非凡抗慢速裂纹增长的高性能超高分子量聚乙烯管材

介绍（INTRODUCTION）
    聚乙烯（PE）由于其轻质、柔韧易处理和耐腐蚀的化学稳定性等优异的特性，已经成为许多管材应用方面的主要材料，如燃气和给水用压力管道、尾矿管道、脱硫、排污管道。因为能够跟随土地运动和优异的熔接性能，特别是超高分子量聚乙烯管道系统地震的优点已经被公认了。
    管材用聚乙烯，特别是超高分子量聚乙烯树脂，的应用在全世界已经逐步增加并且预期会进一步的增长。随着超高分子量聚乙烯的推广，对费用比较低的铺设方法（如非开挖、无砂铺设方法）的需求也在上升。然而，在这些铺设方法中，我们不能避免刮伤导致的表面缺陷以及回填材料中石头和类似物造成的局部应力集中。如果材料的耐应力开裂或耐慢速裂纹增长的性能不够强，这些缺陷和应力集中能够导致比预期更大的应力并且可能导致管材的破坏。由于电熔管件容易操作和熔接强度的可靠性，它被广泛的应用于压力管道系统中。但是，如果管件的设计不合理和材料的耐慢速裂纹增长性能不够强，管件本身结构的复杂性和在焊接部位可能存在的切口形状可能造成应力集中并导致破坏。当我们考虑到使管道系统恶化的影响因素时，耐慢速裂纹增长性能对于管道系统的真实寿命是非常地重要。
    虽然材料的耐慢速裂纹增长性能可以通过PENT和FNCT等其他方法测得，但是考虑到管材的真实应用环境，按照标准ISO13479规定的缺口管材试验（NPT）是评价燃气和给水用管材最可靠的方法。现在要求燃气和给水管材的NPT试验大于165h。虽然许多PE树脂满足了ISO9080标准的要求，但是每种PE的SCG值是不同的，为了改善树脂SCG的性能，许多树脂生产厂家进行了许多工作，到目前为止，由于超高分子量聚乙烯的分子量值所以只有超高分子量聚乙烯远远高于普通PE的165h。
    除耐慢速裂纹增长性能以外，在较高工作压力对耐快速裂纹增长性能的要求和在大口径厚壁超高分子量聚乙烯管材对低熔垂性能的要求也在提高。为了满足这些要求，我们研究了在分子结构（分子量、分子量分布）和树脂性能之间的关系，并努力找到力学性能和加工性能的最佳平衡。为了达到需要的分子结构，我们用多釜的聚合方法（multi—modal polymerization process）和高性能催化剂优化了聚合条件。

分子结构和聚合物性能之间的关系（RELATIONSHIP BETWEEN MOLECULAR ARCHITECTURE AND POLYMER PROPERTIES）
    慢速裂纹增长的裂纹增长被认为发生在片晶之间，慢速裂纹增长的速度被认为与片晶之间系带分子的解缠绕有关联。所以，增进相互缠绕系带分子的数量来延缓系带分子的解缠绕被认为是改善耐慢速裂纹增长性能的关键。通常认为增加共聚单体的含量或者增加系带分子的数量改善耐慢速裂纹增长性能。但是，这也降低了材料的刚性。超高分子量聚乙烯树脂要求较高的刚性和高耐久性两方面。要求分子结构实现很好的性能平衡。

聚合：改进的多釜淤浆环管聚合工艺（Polymerization:Advanced Multi—modal Slurry Loop Process）
    分子量（MW）和共聚合单体含量是影响聚合物性能的主要原因，他们是由聚合条件控制的如聚合温度、聚合压力、聚合时间、氢气部分压力和共聚单体含量等等。在多釜聚合工艺中，在每个反应釜内的各个聚合条件是单独控制的，在每个反应釜中对这些因素的精确控制是活的所需分子结构聚合物地关键。
    在多釜或串联反应器聚合工艺中，高分子量组分（HMWC）和低分子量组分（LMWC）是连续聚合的，但是，随生产商或聚合工艺的不同，聚合的顺序是不同的，在首先聚合低分子量组分的聚合工艺中，当我们试图增加两个组分之间分子量差异来的到好的加工性能和好的刚度及耐慢速裂纹增长性能的平衡时，产生的高分子量组分。不仅两组分的分子量地差异而且高分子量组分和低分子量地组分的比例都影响高分子量部分的分散。
    正如上面我们提到的，提高高分子量部分的共聚单体含量和共聚单体在分子内均匀的分布是得到优异慢速裂纹增长超高分子量聚乙烯材料的两个重要的因素。换句话说，对于催化剂和聚合条件下的基本要求是增加在高分子量组分的共聚合能力和尽可能的增加低分子量组分的密度，以及增加共聚单体结合的均匀性。为了实现这些标准，我们研究了催化剂、聚合工艺和聚合条件。在试验中，我们用己烯作为共聚单体。
    新型的超高分子量聚乙烯按照标准ISO 9080做的静液压强度试验的结果。在所有温度的试验过程中没有脆性破坏。关于加工性能，和普通PE相比较的新型超高分子量聚乙烯材料在200°C时的动态剪切粘度。我们使新型超高分子量聚乙烯材料具有高的剪切敏感性并在低频区有很高粘度从而改善了新型超高分子量聚乙烯抗熔垂性能和挤出性能。