高密度聚乙烯管材光氧老化性能及寿命预测

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.06.006

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (6): 33-39.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.06.006

高密度聚乙烯管材光氧老化性能及寿命预测

赵兴民¹, 赵建平¹(), 燕集中²

^1.南京工业大学机械与动力工程学院，南京 211816
^2.江苏省特种设备安全监督检验研究院，南京 210036

收稿日期:2021-01-18 出版日期:2021-06-26 发布日期:2021-06-23
基金资助:
江苏省研究生科研与实践创新计划项目(SJCX20_0399)

Photo⁃oxidation Aging Performance and Life Prediction for High⁃density Polyethylene Pipe

ZHAO Xingmin¹, ZHAO Jianping¹(), YAN Jizhong²

^1.School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China
^2.Jiangsu Special Equipment Safety Supervision and Inspection Institute，Nanjing 210036，China

Received:2021-01-18 Online:2021-06-26 Published:2021-06-23
Contact: ZHAO Jianping E-mail:jpzhao_njtech@163.com

摘要/Abstract

摘要：

采用荧光紫外灯人工加速老化方法模拟自然太阳光对高密度聚乙烯（PE?HD）管材和热熔接头的光氧老化，在不同温度下（50、60、70 ℃），使用UVA?340型标准荧光紫外灯管在光照和冷凝2种循环模式下模拟老化，并利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）对老化后的管材和接头试样进行了分析表征，通过差示扫描量热仪（DSC）测量了管材和接头的氧化诱导时间（OIT）。结果表明，随着老化时间的延长，接头的烯烃和羰基吸收峰强度高于管材，光氧老化程度加剧；随着温度和老化时间的增长，管材和接头的OIT不断降低，在同等条件下，管材的OIT高于接头；基于动力学曲线线性化方法拟合OIT和自然太阳光与荧光紫外灯辐照量关系，提出的PE?HD管材管件自然光老化的寿命预测模型显示，常温下暴露在自然环境下的接头的寿命比管材缩短了33.76 %。

关键词: 高密度聚乙烯, 管材, 热熔接头, 光氧老化, 氧化诱导时间, 寿命预测

Abstract:

An artificial accelerated aging method was adopted to simulate the photo?oxygen aging process of high?density polyethylene （PE?HD） pipes and butt fusion joints under the natural sunlight. A UVA?340 standard fluorescent ultraviolet lamp was used to simulate the aging process in the two cycle modes of light and condensation at different temperatures of 50 ℃， 60 ℃ and 70 ℃. Infrared spectroscopy was also conducted to analyze the chemical structures of the aged pipe and joint samples. The results indicated that with an increase in aging time， the joint showed higher peak intensity for the olefin and carbonyl absorption in the joint than that in the pipe due to the increase of the photo?oxidation aging degree. Meanwhile， the oxidation induction time of pipes and joints were measured with different aging time at different temperatures. The oxidation induction time and the relationship between natural sunlight and fluorescent ultraviolet lamp irradiation were fitted by means of the kinetic curve linearization method， and a life prediction model for the natural light aging of high?density polyethylene pipes was proposed. The results indicated that the lifespan of PE?HD butt fusion joints exposed to the natural environment was 33.76 % shorter than that of the pipes at room temperature.

Key words: high?density polyethylene, pipe, butt fusion joint, photo?oxygen aging, oxidation induction time, life prediction

中图分类号:

TQ325.1⁺2

赵兴民, 赵建平, 燕集中. 高密度聚乙烯管材光氧老化性能及寿命预测[J]. 中国塑料, 2021, 35(6): 33-39.

ZHAO Xingmin, ZHAO Jianping, YAN Jizhong. Photo⁃oxidation Aging Performance and Life Prediction for High⁃density Polyethylene Pipe[J]. China Plastics, 2021, 35(6): 33-39.

图/表 14

图1 取样方式

Fig.1 Sampling method

图2 PE?HD材料的光氧老化示意图

Fig.2 Photooxidation aging of the PE?HD

图3 紫外老化试验箱

Fig.3 UV aging test equipment

图4 老化循环时间

Fig.4 Ageing cycle time

序号	黑板温度/℃	紫外光时间/h	冷暖温度/℃	冷凝时间/h
A	$50 ± 3$	10	$50 ± 3$	2
B	$60 ± 3$	10	$50 ± 3$	2
C	$70 ± 3$	10	$50 ± 3$	2

序号	黑板温度/℃	紫外光时间/h	冷暖温度/℃	冷凝时间/h
A	$50 ± 3$	10	$50 ± 3$	2
B	$60 ± 3$	10	$50 ± 3$	2
C	$70 ± 3$	10	$50 ± 3$	2

表1 紫外老化循环方式

Tab.1 UV ageing cycle method

表1 紫外老化循环方式

Tab.1 UV ageing cycle method

图5 管材不同老化时间的FTIR曲线

Fig.5 FTIR curves of pipes with different aging time

图6 氧化产物的特征谱带分析

Fig.6 Characteristic band analysis of oxidation products

图7 不同测试温度时试样的OIT

Fig.7 OIT of the samples at different test temperatures

图8 不同温度和不同老化时间下管材和热熔接头的OIT

Fig.8 OIT of the pipes and weld oxidation products at different aging time and different temperature

图9 不同温度时管材和接头的lnP?t曲线

Fig.9 Relationship between ln P and t of the pipes and weld oxidation products at different temperature

材料	温度/K	公式	K/min^-1	A	lnK	r
管材	323	y=0.007 75-0.027 66x	0.027 39	1.007 780 109	-3.587 77	0.984 69
	333	y=-0.030 41-0.034 13x	0.033 43	0.970 047 732	-3.378 46	0.992 11
	343	y=-0.041 34-0.04 699 x	0.046 53	0.959 502 844	-3.057 82	0.990 25
接头	323	y=-0.010 41-0.035 13x	0.035 21	1.010 454 268	-3.349 55	0.995 23
	333	y=-0.036 23-0.046 15x	0.046 15	0.964 418 452	-3.075 86	0.999 69
	343	y=-0.120 51-0.056 28x	0.056 28	0.886 477 087	-2.877 42	0.985 62

表2 动力学曲线线性化常数

Tab.2 Kinetic curve linearization constant

图10 不同温度下管材和接头的ln K

Fig.10 ln K of pipes and joints at different temperature

材料	公式	20 ℃下的lnK	相关系数
管材	y=5.458 43-2 928.564 18x	-4.536 669 59	0.962 14
接头	y=4.767 97-2 618.771 01x	-4.169 815 01	0.988 94

表3 拟合参数

Tab.3 Fitting parameters

材料	K_常温	$A ˉ$	P	t/d	$β$	t₀/年
管材	0.010 709 1	0.979 110	0.052 436	273.32	10.44	7.82
热熔接头	0.015 455 1	0.953 783	0.058 179	180.97	10.44	5.18

材料	K_常温	$A ˉ$	P	t/d	$β$	t₀/年
管材	0.010 709 1	0.979 110	0.052 436	273.32	10.44	7.82
热熔接头	0.015 455 1	0.953 783	0.058 179	180.97	10.44	5.18

表4 常温下PE?HD管寿命预测

Tab.4 PE?HD pipe life prediction at room temperature

表4 常温下PE?HD管寿命预测

Tab.4 PE?HD pipe life prediction at room temperature

参考文献 16

1	HOANG E M， ALLEN N S， LIAUW C M， et al. The Thermo⁃Oxidative Degradation of Metallocene Polyethy⁃lene. Part 1：Long⁃term Thermal Oxidation in the Solid State［J］. Polymer Degradation and Stability，2006，91（6）：1 356⁃1 362.
2	ARCHODOULAKI V M， LUFTI S， SEIDLER S. Oxidation Induction Time Studies on the Thermal Degradation Behavior of Polyoxymethylene［J］. Polymer Testing， 2006， 25 （1）：83⁃90.
3	QI Z， HU N， LI Z， et al. A Stress⁃based Model for Fatigue Life Prediction of High Density Polyethylene under Complicated Loading Conditions［J］. International Journal of Fatigue， 2018， 119：281⁃289.
4	GAUTHIER E， LAYCOCK B， CUOQ F J J M， et al. Correlation Between Chain Microstructural Changes and Embrittlement of LLDPE⁃based Films During Photo and Thermo⁃Oxidative Degradation［J］. Polymer Degradation and Stability， 2013， 98（1）：425⁃435.
5	陈国华，杨毅，周志航.聚乙烯管材老化行为研究进展［J］.高分子通报， 2018 （11）：35⁃43.
	CHEN G H， YANG Y， ZHOU Z H. Research Progress on Aging Behavior of Polyethylene Pipe ［J］. Polymer Bu⁃lletin， 2018 （11）：35⁃43.
6	MAHL M， JELICH C， BAIER H. Thermo⁃mechanical Behavior of Polyethylene under Mechanical Loads at Cryogenic and Eevated Temperatures［J］. International Journal of Pressure Vessels and Piping， 2016，150： 11⁃18.
7	FRANK A， PINTER G， LANG R W. Prediction of the Remaining Lifetime of Polyethylene Pipes after up to 30 Years in Use［J］. Polymer Testing， 2019，28 （7）： 737⁃745.
8	ABDELAAL F， ROWE R K. Application of a Four⁃parameter Exponential Decay Model for Modelling Antioxidant Depletion in HDPE Geomembranes［J］. International Conference on Geosynthetics， 2014，101：21⁃25.
9	CHEN G H， YANG Y， ZHOU C L， et al. Thermal⁃oxidative Aging Performance and Life Prediction of Polyethy⁃lene Pipe under Cyclic and Constant Internal Pressure［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2019， 136（28）： 1⁃9.
10	WANG Y， LAN H Q， MENG T. Lifetime Prediction of Natural Gas Polyethylene Pipes with Internal Pressures［J］. Engineering Failure Analysis， 2018， 95： 154⁃163.
11	GULMINE J V， JANISSEK P R， HEISE H M， et al. Degradation Profile of Polyethylene after Artificial Accelerated Weathering［J］. Polymer Degradation and Stability， 2003， 79（3）： 385⁃397.
12	MÉNDEZ⁃HERNÁNDEZ M L， TENA⁃SALCIDO C S， SANDOVAL⁃ARELLANO Z， et al. The Effect of Thermoplastic Starch on the Properties of PE⁃HD/TPS Blends during UV⁃accelerated Aging［J］. Polymer Bulletin， 2011，67（5）： 903⁃914.
13	DEHBI A， BOUAZA A， HAMOU A. Artificial Ageing of Tri⁃layer Polyethylene Film Used as Greenhouse Cover under the Effect of the Temperature and the UV—A Simultaneously［J］. Materials and Design， 2010， 31（2）： 864⁃869.
14	CARRASCO F， PAGÈS P， PASCUAL S，et al. Artificial Aging of High⁃Density Polyethylene by Ultraviolet Irradiation［J］. European Polymer Journal， 2001， 37（7）： 1 457⁃1 464.
15	Plastics Pipes and Fittings—Butt Fusion Jointing Procedures for Polyethylene （PE） Piping Systems：.［S］. 2017.
16	张敏. 高密度聚乙烯（HDPE）膜材料光氧老化性能研究［D］.上海：东华大学，2017.

[1]	祝景云, 衣惠君, 鄢薇, 李大伟. 合成膜专用聚乙烯树脂原料的研发[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 77-80.
[2]	张庭, 金清平, 宋仕娥, 曹南南, 邓思远. 不同腐蚀环境下FRP筋耐久性与寿命预测研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 75-81.
[3]	李永青, 杨小龙, 陈文静, 闫晓堃, 马秀清. 改性剂及高密度聚乙烯插层和剥离蒙脱石的分子动力学模拟[J]. 中国塑料, 2022, 36(2): 67-74.
[4]	王雅珍, 刘新雨, 董少波, 兰天宇, 祖立武. 相容剂对PE⁃HD/玉米秸秆生物炭复合材料性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 128-134.
[5]	焦旗, 李瑞龙, 陈凑喜, 张守玉, 宋程鹏, 陈同海, 姜如愿, 郑鹏程. 基于三元复合抗氧剂体系煤基PP的使用寿命预测研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 15-24.
[6]	常频, 张毅, 孙峰, 乔亮, 范峻铭. 基于冲压试验的聚乙烯力学性能预测[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 25-31.
[7]	蔡豪坤, 董坚, 蒋仲义. 炭黑对给水用聚乙烯管材物理性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 42-46.
[8]	王琳. 低黄变复配抗氧体系对PE⁃HD发黄问题改善评价[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 73-77.
[9]	雷振凯, 张熙, 龚洁, 卡米尔·帕拉提null. 单翼迷宫式滴灌带抗热氧老化性能的影响研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(9): 40-45.
[10]	姜锐涛, 吴志峰, 王志伟. 钢塑转换连接结构的研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(5): 86-91.
[11]	赵兴民, 赵建平, 燕集中. 高密度聚乙烯管热熔焊接接头本构模型研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(4): 65-71.
[12]	孙海涛, 凌礼恭, 陈树山, 周美五, 项爱民, 徐海云, 王逊. 核电厂核级高密度聚乙烯管道应用技术要求[J]. 中国塑料, 2021, 35(4): 93-97.
[13]	段婧婷, 张效林, 王哲, 李少歌, 迪静静, 吕金燕, 朱晓凤, 王毅. 矿物填料填充聚乙烯/麦秸杆复合材料性能比较[J]. 中国塑料, 2021, 35(3): 1-7.
[14]	郑鹏程, 李瑞龙, 陈凑喜, 张守玉, 姜如愿, 陈同海, 宋程鹏, 焦旗. 新型三元复配抗氧体系的设计及其在煤基均聚PP中的应用[J]. 中国塑料, 2021, 35(12): 1-8.
[15]	孙霖杰, 张经伟, 陈树山, 赖焕生, 魏作友. 高密度聚乙烯管耐氯氧化试验系统设计[J]. 中国塑料, 2021, 35(12): 70-75.

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Photo⁃oxidation Aging Performance and Life Prediction for High⁃density Polyethylene Pipe

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