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  • 光热对地暖PE-Xa管材性能的影响

  • 来源:  发布时间:2015-02-10  浏览:911
  • 光热对地暖PE-Xa管材性能的影响

    摘  要 本文主要阐述了光热对地暖PE-Xa管材性能变化的影响。通过试制三种不同配方的管材分别为标准管材、无抗氧剂管材、抗紫外线管材,研究分析了管材交联度、拉伸屈服强度、维卡软化点、耐压强度随着光照时间延长的变化情况。
     

    通过数据的分析对比发现随着光照时间的延长,无抗氧剂管材的交联度在光老化90天后不合格,标准管材在光老化140天交联度不合格,长达500天的光老化实验中抗紫外管材交联度仍在70%以上;标准管材和无抗氧剂管材拉伸屈服强度均呈现先增加后降低的趋势,无抗氧剂管材拉伸屈服强度曲线在光照98天时拉伸屈服强度达到最大值23.2MPa,光照370天管材老化拉伸屈服强度为零。标准管材在光照140天时拉伸屈服强度达到最大值23.5MPa,光照427天管材老化拉伸屈服强度为零。抗紫外线管材拉伸屈服强度曲线平缓,光照500天,拉伸屈服强度为18.2MPa。经过光照老化,管材韧性变差,抗冲击性能下降,无抗氧剂管材、标准管材和抗紫外线管材分别在光照35天、112天、370天出现95℃、22h静液压实验不合格。整个老化过程,管材的维卡软化点温度变化不明显。
     

    高温加热实验主要是模拟工地加热炉对埋地管材的破坏影响,总结了影响地暖PE-Xa管材性能的主要原因,以便加强生产控制与技术管理,也有利于施工行业选用性价比好的产品,合理保存、规范维护使用,保证产品使用寿命。

    关键字 光热;地暖PE-Xa管材;交联度;拉伸屈服强度;静液压实验

     

    前言

    众所周知,聚合物在光、热、氧和残存金属离子、机械剪切力的作用下,在其造粒、贮存、加工成型、制品使用的各个阶段都会发生分子链的降解,使塑料制品的物理机械性能逐步降低,最终导致制品丧失使用价值。

    在众多的影响因素里,光照的危害是居于首位的。

    塑料管材暴露在日光或强的荧光下,会使外观和物理机械性能劣化,通常表现为变色、失去光泽、出现银纹、侵蚀、龟裂以及力学性能的劣化等,这种现象称为光老化。聚合物材料光老化的最终结果是使用寿命缩短,如聚丙烯、聚乙烯制品,如果不采取防护措施,其户外使用寿命只有几个月到一年的时间。光老化的机理:由太阳辐射出来的电磁波包含从X射线到远红外的连续光谱,其波长范围从0.7nm一直延续到10000nm以上。

    但在通过外空间和高空大气层(特别是臭氧层)后,290nm以下的紫外光和3000nm以上的红外光几乎全部被滤除,实际到达地面的太阳波谱为290~3000nm。其中290~400nm的部分为紫外线,这部分太阳光紫外线却具有足以打断聚合物中化学键的能量。

    在聚乙烯分子中含有大量的C-C键,而在交联聚乙烯分子中除了C-C键接外还存在C-O键接,塑料管材受到太阳光照射后,紫外线能量将这些化学键打断,产生了自由基,分子链即会发生断裂。

    目前市场上和行业内对地暖PE-Xa管材的性能产生了质疑,原因是在使用过程中发现地暖PE-Xa管材出现了多起质量事故,如管材打压漏水、管材表面老化严重出现大量的龟裂纹等。

    基于此背景,进行了实验的研究,通过设计不同的地暖PE-Xa管材配方,研究了地暖PE-Xa管材在曝晒近500天内的性能变化,并模拟工地加热炉对埋地管材的破坏,进行了高温加热实验,实验结果显示,在合理优质的管材配方基础上加以正确的防护措施,地暖PE-Xa管材稳定的分子结构及较高的耐压性能、耐高温性能是地暖PE-Xa管材的突出优势,仍是热水地暖用的优质产品。

    一、光照对地暖PE-Xa管材性能的影响

    图2为管材老化后交联度变化图,可见地暖PE-Xa管材随着太阳光照射时间的延长,无抗氧剂管材和标准地暖PE-Xa管材的交联度存在明显的下降趋势,而抗紫外线管材在长达500天的光照实验过程中,其交联度始终保持在相对稳定的数值上,下降幅度微小,这主要是因为此种管材中,额外添加了紫外线吸收剂,起到了屏蔽光照的作用,保护了分子链不被破坏。

    无抗氧剂的管材在光照70天时交联度开始急剧下降,当光照90天时交联度低于70%不合格,这是由于太阳光破坏了其分子的交联结构,分子断链快速增加,分子断链产生自由基,当自由基大量产生时,没有自由基捕获剂或干扰剂,不能控制自由基的催化产生,引发更多的自由基发生断链,交联度快速下降。

     

     而标准管材交联度下降较缓慢,在光照140天时不合格,正是由于添加了一定数量的抗氧剂,从而使分子在产生自由基时被捕获,而减缓了断链的发生。

    抗氧剂是抵抗聚合物氧化老化的助剂,在高分子分解氢过氧化物的过程中使其不形成有破坏作用的自由基中间产物,即阻止分解所导致的链的支化。

    可以讲抗氧剂也就是还原剂,有氧存在情况下首先与氧发生氧化还原反应;再从另一个角度看抗氧剂与自动氧化中的链增长自由基反应,消化自由基,从而使链式反应中断,它既可以作为氢的给予体,也可以作为自由基俘获剂,因此起到防老化作用,抗氧剂本质上是保证产品使用寿命,不被快速老化的重要材料。

     

    图3为光照对管材拉伸屈服强度的影响。从图中可以看出,标准地暖PE-Xa管材和无抗氧剂地暖PE-Xa管材曲线均呈先上升到峰值后下降的趋势。

    曲线先上升的原因是,在光照老化的初期,PE-X管材交联度下降,分子断链老化加快,产生很多自由基,大分子量的分子变少,相对分子量小的分子增加,内分子链间交联密度增大,断链产生的小分子链段被“冻结”在逐渐变小的交联网间隙中,分子链僵硬,产品脆性逐步增加,其拉伸屈服强度上升。

    但经过长时间的光老化,分子链会因自由基的破坏而持续发生断裂,甚至交联网的结构也被自由基所破坏,分子内部充满了分子断链,链段运动消失,分子柔性消失,表现为管材脆性增大,拉伸屈服强度降低。

    从图中可以看出老化初期,无抗氧剂管材的拉伸屈服强度最大,标准管拉伸屈服强度居中,抗紫外线管材的拉伸屈服强度最小,无抗氧剂管材在光照98天拉伸屈服强度达到最大值23.2MPa,在光照370天时管材无法制样,全部碎裂,拉伸屈服强度为零。

    标准管材在光照140天拉伸屈服强度达到最大值23.5MPa,在光照427天时管材无法制样。而抗紫外线管材的拉伸屈服强度曲线较为平缓,在光照500天时仍保持在18.2MPa。

    这一现象也验证了图2中管材交联度变化的趋势。

     

     图4为老化后管材维卡软化点温度的变化。实验条件负荷为10N,升温速率为120℃/h。由图可见随着太阳光照射时间的加长,三种管材光照老化500天后维卡软化点均变化不大。

    无抗氧剂管材和加紫外光吸收剂管材维卡软化点的起始点较标准管材低,说明不加抗氧剂与加紫外光吸收剂可使管材的维卡软化点有不同程度的降低。

    管材的维卡软化,从表面看是地暖PE-Xa高聚物由玻璃态变成了高弹态;从管材的分子内部看,是高分子链段被“解冻”可以产生较大范围的滑移,高分子之间作用力被削弱,当管材受到外力时高分子链容易被屈服;从使用功能来看耐温性能下降,相同使用温度条件下管材抗压强度性能降低,因此合理的配方与优质原料是保证产品性能的必要条件。

     

     图5是曝晒后管材的瞬间最高耐压强度变化,从图5可见随着太阳光照时间的加长,标准管材和无抗氧剂管材与加紫外光吸收剂管材,20℃水温短期耐液压性能无明显变化趋势。这说明短期常温水温的检测手段并不能完全有效的判定管材的质量及其耐液压性能的优劣。

     

     图6为管材曝晒后的95℃、22h静液压实验。随着光照射时间的延长,当光照时间达到35天时,无抗氧剂管材,95℃、22h液压性能试验管材破裂不合格,管材没有高温抗液压能力。

    主要原因是光氧老化,分子被氧化后产生分子断链,交联度下降,范德华力与氢键形成的作用力在高温下明显下降,管材在受到内部高温液压压力时,分子结构快速变形。破坏力超过了高分子间的作用力而不堪重负,分子之间没有较多的长链分子与交联的网状束缚力,影响管材在高温下的耐压强度性能与使用寿命。而标准管材在光照112天后也出现管材破裂不合格现象。加紫外光吸收剂管材在光照老化370天静液压实验不稳定。

    二、正确防护对管材性能的保障

    本表中提及的正确防护措施是按照标准GB-T18992.2-2003《冷热水用交联聚乙烯(PE-X)管道系统第2部分:管材》中“管材应合理堆放于室内库房,远离热源、防止阳光照射、不得露天存放”的规定进行存放。由表2中数据可见,正确防护500天的标准管材和抗紫外线管材其性能与实验开始前的性能保持一致,正确的防护(避免阳光直射和远离热源)可以保证合理优质配方的管材的性能和使用寿命。而无抗氧剂管材在库存500天后,性能仍有小幅度的劣化,说明劣质或不合格的配方即使正确库存也经不起时间的考验。

    三、高热能对PE-X管材性能的影响

    该实验是通过破坏性的在铺好管材的地面上设置电阻丝加热炉等高温热源,来模拟工地加热炉对埋地管材破坏的影响。实验在地面上铺设20kg、2.5cm的苯板,苯板上铺设标准地暖PE-Xa地暖管材,上覆4cm厚的水泥砂浆填充层。电阻丝加热温度为250±10℃。

                

     经过高温加热后,取出管材发现管材有热降解与热分解老化现象,管材表面出现不同程度的破坏,并且随着高温加热时间的延长,管材液压爆破的形式由韧性破坏转变为脆性破坏,耐压强度明显下降,交联度明显降低,严重影响管材的抗压性能与使用寿命。如图10-15所示。连续的高温热源对管材分子结构有很强的破坏作用,导致管材由韧性破坏变为脆性破坏,大大降低了管材的使用寿命。

    结论

    1.地暖PE-Xa管材的交联度、拉伸屈服强度、耐压性能均随着管材曝晒时间的延长而发生劣化。三种配方管材的耐老化性能顺序为抗紫外线管材>标准管材>无抗氧剂管材。2.在光照老化过程中,抗紫外线管材的性能最为稳定,主要是由于添加了紫外线吸收剂,由此可见,光照破坏对地暖PE-Xa管材的性能影响最大,如果采取正确的防晒措施,标准地暖PE-Xa管材的性能与抗紫外线地暖PE-Xa管材的性能相近,由此可见正确的防晒情况下标准地暖PE-Xa管材的性价比最高。3.无抗氧剂管材随光照老化的速度最快,采用优质抗氧剂并添加合适比例的抗氧剂是地暖PE-Xa管材性能的关键因素。4.高热使地暖PE-Xa管材快速老化破坏,所以规范安装施工和维护才能保证管材使用寿命。5.合理优质的配方、正确的防晒、规范的安装施工是保证地暖PE-Xa管材使用寿命的重要因素。

    综上所述,影响地暖PE-Xa管材的性能有众多的因素,比如采用添加助剂的优劣、生产加工工艺的选取、企业产成品的库存管理等,选择重信誉有规模企业的产品并在施工现场加以正确的防护,地暖PE-Xa管材其稳定的分子结构、较高的耐压性能耐高温性能仍然是其突出的优势。

    主编点评:

    该文通过一些配方研究、光照和高温加热模拟试验数据,分析了其对地暖PE-Xa管材交联度、拉伸屈服强度、维卡软化点、耐压强度等性能参数的影响因素和趋势,为生产加工企业技术管理人员、施工安装人员及使用者,在质量工艺控制、规范施工储存、防护等方面对地暖PE-Xa管材使用寿命的保证具有实际的指导意义。

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