 主要設備及儀器

掃描電子顯微鏡（SEM），S?3400N，日本日立公司；

差示掃描量熱儀（DSC），6000，日本精工；

凝膠滲透色譜儀（GPC），150C，美國Waters公司；

熔體流動速率測試儀，MP600，美國Tinusolsen有限公司；

振篩儀，RX?29，飛世爾實驗器材（上海）有限公司；

表觀密度測試儀，JJADT?11，承德市金建檢測儀器廠；

核磁共振波譜儀，AV400，瑞士Bruker公司；

自動比重計，AR?160，日本長島計量器制造所；

紅外光譜儀（FTIR），Nicolet6700，美國 Thermo Fisher公司；

拉伸性能測試儀，5566，美國Instron公司；

交聯(lián)度測試儀，油浴、燒瓶與冷凝管進行組裝，自制；

高速混合機，SHR 10DY，北京華新科塑機械有限公司；

模壓機，TDM502，Toho Machinery公司；

模壓機，LP?S?50，瑞典/泰國Labtech公司。

1.3 樣品制備

SEM樣品制備：將粉料樣品灑在樣品臺上，表面進行噴金處理。

交聯(lián)樣品制備：將高速混合機加熱至40℃，按比例稱取粉料、抗氧劑1076和交聯(lián)劑DCP，置于高速混合機內低速混合7 min，出料后待用。稱取一定量混合均勻的樣品，置于TDM502模壓機上，135℃預熱5 min后置于另一臺模壓機上，230℃、5 MPa壓力下壓塑4 min使其發(fā)生交聯(lián)反應，然后置于另一臺模壓機上在5 MPa壓力下冷卻4 min，拉伸性能測試片材的厚度為2 mm，交聯(lián)度測試片材的厚度為0.6 mm。

交聯(lián)度樣品的制備：將上述壓塑完畢的交聯(lián)片材剪碎成0.6 mm×0.5 mm的碎屑，用于測試。

未交聯(lián)樣品拉伸性能、彎曲性能樣片的制備：稱取一定量的粉料樣品，在LP?S?50模壓機上壓塑4 mm厚的樣品，?？虿捎貌灰缡侥？颍瑝核軠囟?80℃，預熱15 min，然后加壓10 MPa壓塑5 min，接著緩冷10 min，冷卻溫度為40℃。

1.4 性能測試與結構表征

核磁分析：將PE?HD樣品在150℃溫度下用氘代鄰二氯苯溶劑溶解，配置成濃度為150 g/L的均相溶液，在150℃的油浴中溶解4 h。脈沖寬度30°，譜寬200，脈沖間隔4 s，30°角質子去耦，掃描次數(shù)6 000次，馳豫時間3 s。

GPC分析：溶劑為三氯苯，試樣溶解溫度為160℃，溶解時間為120 min，色譜柱規(guī)格300.0 mm×7.5 mm，透過孔徑10 μm。

熔體流動速率按照GB/T 3682.1—2018測試，測試溫度190℃，載荷為5 kg和21.6 kg。

FTIR分析：按照GB/T 6040—2019測試，將樹脂在150℃下壓成150 μm厚的薄膜，然后進行測試。

粒徑分布按照GB/T 21843—2008測試。

表觀密度按照GB/T 1636—2008測試。

熔融溫度、結晶溫度、熔融熱焓、結晶熱焓按照ASTM D3418?15測試，將約5 mg的試樣在氮氣保護下，以10℃/min的速度升溫至190℃，恒溫3 min，用于消除樣品熱歷史的影響，然后以10℃/min的速度降溫至20℃，得到樣品的結晶溫度（Tc）和結晶熱焓（ΔHc），再以10℃/min的速度升溫至190℃，得到樣品的熔融峰以及熔點（Tm）和熔融熱焓（ΔHm）。結晶度=ΔHm/288 J·g-1×100%，288 J·g-1為 PE 完全結晶時的熔融熱焓值。

拉伸屈服應力、斷裂拉伸應力、斷裂拉伸應變按照GB/T 1040—2006進行測試，交聯(lián)樣品裁成5型啞鈴型試樣，拉伸速率為100 mm/min；未交聯(lián)樣品裁成B型樣條，拉伸速率為50 mm/min。

彎曲模量、彎曲應力按照GB/T 9341—2008進行測試，彎曲速率2 mm/min。

密度按照GB/T 1033.2—2010梯度管法進行測試。

交聯(lián)度按照GB/T 18474－2001進行測試，稱取交聯(lián)后的剪碎樣品0.5 g左右，用120目鋼網(wǎng)包住樣品后稱量，以二甲苯為溶劑，在150℃油浴溫度下回流8 h，140℃烘干2 h，然后稱量計算得到交聯(lián)度值。交聯(lián)度＝（m2-m1）/m0×100%，其中，m0為樣品原始質量（mg），m1為烘干后鋼網(wǎng)與樣品的質量（mg），m2為原始樣品與鋼網(wǎng)質量（mg）。

2 結果與討論

2.1 交聯(lián)度影響因素的探討

過氧化物交聯(lián)聚乙烯的交聯(lián)度主要是由基礎樹脂的結構與性能、交聯(lián)劑加入量、擠出溫度、擠出速度決定的?；A樹脂的結構是決定交聯(lián)度的內在因素，起決定性的作用。因此從熔體流動速率、分子量分布、共聚單體含量等因素入手，深入探討對交聯(lián)度的影響。

2.1.1 MFR對PE?HD交聯(lián)度的影響

選擇不同熔體流動速率的PE?HD粉料，加入同等用量的抗氧劑、交聯(lián)劑，按照1.3節(jié)進行樣品制備，然后進行交聯(lián)度測試。

從表1可以看出，隨著熔體流動速率的降低，即分子量的增大，交聯(lián)度顯著提高。這是由于交聯(lián)首先是在大分子之間進行的，大分子鏈上可能產生多個交聯(lián)點，而在短鏈上再次產生交聯(lián)點的可能性比在長鏈上的可能性要低，低分子鏈只能作為接枝懸掛在聚合物鏈上，需要更多的過氧化物將幾個短支鏈插入到網(wǎng)絡中以便獲得一定的交聯(lián)度（5）。所以高分子量的聚乙烯只需要較低的過氧化物就能產生較高的交聯(lián)度，在相同量的過氧化物存在下，高分子量聚乙烯交聯(lián)度較高。

表1 熔體流動速率對聚乙烯交聯(lián)度的影響Tab.1 Influence of MFR on cross?linking degree

2.1.2 分子量分布對PE?HD交聯(lián)度的影響

選取一組MFR接近，但分子量分布不同的PE?HD粉料進行實驗，加入同等用量的抗氧劑、交聯(lián)劑，按照上述的交聯(lián)工藝進行交聯(lián)實驗，并進行交聯(lián)度的測試，結果見表2。

表2 分子量分布對PE?HD交聯(lián)度的影響Tab.2 Influence of molecular weight distribution on cross?link?ing degree

從表2可以看出，MFR接近但分子量分布窄的PE?HD可以獲得較高的交聯(lián)度。因此在聚合過程中，應盡量控制聚合工藝平穩(wěn)，獲得較窄分子量分布的PE?HD樹脂。

2.1.3 共聚單體對PE?HD交聯(lián)度的影響

通過對進口料的核磁分析得知，進口料2#為共聚聚乙烯，共聚單體為丁烯?1，而1＃進口料共聚單體含量很低，幾乎檢測不到，因此對共聚單體含量對交聯(lián)度的影響進行研究。

5200B二釜粉料為均聚料，6380M、7600M為共聚料，加入的共聚單體為丁烯?1，而且加入量較多，選取3種原料，加入同等用量的抗氧劑、交聯(lián)劑，使用Braben?der流變儀分析交聯(lián)前后扭矩的變化。

從圖1可以看出，6380M、7600M經(jīng)過2.17 min密煉后，基本熔融完畢，最低扭矩約為40 N·m，此后扭矩開始逐漸增大，說明它們已經(jīng)開始交聯(lián)。5200B二釜粉料經(jīng)過3.9 min后，扭矩曲線依然很平穩(wěn)，說明未發(fā)生交聯(lián)。說明6380M、7600M先于5200B二釜粉料發(fā)生交聯(lián)，說明交聯(lián)優(yōu)先發(fā)生在具有支鏈的叔碳原子上。因此加入共聚單體可以縮短交聯(lián)時間，對于交聯(lián)度的提高是有利的。但共聚單體的加入量要在合理的范圍內，加入量過高，會造成材料強度的下降，影響管材的長期使用壽命。

圖1 140℃時的Brabender交聯(lián)曲線Fig.1 Cross?linking cures on Brabender at 140 ℃

從以上分析可以看出，降低MFR、較窄的分子量分布、加入共聚單體對于交聯(lián)度的提高是有利的。第一次試產的8100M交聯(lián)度較低，在后期聚合工藝優(yōu)化過程中，采取了降低MFR、加入共聚單體、穩(wěn)定工藝參數(shù)保證分子量窄分布等方法提高8100M的交聯(lián)度。

2.2 8100M與進口樣品對比分析

2.2.1 PE?HD 8100M的分子結構

2.2.1.1 與進口樣品的分子量及其分布對比分析

重均分子量（Mw）對高分子量部分較為敏感，提高Mw，有利于提高樹脂的力學性能，有利于管材交聯(lián)度的提高；Mn對聚合物中低分子量部分和高分量部分都較為敏感，提高Mn，降低低分子量組分所占比例，有利于交聯(lián)度的提高。8100M及進口樣品的分子量及分子量分布如表3所示。

表3 8100M及進口樣品的分子量及分子量分布Tab.3 Molecular weight and molecular weight distribution of 8100M and imported samples

從表3可以看出，8100M的重均分子量較高，與2＃相當，1＃較低，8100M的數(shù)均分子量稍低、分子量分布較寬。從交聯(lián)度影響因素的分析可以得知，提高重均分子量，降低分子量分布有利于交聯(lián)度的提高，因此8100M的重均分子量設計得較高。

2.2.1.2 共聚單體種類及含量分析

采用FTIR和13C?NMR方法分析8100M及對比樣品中共聚單體含量。

在乙烯聚合物的13C?NMR分析中，如果是丙烯共聚，在20.2處會出現(xiàn)甲基CH3—的化學位移峰；如果是丁烯?1共聚，在11.2處會出現(xiàn)乙基CH3CH2—的化學位移峰；如果是己烯?1共聚，在14.1處會出現(xiàn)丁基CH3（CH2）3—的化學位移峰。從圖2可以看出，1＃樣品的核磁譜圖中沒有明顯的共聚單體支化點的化學位移峰，說明共聚單體加入量較低。2＃樣品共聚單體含量較多一些，在11.2處出現(xiàn)了乙基CH3CH2—的化學位移峰，共聚單體為丁烯?1。從文獻資料和交聯(lián)度實驗結果可以得知，加入一定量的共聚單體，可以增加叔碳原子的含量，叔碳原子上的氫容易發(fā)生被奪氫反應[6]，對于提高交聯(lián)度是有利的，為了提高產品的交聯(lián)度，8100M加入了一定量的共聚單體丙烯?1，由于8100M中加入的共聚單體比較低，在核磁譜圖上14.0處看不到明顯的甲基CH3—化學位移峰。

圖2 8100M與進口樣品的13C?NMR分析Fig.2 13C?NMR analysis of 8100M and imported samples

使用FTIR分析樣品中甲基支化度及雙鍵含量，結果見表4。

表4 甲基支化度及雙鍵含量的比較Tab.4 Comparison of methyl branching degree and C=C dou?ble bonds number of 8100M and imported samples

從表4可以看出，8100M及1＃樣品檢測不到1378cm-1甲基特征吸收峰。但是從雙鍵含量分析可以看出，1＃樣品雙鍵含量較高，幾乎是8100M的2倍，這種結構差異主要跟使用的催化劑種類有關。聚乙烯雙鍵含量高，分子鏈上容易產生自由基引發(fā)分子間的交聯(lián)，有利于交聯(lián)度的提高[7]。從后面的分析也可以看出，8100M熔體流動速率較低、重均分子量較高，這是為了彌補雙鍵含量低，為了提高交聯(lián)度的目的而特別進行的分子結構設計。

2.2.1.3 結晶性能對比分析

從表5可以看出，2＃樣品結晶溫度最低，這是由于2＃樣品重均分子量、數(shù)均分子量都較高，熔體黏度較高，結晶時分子鏈折疊速度較慢，因此結晶溫度較低。8100M的結晶溫度最高，有利于擠出的處于熔融狀態(tài)的管材快速固化成型。8100M的熔融溫度最高，一方面跟重均分子量較高有關系，另一方面跟共聚單體加入量稍低有關；而且8100M結晶度最高，這是由于其分子量分布較寬，黏度較低，結晶速度較快，結晶比較完善。1＃樣品重均分子量較低，因此熔融溫度較低。

表5 8100M與進口樣品結晶性能對比分析Tab.5 Comparative analysis of the crystallization properties of 8100M and imported samples

2.2.2 與對比樣品物理性能分析

由表6可見，進口樣品1＃的熔體流動速率最高，2＃最低，8100M居中，與分子量及其分布有對應關系。2＃樣品密度最低，因此其剛性即彎曲模量較低，拉伸屈服應力較低。8100M結晶度較高，因此剛性即彎曲模量、屈服應力較高。

表6 8100M與進口樣品物理性能對比分析Tab.6 Comparative analysis of physical properties of 8100M and imported samples

2.2.3 與進口樣品粒徑分布的對比分析

過氧化物交聯(lián)用粉料需要合適的粒徑及粒徑分布，粒徑太細會引起架橋，導致下料困難，同時引起助劑分散的均勻性；粒徑太粗尤其是出現(xiàn)20目以上的硬結料會影響粉料的熔融以及助劑的滲入，影響交聯(lián)度的均勻性，加重對擠出機口模的損傷，縮短生產周期，同時硬結料在管材上會形成空腔的缺陷，打壓測試時容易成為爆破點，理想狀態(tài)是希望粉料中不存在大于20目（850 μm）的粒子。

從表7可以看出，8100M不存在850 μm以上的大粒粉料，1＃、2＃樣品含有少許。3個樣品平均粒徑相當，粒徑主要分布在106～355 μm之間，粒徑分布集中。在工業(yè)化生產交聯(lián)管材之前，需要事先將抗氧劑、液體交聯(lián)劑DTBP與PE?HD粉料在高速混合機內進行混合分散，如果粉料粒徑偏細，助劑分散的均勻性偏差，導致擠出的管材交聯(lián)度不均勻，通過篩選催化劑，8100M粉料粒徑達到了理想的狀態(tài)。但是8100M堆密度較低，在下游擠管過程中，擠出速度稍慢一些。

表7 進口樣品的粒徑與粒徑分布Tab.7 Particle size and distribution of 8100M and imported sam?ples

2.2.4 與進口樣品粒型的對比分析

粉料的粒子形態(tài)會影響其流動性，因此用SEM觀察粉料粒子的形態(tài)，分別采用放大50倍和放大1 500倍的SEM照片，結果如圖5所示。

圖3 SEM分析Fig.3 SEM image of 8100M and imported samples

粒子形態(tài)越接近球形，流動性越好[8]，從50倍的照片可以看出，3＃樣品球形度較高，2#樣品球形度差一些、而8100M呈橢球形的形態(tài)；從1 500倍的照片可以看出，2#粒型結構致密，表面較光滑，3＃樣品表面凸起嚴重，可以看作是微小初生粒子的聚集體，粒子表面存在大量突節(jié)，8100M表面結構較豐富，存在大量微孔[9]。從下游管材生產廠家的反饋來看，2＃、3＃樣品的流動性較好，8100M稍差一些，這跟8100M球形度差及堆密度低有關。

2.3 PE?HD交聯(lián)后性能變化

聚乙烯交聯(lián)后形成網(wǎng)狀結構，性能發(fā)生較大變化。分別稱取一定量的3個粉料樣品，分別加入0.4%的1076和0.5%的DCP，按照1.3節(jié)制備樣品，進行交聯(lián)后性能分析。

2.3.1 8100 M與進口樣品交聯(lián)度對比分析

可以看出，3個樣品交聯(lián)度相差不多，8100M稍低一些，原因在于8100M共聚單體含量稍低一些，雙鍵含量較少。

表8 交聯(lián)度比較Tab.8 Comparison of cross?linking degree of various samples

2.3.2 交聯(lián)劑加入量對拉伸性能及交聯(lián)度的影響

以8100M為基料，抗氧劑的加入均為0.4%，加入不同量的過氧化物DCP，按照1.3節(jié)進行樣品制備，測試交聯(lián)后的性能變化。

從表9可以看出，隨著交聯(lián)劑加入量的提高，交聯(lián)度逐漸加，交聯(lián)劑加入量較低時交聯(lián)度增加較快，交聯(lián)劑加入量較高時，交聯(lián)度增加緩慢。隨著交聯(lián)劑加入量的增加，拉伸屈服應力、拉伸斷裂應力、斷裂拉伸應變有降低的趨勢。因此不能用過度增加交聯(lián)劑的辦法增加管材的交聯(lián)度，這會導致管材的強度下降，影響管材的長期使用壽命。下游管材廠一般是將交聯(lián)度控制在80%左右，這樣既有較高的強度，又有較好的耐熱性能。

表9 交聯(lián)對于拉伸性能及交聯(lián)度的影響Tab.9 Effect of cross?linking on tensile properties and cross?linking degree

交聯(lián)是發(fā)生在聚乙烯的熔融狀態(tài)，當聚合物從熔融狀態(tài)進行冷卻時，分子鏈在有序晶格中的堆砌受到交聯(lián)鏈的束縛，這就導致形成的晶體尺寸小、數(shù)量少，結晶結構弱化，因此屈服強度降低。隨著化學交聯(lián)鍵的增多，強加給聚合物伸長行為的束縛增強，可以伸長的鏈段變短，鏈滑移的可能性減小，因此導致斷裂應力、斷裂伸長率降低。

2.3.3 交聯(lián)后可溶物GPC分析

取以上交聯(lián)度測試5個樣品的二甲苯可溶物冷卻，并進行過濾，對濾紙上的可溶物烘干進行GPC分析。

由表10可以看出，隨著聚乙烯交聯(lián)度的增加，可溶物的重均分子量、數(shù)均分子量均降低，說明交聯(lián)首先發(fā)生在聚乙烯的大分子之間，然后在較低的分子鏈之間進行[10]。因此提高分子量有利于交聯(lián)度的提高。

表10 8100M交聯(lián)后可溶物的GPC分析Tab.10 GPC analysis of soluble matter 8100M after cross?linking

2.4 管材的擠出工藝及性能評價

2.4.1 交聯(lián)管材的擠出加工工藝

過氧化物交聯(lián)聚乙烯管材的生產使用的是柱塞式擠出機，該設備及工藝是1967年由T Engel開發(fā)成功的。它利用鍛造原理，先將PE?HD樹脂粉料與過氧化物及抗氧劑高速混合，再加入柱塞擠出機中，對物料施加200～500 MPa的超高壓，將物料壓入溫度維持在210～230℃的加長口模中。在超高壓及高溫作用下，過氧化物均勻擴散到樹脂中并分解交聯(lián)，直接擠出成型為管材[11]。

各部分溫度設定為：油溫：200℃、下機體：100～120℃、連接段：150～170℃、口模段：200～240℃。

柱塞式擠出機是間歇擠出，當柱塞下降時，模具壓力大，管材外徑大，而當柱塞上提時，模具壓力小，管材外徑小，因而管材表面有凹凸感，如果生產速度太快，該現(xiàn)象較明顯。因而管材的擠出速度不能太快，控制在1.5 m/min以內較好。

分別在國產設備和進口設備上擠出不同口徑的8100M管材，管材表面光滑、顏色柔和，完全通過出廠檢測的要求。

2.4.2 管材性能評價

按GB/T 18992—2003：《冷熱水用交聯(lián)聚乙烯（PE?X）?管材》中對管材的要求，需要進行性能檢測。將8100M擠制成dn32 S5系列管材，送至《國家化學建筑材料測試中心》按表11及分級實驗要求進行檢測，8100M均已通過檢測。

表11 GB/T 18992—2003：管材的性能Tab.11 Mechanical properties of tubes tested according to GB/T 18992—2003

按照GB/T 18992.1－2003要求的分級曲線，原料檢測的分級曲線必須在參考曲線之上。依據(jù)國家標準GB/T 18475—2001《熱塑性塑料壓力管材和管件用材料分級和命名總體使用（設計）系數(shù)》判定所檢樣品PE?HD 8100M管材專用料的MRS=8 MPa，定級為PE?X80。

3 結論

（1）降低熔體流動速率、窄的分子量分布、加入共聚單體有助于交聯(lián)度的提高。

（2）8100M熔體流動速率設計合理，具有較高的重均分子量、較窄的分子量分布。8100M粉料粒徑分布集中，平均粒徑較粗，有利于助劑的均勻分散。

（3）PE?HD的交聯(lián)首先在大分子之間進行，交聯(lián)后拉伸性能有所降低。

（4）按照GB/T 18992—2003《冷熱水用交聯(lián)聚乙烯（PE?X）管道系統(tǒng)?管材》中對管材的力學性能和物理化學性能及分級實驗的要求，在國家化學建筑材料測試中心進行檢測，8100M全部通過檢測；管材的分級表明8100M為PE?X80級管材料，分級曲線均在參考曲線的上方，曲線上沒有拐點。