蒙炬宏1 区卓琨2 邓天彩1 吴卓凡1 陈冠聪1陈明鑫1
（1.佛山市质量计量监督检测中心，广东佛山528200；2.国家陶瓷及水暖卫浴产品质量监督检验中心，广东佛山528200）
摘 要：通过不同温度下高密度聚乙烯材料的拉伸性能测试，研究温度对于高密度聚乙烯材料的拉伸性能影响。结果表明，高密度聚乙烯材料随着温度的升高，拉伸强度逐渐变小、刚性减弱，断裂伸长率逐渐增大、韧性增强。并且在5℃~8℃间，随着温度升高，高密度聚乙烯材料刚性快速减弱、韧性快速增强。在低于5℃的温度条件下，高密度聚乙烯刚性强、韧性弱；在高于8℃的温度条件下，高密度聚乙烯韧性强、刚性弱。
关键词：聚乙烯 温度 高低温拉伸
Study on tensile properties of high density polyethylene at high and low temperatures
Meng Juhong 1, Ou Zhuokun 2,Deng Tiancai 1, Wu Zhuofan 1, Chen Guancong 1, Chen Mingxin 1
(1. Foshan Supervision Testing center of Quality and Metrology, Foshan, Guangdong 528200; 2. National Center of Supervision and Inspection for Ceramic and Plumbing Fixture, Foshan, Guangdong 528200)
Abstract: By testing the tensile properties of high density polyethylene at different temperatures, the influence of temperature on the tensile properties of high density polyethylene was studied. The results show that with the increase of temperature, the tensile strength, rigidity, elongation at break and toughness of high density polyethylene materials gradually decrease. In addition, between 5℃ and 8℃, with the increase of temperature, the rigidity of high density polyethylene material decreases rapidly and the toughness increases rapidly. At temperatures below 5℃, HDPE has strong rigidity and weak toughness. At temperatures above 8℃, HDPE has strong toughness and weak rigidity.
Key words: Polyethylene stretching at high temperature and low temperature
前言
高密度聚乙烯（HDPE），为白色粉末或颗粒状产品。无毒，无味，结晶度为80%～90%，软化点为125～135℃，使用温度可达100℃；有较好的硬度、拉伸强度和延展性；耐磨性、电绝缘性、韧性及耐寒性较好；化学稳定性好，在室温条件下，不溶于任何有机溶剂，耐酸、碱和各种盐类的腐蚀；制成薄膜后对水蒸气和空气的渗透性小，吸水性低。高密度聚乙烯（HDPE）因具有轻量化、高强度、耐腐蚀等一系列优点而广泛应用于薄膜制品、日用品及工业用的各种大小中空容器、管材、包装材料等，是日常生活中使用最多的高分子材料之一。拉伸性能是重要力学性能指标之一，主要用于表征材料的强度以及延展性，而温度对于高分子类聚合物的力学性能又有着巨大的影响，故本文主要研究在不同温度条件下高密度聚乙烯材料的拉伸强度及断裂伸长率的变化，并试图找出温度影响高密度聚乙烯材料拉伸性能的规律，为高密度聚乙烯材料在不同温度条件下的实际应用中提供参考。（注：由于影响拉伸强度及断裂伸长率结果的因素包括了设备、测试人员、测试环境等不确定因素[1]，所以本文在试样制备及测试过程中严格按照GB/T 1040[2]的标准要求，尽量避免其他因素对本次测试结果的影响。）
1实验部分
1.1原料
高密度聚乙烯PN049，延长大陆。
1.2设备及测试仪器
高低温电子万能试验机ETM104C4EX，深圳万测试验设备有限公司；仪器最大试验力10kN，高低温调节温度范围-70℃~150℃。
管材数控仿形制样机V1643，德国IPT；
1.3实验原理
沿试样纵向主轴恒速拉伸，直到断裂或应力（负荷）或应变（伸长）达到某一预定值，测量在这一过程中，试样承受的负荷及其伸长。[2]
1.4试样制备
先将试料按GB/T 1845.2-2006制成厚度为（4.0±0.2）mm的板件，然后通过机加工制样的方式将板件加工成哑铃型试样。由于高低温拉伸试验机的行程有限，所以只能采用标距较短的试样，参考GB/T 1040.2-2006附录A中的1BB试样[3]。试样长度为30.0mm,标距10.0mm，平行部分宽度2.0mm，夹具间距离为25.0mm。
1.5测试与表征
1.5.1实验参数
按照GB/T 2918-2018中标准环境等级1的要求[4]，试样置于（23±1）℃，（50±5）%RH的条件下状态调节88h以上。按照GB/T 1040.2-2006的要求[3]，拉伸速度为（50±5）mm/min。试验全程保持在（23±1）℃，（50±5）%RH的实验室条件下进行。拉伸测试过程保持在相对应的温度点内进行。实验计划选取了-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃，6个温度点，每个温度点分别进行了5次测试，但经过试验数据反馈，0℃与10℃之间拉伸强度及断裂伸长率数据均出现较大变化，故额外增加5℃和8℃温度点进行测试。
1.5.2高低温拉伸测试
本次实验共进行了8个温度点、每个温度点5次，共计40次拉伸测试。拉伸强度及断裂伸长率结果均取平均值，实验结果整理统计如下：
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随着拉伸时温度的升高，拉伸强度逐渐变小。温度与拉伸强度之间的相关性较为线性，大致的变化率为温度每升高10℃拉伸强度下降2MPa。但0℃至10℃变化较大，达到5.09MPa，5℃至8℃之间拉伸强度就下降了1.72MPa。在5℃至8℃的温度区间内，高密度聚乙烯材料的刚性衰减较快。
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随着拉伸时温度的升高，断裂伸长率逐渐增大，温度与断裂伸长率在﹣20℃至5℃以及8℃至30℃两段区间内，两者之间的相关性较为线性，但在5℃至8℃之间断裂伸长率出现较大幅度增长，高密度聚乙烯材料在该温度区间内，韧性快速增强。
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综合考虑上图两个数据的变化规律，高密度聚乙烯材料随着拉伸时温度的升高，拉伸强度逐渐变小、刚性减弱，断裂伸长率逐渐增大、韧性增强。并且5℃至8℃为高密度聚乙烯材料的刚性和韧性分化较为明显的温度区间。原因有以下两点：（1）在该温度区间内，聚乙烯分子链吸收了足够的能量，聚乙烯分子链的活性增加，活化程度逐渐趋于饱和，使得分子链更容易受外力影响发生位移运动。（2）随着温度的升高，热胀冷缩效应逐渐明显，在该温度区间内，分子团间隙被进一步拉大，位阻效应降低，有利于分子链团的运动。
2结论
高密度聚乙烯材料随着拉伸时温度的升高，拉伸强度逐渐变小、刚性减弱，断裂伸长率逐渐增大、韧性增强。5℃至8℃是高密度聚乙烯材料的刚性和韧性分化较为明显的温度区间。在该温度区间内，随着温度的上升高密度聚乙烯材料拉伸强度快速下降，断裂伸长率快速增大。高密度聚乙烯材料的实际应用中，在低于5℃的条件下，高密度聚乙烯材料的刚性较好、韧性较差；在高于8℃的条件下，高密度聚乙烯材料的韧性较好、刚性较差。
参考文献
[1]李清玲,张晓文,裴鑫杰,等.高密度聚乙烯的拉伸性能影响因素分析[B]. 炼油与化工,1671-4962（2012）01-0016-03 :2-3.
[2]中国国家标准化管理委员会.GB/T 1040.1-2006塑料 拉伸性能的测定 第1部分：总则[G].中国标准出版社, 2006.
[3]中国国家标准化管理委员会.GB/T 1040.2-2006塑料 拉伸性能的测定 第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件[G].中国标准出版社, 2006.
[4]中国国家标准化管理委员会.GB/T 2918-2018塑料 试样状态调节和试验的标准环境[G].中国标准出版社, 2019.