[发明专利]一种耐开裂高密度聚乙烯管材专用树脂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种耐开裂高密度聚乙烯管材专用树脂及其制备方法，采用高活性齐格勒‑纳塔催化剂在Innovene S工艺双环管高密度聚乙烯装置上，生产耐开裂性能高(耐慢速裂纹增长试验时间大于8760h)的高密度聚乙烯管材专用树脂制备方法。耐开裂高密度聚乙烯管材专用树脂组份包括高密度聚乙烯管材树脂粉料、抗氧剂、卤素吸收剂和含氟聚合物加工助剂；制备的耐开裂高密度聚乙烯管材树脂，抗氧化诱导时间t≥60min(210℃)，耐慢速裂纹增长SCG≥8760h(80℃，试验压力0.92MPa)；温度190℃、负荷5kg熔融指数为0.23‑0.28g/10min；冲击强度≥38kJ/m²，拉伸屈服应力≥23MPa。

技术领域

本发明设计了一种耐开裂高密度聚乙烯管材专用树脂及其制备方法，特别是采用高活性齐格勒-纳塔催化剂在Innovene S工艺双环管高密度聚乙烯装置上，生产耐开裂性能高(耐慢速裂纹增长试验时间大于8760h)的高密度聚乙烯管材专用树脂制备方法。

背景技术

聚乙烯(PE)凭借其优异的长期使用性能和良好的加工性能，一直作为燃气管、给水管等中高档管材的首选材料。聚乙烯管道的性能取决于其材料的分子结构，而分子结构受催化剂品种、聚合类型、聚合条件、分子量及分子量分布、共聚单体类型、含量及其分布等因素的影响。中/高密度聚乙烯管道专用材的发展经历了4个阶段^[1-2]：

第一个阶段，第一代的聚乙烯管道材料始于20世纪50年代，以不含支链的聚乙烯大分子为主，共聚单体含量很低，因此密度很高，而耐慢速裂纹增长性能很差，在长期内部静液压的作用下，会出现脆性破坏。体现在蠕变曲线上就是曲线的斜率较大并且形成拐点。

第二个阶段，第二代聚乙烯通过提高共聚单体的含量，降低聚乙烯的密度，改进耐慢速裂纹增长性能。从蠕变曲线上可以看到，和第一代聚乙烯相比，静液压强度有了很大的改进，从PE63发展到PE80，而且曲线的斜率变小了，出现拐点的位置也发生了变化了，出现拐点的时间更长。

第三个阶段，第三代聚乙烯管材专用料采用双峰聚合技术，进一步改进聚乙烯的长期静液压性能和耐慢速裂纹增长性能。从蠕变曲线上看到，80℃条件下，5000h的测试周期内没有出现脆性破坏，不会出现拐点。20％/50年，置信度为97.5％时的静液压强度预测值的下限达到了10MPa，即PE100管道材料。

第四个阶段，第四代聚乙烯通过分子结构设计，进一步提高耐慢速裂纹增长性能。在有外部划伤和点载荷的作用下，仍能够达到100年的设计使用寿命，即耐开裂聚乙烯PE100-RC(RC：Resist Crack，耐开裂)，代表产品是己烯共聚的双峰分子量分布的PE100-RC。

就目前的应用领域而言，例如市政给水、燃气输送、化工流体输送等领域，聚乙烯材料的长期静液压强度(即耐压能力)已经不是阻碍管道应用发展的问题，而如何提高材料的安全性，才是永恒的主题。目前的聚乙烯管道材料50年的设计使用寿命都是基于没有瑕疵、内表面和外表面完好无损的管材的长期静液压试验数据外推得到。但是在施工过程中人为的拖拽引起的刮伤以及周围环境例如石头顶住管材外表面造成的点载荷，会形成应力集中区，产生初始的裂纹并发展成为微观的银纹/孔洞，孔洞间的材料会被拔出形成高强度的微纤结构。管道材料自身的特点将决定银纹是继续增长发展成裂纹而导致材料破坏，还是阻止银纹进一步发展成裂纹；这个特性就是耐慢速裂纹增长性能

为了适应管道安装技术的发展，提高管道在实际环境中的使用寿命，首先应在源头上避免管道表面的破坏，即提高其耐刮痕性。目前市场上PE100级压力管材专用料的性能不能满足这一要求，主要是由于材料本身的结构所决定的。而作为更耐开裂的PE1O0-RC管道材料，通过对分子结构重新设计，进一步提高材料的耐慢速裂纹增长性能，越来越多的应用在非传统管道的安装上。同时，PE100-RC管道材料100年的设计使用寿命对于燃气、供水公司来说，更能为企业和社会带来长久安全、社会效益和长远价值。