Rick E. Kunc；Vivek Rohatgi；Paul J. DesLauriers；Ashish M. Sukhadia

摘 要：雙重冷卻是為了提高管道冷卻效率，在聚乙烯(PE)管擠出過(guò)程中采用水或空氣對(duì)管材內(nèi)外壁同時(shí)進(jìn)行冷卻的一種工藝。主要好處是雙冷卻過(guò)程增加生產(chǎn)效率和減少樹(shù)脂老化。盡管雙重冷卻過(guò)程有一些明顯的優(yōu)勢(shì)，但這可能降低快速裂紋擴(kuò)展(RCP)的性能，主要是因?yàn)樵黾恿斯艿纼?nèi)部的殘余應(yīng)力。目前的研究通過(guò)S4試驗(yàn)驗(yàn)證了雙重冷卻過(guò)程對(duì)PE管道RCP性能的影響；在這里，雙重冷卻過(guò)程是在管材擠出時(shí)由壓縮空氣從內(nèi)部進(jìn)行冷卻。雙重冷卻過(guò)程中熱傳遞采用有限元分析（FEA）的方法進(jìn)行分析，結(jié)合殘余應(yīng)力試驗(yàn)與聚乙烯管材的臨界壓力試驗(yàn)，來(lái)具體了解雙重冷卻過(guò)程如何影響快速裂紋擴(kuò)展性能。有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果表明雙重冷卻對(duì)快速裂紋擴(kuò)展性能的影響程度取決于管材樹(shù)脂的密度和應(yīng)力松弛時(shí)間。對(duì)有限元和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論并在細(xì)節(jié)和結(jié)論中給出。

1 簡(jiǎn)介

雙重冷卻是實(shí)壁聚乙烯（PE）管材擠出后使用的降溫工藝，通過(guò)水或空氣隨著管材擠出對(duì)管材內(nèi)外壁同時(shí)進(jìn)行冷卻以提高冷卻效率。通過(guò)雙重冷卻過(guò)程提供的主要好處在于提高產(chǎn)率和降低熔垂。對(duì)于一個(gè)特定的聚乙烯樹(shù)脂，雙重冷卻過(guò)程由于降低了熔垂可以允許較大壁厚和直徑的管材擠出。盡管雙重冷卻過(guò)程提供了一些明顯的優(yōu)勢(shì)，但它對(duì)聚乙烯管材快速裂紋擴(kuò)展性能的影響還不明確。雙重冷卻在最終的聚乙烯管材產(chǎn)品中預(yù)計(jì)影響密度和殘余應(yīng)力的大小，這反過(guò)來(lái)又將影響管材的快速裂紋擴(kuò)展性能。

實(shí)壁聚乙烯管材生產(chǎn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)擠出冷卻方法是采用靜態(tài)的空氣和水分別冷卻管材內(nèi)外表面。在這種情況下，應(yīng)力以非線性的方式從內(nèi)表面到外表面增加，作為殘余應(yīng)力分布的結(jié)果分別在內(nèi)外表面產(chǎn)生拉伸和壓縮應(yīng)力。因?yàn)槭褂盟�或高壓氣流冷卻管材的內(nèi)表面，雙重冷卻過(guò)程不同于標(biāo)準(zhǔn)方法。在雙重冷卻情況下，管材內(nèi)外表面的冷卻速率幾乎相等，例如管材內(nèi)外表面使用水雙重冷卻，分布在管材內(nèi)外表面的應(yīng)力是對(duì)稱的。在這種情況下，相比于標(biāo)準(zhǔn)冷卻，雙重冷卻導(dǎo)致了殘余應(yīng)力大小和分布的改變。

雖然對(duì)雙重冷卻對(duì)殘余應(yīng)力的影響有一定認(rèn)識(shí)，但雙重冷卻對(duì)快速裂紋擴(kuò)展性能的影響還不太清楚。在對(duì)PE 80管材標(biāo)準(zhǔn)冷卻方法和雙重水冷卻的小尺寸穩(wěn)態(tài)臨界壓力（S4，Pc）結(jié)果進(jìn)行比較，雙重水冷卻導(dǎo)致臨界壓力（S4，Pc）降低。所提出的解釋這一結(jié)果的機(jī)理是標(biāo)準(zhǔn)冷卻導(dǎo)致了一個(gè)彎曲力矩來(lái)抵抗擴(kuò)展裂紋，然而在雙重水冷的情況下這一力矩消失。殘余應(yīng)力對(duì)快速裂紋擴(kuò)展性能影響的另一個(gè)機(jī)理是由殘余應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變能，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)快速裂紋擴(kuò)展過(guò)程。假設(shè)驅(qū)動(dòng)快速裂紋擴(kuò)展需要的能量是樹(shù)脂的內(nèi)在性能，增加的殘余應(yīng)力將降低臨界壓力，因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的提高導(dǎo)致較低的內(nèi)壓力即可驅(qū)動(dòng)快速裂紋擴(kuò)展。在對(duì)聚乙烯管材標(biāo)準(zhǔn)冷卻和慢速退火冷卻的試驗(yàn)研究中顯示由于退火導(dǎo)致小尺寸穩(wěn)態(tài)臨界溫度（S4，T_C）顯著改善。另一試驗(yàn)研究顯示，退火管材有著明顯較低的小尺寸穩(wěn)態(tài)臨界溫度（S4，T_C）。在這里，提出了一個(gè)不同機(jī)理解釋殘余應(yīng)力對(duì)快速裂紋擴(kuò)展性能的影響，特別是退火后快速裂紋擴(kuò)展性能的改善，是由于裂紋前端形狀的改變或延長(zhǎng)。盡管描述的殘余應(yīng)力對(duì)快速裂紋擴(kuò)展性能的影響確切機(jī)理存在爭(zhēng)議，但很明顯殘余應(yīng)力對(duì)快速裂紋擴(kuò)展性能有影響。因?yàn)閿D出冷卻過(guò)程影響殘余應(yīng)力，按理說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)冷卻與雙重冷卻可能對(duì)快速裂紋擴(kuò)展性能有不同程度的影響。

目前研究的目的是探討高壓氣流雙重冷卻對(duì)快速裂紋擴(kuò)展性能的影響。實(shí)壁聚乙烯管材使用標(biāo)準(zhǔn)擠出速度和高速擠出并分別使用標(biāo)準(zhǔn)冷卻和雙重冷卻，在這里，通過(guò)高壓氣流和水分別對(duì)管材內(nèi)外表面實(shí)現(xiàn)雙重冷卻。試驗(yàn)程序主要包括殘余應(yīng)力測(cè)定和小尺寸穩(wěn)態(tài)臨界壓力力測(cè)定以確定不同冷卻程序?qū)�快速裂紋擴(kuò)展性能的影響。在不同冷卻過(guò)程中進(jìn)行有限元分析以幫助理解試驗(yàn)結(jié)果。給出了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元分析結(jié)果的分析和討論。

2 術(shù)語(yǔ)

CPR——臨界壓力比。

DCIR——雙重冷卻，高擠出速率（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)擠出速率）。

DCSR——雙重冷卻，標(biāo)準(zhǔn)擠出速率。

FEA——有限元分析。

HDPE——高密度聚乙烯。

MDPE——中密度聚乙烯。

MWD——分子量分布。

M_N——數(shù)均分子量。

M_W——重均分子量。

M_Z——Z平均分子量。

P_C——通過(guò)S4,Pc。

PE——聚乙烯。

RCP——快速裂紋擴(kuò)展。

RSER——殘余應(yīng)變能比。

S4——小尺寸穩(wěn)態(tài)。

SCB——短支鏈。

SCSR——標(biāo)準(zhǔn)冷卻和標(biāo)準(zhǔn)擠出速率。

T_C——通過(guò)小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)確定的臨界溫度。

η_o——零剪切粘度。

t——應(yīng)力松弛時(shí)間。

3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案的目的是探討雙重冷卻對(duì)聚乙烯管材快速裂紋擴(kuò)展性能的影響。本研究所使用的聚乙烯樹(shù)脂是單峰的鉻催化劑中密度聚乙烯（MDPE）和高密度聚乙烯（HDPE）樹(shù)脂，由雪佛龍菲利浦化學(xué)公司提供。為了以后參考，這些樹(shù)脂的具體分子和流變學(xué)特性如表1所示，分子量（M_W）和短支鏈（SCB）分布如圖1所示。通過(guò)使用在表2中定義的不同擠出冷卻過(guò)程將這些樹(shù)脂加工成220mm DR11的管材。在表2中還定義了在本研究中對(duì)于擠出冷卻過(guò)程所使用的縮寫(xiě)名稱，這些名稱將在本文的其余部分用來(lái)指特定的冷卻過(guò)程。在標(biāo)準(zhǔn)擠出速率下用標(biāo)準(zhǔn)冷卻和雙重冷卻以及在增加的擠出速率下使用雙重冷卻生產(chǎn)中密度聚乙烯，在標(biāo)準(zhǔn)擠出速率下使用標(biāo)準(zhǔn)冷卻和雙重冷卻生產(chǎn)高密度聚乙烯管材。如表2中所指出的，術(shù)語(yǔ)“標(biāo)準(zhǔn)冷卻”指的是分別使用非高壓氣流和水冷卻管材的內(nèi)外表面，而“雙重冷卻”指的是分別使用高壓氣流和水冷卻管材的內(nèi)外表面。本研究中管材研究的細(xì)節(jié)在表3中給出。

1.零剪切粘度。

2.對(duì)于Maxwell流體從復(fù)合粘度交叉頻率確定特征松弛時(shí)間。

圖1 對(duì)于單峰中密度聚乙烯和高密度聚乙烯管材樹(shù)脂分子量（M_W）和短支鏈（SCB）分布

1.使用靜態(tài)空氣和水噴淋分別冷卻管材內(nèi)外表面。

2.使用高壓氣流和水噴淋分別冷卻管材內(nèi)外表面。

3.對(duì)于樹(shù)脂/管材系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)擠出速率。

4.相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)速率增大擠出速率。

試驗(yàn)方案涉及到用/不用雙重冷卻生產(chǎn)的聚乙烯實(shí)壁管材進(jìn)行小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和殘余應(yīng)力試驗(yàn)。小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)臨界壓力試驗(yàn)按照ISO 13477標(biāo)準(zhǔn)在0℃下，在巴特爾斯維爾巿雪佛龍菲利浦化學(xué)公司的研究中心進(jìn)行。使用一個(gè)IPT模型1629小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試體系進(jìn)行小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，與通過(guò)羅素技術(shù)制作的空調(diào)冷凍試樣相結(jié)合。在23℃下通過(guò)所謂的“切割”技術(shù)測(cè)定殘余應(yīng)力。用于殘余應(yīng)力測(cè)試的管材試樣是橫截面或環(huán)，厚度大約25mm。拉伸試驗(yàn)首先在環(huán)狀管材上進(jìn)行，通過(guò)在環(huán)向上使用兩個(gè)反向負(fù)載來(lái)測(cè)量環(huán)向楊氏模量。隨后，環(huán)狀管材切成兩等份（180°），在無(wú)荷載條件下進(jìn)行24h自由蠕變，測(cè)量變形部分的尺寸。通過(guò)分析管材扇形區(qū)域的彈性變形來(lái)評(píng)估管壁的殘余應(yīng)力分布和殘余應(yīng)變能。雖然這種測(cè)量技術(shù)不能提供殘余應(yīng)力的具體分布，但它滿足對(duì)在不同條件下管材的相對(duì)殘余應(yīng)力的評(píng)估。進(jìn)行額外的內(nèi)部和標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)評(píng)估樹(shù)脂的分子量、流變學(xué)和物理性能。

4 傳熱分析

為方便理解標(biāo)準(zhǔn)冷卻和雙重冷卻過(guò)程的不同，在冷卻過(guò)程中通過(guò)管壁的熱傳遞使用ANSYS仿真軟件進(jìn)行一個(gè)一維有限元分析（FEA）。冷卻通過(guò)幾個(gè)冷卻槽采用水在管材擠出過(guò)程中對(duì)外壁進(jìn)行冷卻，管材內(nèi)表面通過(guò)靜態(tài)空氣或高壓氣流流冷卻，整個(gè)過(guò)程通過(guò)6個(gè)明顯不同的站點(diǎn)建模如圖2所示。站點(diǎn)1和3是真空定徑槽，通過(guò)水的噴淋冷卻管材的外表面。站點(diǎn)2和4代表真空槽之間的距離，在這些地方管材的外表面暴露于空氣中。站點(diǎn)5包含了3個(gè)獨(dú)立的噴淋水槽，三個(gè)水槽之間的管材暴漏于空氣中。站點(diǎn)6代表了管材經(jīng)過(guò)冷卻階段后的出口，在這一點(diǎn)上管材被切割成一定長(zhǎng)度并放置冷卻到環(huán)境溫度。每一個(gè)站點(diǎn)的出口溫度用來(lái)作為后續(xù)站點(diǎn)的初始溫度，可以模擬整個(gè)冷卻過(guò)程。

圖2 用于有限元分析的擠出冷卻過(guò)程模型

對(duì)于典型的高密度聚乙烯樹(shù)脂熱傳遞性能被用于仿真模擬。熱傳遞模擬的主要目的是確定標(biāo)準(zhǔn)冷卻和雙重冷卻之間溫度記錄的相對(duì)差異，因此，不是嚴(yán)格地去模擬每一個(gè)具體的聚乙烯樹(shù)脂。冷卻過(guò)程模擬為一維熱流通過(guò)管材壁。模型代表了管材的厚度方向包括在管材內(nèi)外表面的對(duì)流單元和代表管材內(nèi)部的傳導(dǎo)單元。無(wú)論是從內(nèi)表面或外表面通過(guò)對(duì)流進(jìn)行熱傳遞。使用的對(duì)流熱傳遞系數(shù)信息分析如表4所示。這些熱傳遞系數(shù)表示為相對(duì)于參考情況的比值，相當(dāng)于熱傳遞從管材表面到大氣。例如，對(duì)于通過(guò)水的外部冷卻熱傳遞系數(shù)比是10，這意味著水的散熱能力比空氣高一個(gè)數(shù)量級(jí)（10倍）。通過(guò)簡(jiǎn)單的減少在每一個(gè)站點(diǎn)的熱傳遞過(guò)程的持續(xù)時(shí)間來(lái)模擬擠出速率的差異。

5 結(jié)果和討論

在0℃通過(guò)小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)確定臨界壓力和23℃殘余應(yīng)力測(cè)定的結(jié)果在表5中給出。在這里，通過(guò)小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)測(cè)定的臨界壓力按照臨界壓力比（CPR）表示，定義為管材的小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)確定臨界壓力與使用標(biāo)準(zhǔn)冷卻過(guò)程SCSR生產(chǎn)的管材小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)確定臨界壓力的比值。同樣，殘余應(yīng)變能比（RSER）定義為管材的殘余應(yīng)變能與使用標(biāo)準(zhǔn)冷卻程序SCSR擠出的管材的殘余應(yīng)變能之比。在這里，術(shù)語(yǔ)殘余應(yīng)變能指的是通過(guò)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變能。根據(jù)定義，使用標(biāo)準(zhǔn)冷卻和標(biāo)準(zhǔn)擠出速率擠出管材的臨界壓力比和殘余應(yīng)變能比是1.0。

1.冷卻程序定義見(jiàn)表2.

2.擠出速率與標(biāo)準(zhǔn)擠出速率之比。

3.對(duì)于用冷卻程序SCSR生產(chǎn)的管材的臨界壓力比。

4.對(duì)于用冷卻程序SCSR生產(chǎn)的管材的殘余應(yīng)變能比。

首先考慮，有限元分析的結(jié)果總結(jié)與圖3。這些結(jié)果顯示了對(duì)三種不同冷卻過(guò)程通過(guò)厚度溫度曲線的評(píng)估。在冷卻降溫過(guò)程的開(kāi)始、中間和結(jié)束的對(duì)應(yīng)位置所顯示的溫度曲線如圖2所示。這些結(jié)果表明，不同的冷卻過(guò)程產(chǎn)生的溫度曲線具有基本相同的形狀，最高的溫度位于管材的內(nèi)表面附近，從內(nèi)表面到外表面溫度逐漸降低。最低溫度在外表面，因?yàn)樗畤娏芙佑|提供了最大的散熱速率。不同冷卻過(guò)程之間具有相似的溫度曲線表明，所有的冷卻過(guò)程都將產(chǎn)生一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)冷卻過(guò)程SCSR相似的殘余應(yīng)力分布，尤其是在內(nèi)外表面分布的拉伸和壓縮應(yīng)力。不同冷卻過(guò)程的體現(xiàn)在溫度曲線移動(dòng)到另一個(gè)更高或更低的溫度，表明一個(gè)整體冷卻速率的變化。冷卻過(guò)程冷卻速率最快是DCSR，其次是SCSR，最后是DCIR。

圖3 穿過(guò)管材厚度的模擬溫度剖面圖。

標(biāo)準(zhǔn)化厚度定位=（r-R_I）/t，其中r=徑向位置，R_I=內(nèi)半徑，t=管材壁厚。

不同冷卻過(guò)程的效果期望通過(guò)測(cè)得的殘余應(yīng)力的差異反映出來(lái)。表5中所顯示的RSER結(jié)果清晰地表明使用快速冷卻增加了殘余應(yīng)力。中密度聚乙烯和高密度聚乙烯管材的殘余應(yīng)變能量比分別是1.18和2.50。對(duì)于DCIR的RSER是0.60，表明殘余應(yīng)力相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)冷卻程序SCSR減少。在DCIR情況下，圖3表明由于較快的擠出速率，管材下線溫度更高。在靜態(tài)的空氣條件下隨著管材冷卻至室溫需要更多的時(shí)間，整體的冷卻速率降低。殘余應(yīng)力測(cè)定和有限元模擬結(jié)果的研究一致性足以證實(shí)有限元分析的結(jié)果。

在研究不同冷卻程序?qū)�快速裂紋擴(kuò)展性能的影響時(shí)，期望冷卻程序產(chǎn)生的殘余應(yīng)力增加導(dǎo)致S4，Pc降低。表5所示的CPR結(jié)果比較表明對(duì)于中密度聚乙烯管材，由于冷卻程序或擠出速率的差異只能觀察到CPRs之間很小的差異。相反，對(duì)于高密度聚乙烯管材由于不同的冷卻程序在CPRs中顯示出明顯的差異。用DCSR冷卻程序生產(chǎn)的中密度聚乙烯和高密度聚乙烯的結(jié)果顯示了殘余應(yīng)力增加（即RSER＞1），這與一個(gè)下降的S4，Pc相對(duì)于用SCSR冷卻程序生產(chǎn)的管材有關(guān)。這些結(jié)果與預(yù)期的一致。然而，對(duì)于使用DCIR冷卻程序生產(chǎn)的中密度聚乙烯管材的結(jié)果顯示殘余應(yīng)力（RSER＜1）和S4，Pc下降相對(duì)于使用SCSR冷卻程序生產(chǎn)的管材。這些結(jié)果與預(yù)期的不一致。我們相信，這些結(jié)果可能是由于流變學(xué)（分子弛豫速率）或密度（結(jié)晶能力或速率），或者兩者都有原因，作為進(jìn)一步的解釋如下。

表1所示的用于本研究的中密度聚乙烯和高密度聚乙烯管材樹(shù)脂的基本分子結(jié)構(gòu)和流變性能。熔體流變學(xué)研究結(jié)果表明，對(duì)于中密度聚乙烯特征松弛時(shí)間明顯短于高密度聚乙烯樹(shù)脂。尤其是高密度聚乙烯與中密度聚乙烯樹(shù)脂特征松弛時(shí)間之比大約為65。因此，在聚合物熔體中分子松弛在中密度聚乙烯樹(shù)脂發(fā)生的速度比高密度聚乙烯樹(shù)脂快。中密度聚乙烯較短的松弛時(shí)間也通過(guò)表1所示的分子量平均值確定。特別是Z—平均分子量，M_Z，對(duì)于大分子加長(zhǎng)是敏感的，與更長(zhǎng)的松弛時(shí)間有關(guān)。對(duì)于中密度聚乙烯樹(shù)脂的M_Z比高密度聚乙烯樹(shù)脂少，表明更短的松弛時(shí)間。中密度聚乙烯樹(shù)脂更短的松弛時(shí)間也通過(guò)在圖1所示的MWDs的比較進(jìn)行說(shuō)明。特征松弛時(shí)間對(duì)分子量在100萬(wàn)-1000萬(wàn)范圍內(nèi)的分子影響最大。比較MWDs確認(rèn)了HDPE樹(shù)脂的大量材料的分子量范圍，并且因此會(huì)具有更大的特征松弛時(shí)間�；�于上面所述數(shù)據(jù)，對(duì)于中密度聚乙烯樹(shù)脂熔體松弛足夠快，不同的冷卻程序不影響隨后的松弛（殘余應(yīng)力）狀態(tài)是可能的。然而，對(duì)于高密度聚乙烯樹(shù)脂更高的M_W、M_Z和更長(zhǎng)的特征熔體松弛時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致更大程度的“凍結(jié)”（殘余）應(yīng)力。通過(guò)不同冷卻程序根據(jù)不同時(shí)間殘余應(yīng)力不一致。

從圖4的數(shù)據(jù)來(lái)看，另一個(gè)或至少是相關(guān)的解釋也是可能的，它顯示的是穿過(guò)中密度聚乙烯和高密度聚乙烯管材厚度所測(cè)量的密度分布圖。這些結(jié)果表明，不同的冷卻程序?qū)χ忻芏染垡蚁┕懿牡拿芏确植急雀呙芏染垡蚁┕懿牡拿芏确植加绊懨黠@要少。不同的冷卻程序SCSR、DCSR和DCIR生產(chǎn)的中密度聚乙烯管材以及管材內(nèi)壁和中間的密度基本上是均等的。用DCIR冷卻生產(chǎn)的中密度聚乙烯管材從管壁中間到外側(cè)密度逐漸降低。對(duì)于高密度聚乙烯管材的密度分布穿過(guò)整個(gè)管壁顯示出明顯的差異，使用DCSR冷卻程序生產(chǎn)的管材具有較低的密度。通過(guò)觀察高密度聚乙烯管材密度的差異程度明顯大于中密度聚乙烯管材。圖1所示的是中密度聚乙烯樹(shù)脂和高密度聚乙烯樹(shù)脂的短支鏈（SCB）分布。眾所周知，引入短支鏈阻礙了聚乙烯的結(jié)晶速率。因此，可能是對(duì)于中密度聚乙烯樹(shù)脂由于含有許多短支鏈，導(dǎo)致不同冷卻程序?qū)�結(jié)晶度幾乎沒(méi)有影響。圖4所示的非常支持這一預(yù)期：對(duì)于不同冷卻程序在厚度上的密度分布非常相似。對(duì)于高密度聚乙烯樹(shù)脂，由于較低的短支鏈含量，結(jié)晶速率相對(duì)更快，在標(biāo)準(zhǔn)速率下的雙重冷卻“淬火冷卻”聚合物，導(dǎo)致更高的殘余應(yīng)力。

圖4 穿過(guò)管壁的密度剖面圖。

標(biāo)準(zhǔn)化厚度定位=（r-R_I）/t，其中r=徑向位置，R_I=內(nèi)半徑，t=管材壁厚。

從表5中顯而易見(jiàn)，在殘余應(yīng)力中的變化和S4,Pc分別通過(guò)RSERs和CPRs作為表現(xiàn)，不同冷卻程序依賴于樹(shù)脂的特征松弛時(shí)間或密度或這些因素的一些復(fù)雜的組合的影響來(lái)支持這些解釋。中密度聚乙烯和高密度聚乙烯RSERs的對(duì)比顯示對(duì)于中密度聚乙烯殘余應(yīng)力水平的差異明顯的少于高密度聚乙烯管材。最大殘余應(yīng)變能的變化通過(guò)RSERs對(duì)于中密度聚乙烯管材和高密度聚乙烯管材分別是-40%（RSER=0.6）和150（RSER=2.5）。中密度聚乙烯和高密度聚乙烯管材CPRs比較顯示，不同的雙重冷卻過(guò)程對(duì)中密度聚乙烯管材的S4,Pc具有微小的影響，但對(duì)于高密度聚乙烯管材明顯的降低了S4,Pc。最大變化在S4,Pc中對(duì)于中密度聚乙烯管材和高密度聚乙烯管材通過(guò)CPRs分別是-4%（CPR=0.96）和-32%（CPR=0.68）體現(xiàn)。

還值得關(guān)注的是，對(duì)于使用DCIR冷卻程序生產(chǎn)的中密度聚乙烯管材，分子松弛機(jī)理不能最終解釋表現(xiàn)出的意想不到的趨勢(shì)。在這里，殘余應(yīng)力相對(duì)于使用標(biāo)準(zhǔn)SCSR冷卻程序生產(chǎn)的管材有40%的減少，與在S4,Pc沒(méi)有本質(zhì)的變化有關(guān)。這些數(shù)據(jù)表明，殘余應(yīng)力對(duì)中密度聚乙烯樹(shù)脂的快速裂紋擴(kuò)展性能沒(méi)有影響或不同冷卻程序?qū)е碌臍堄鄳?yīng)力不足以影響快速裂紋擴(kuò)展性能。參考文獻(xiàn)5給出了支持這些結(jié)論的第二個(gè)S4,Pc試驗(yàn)數(shù)據(jù)。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于自然的中密度聚乙烯管材S4,Pc結(jié)果顯示了一個(gè)5℃的改進(jìn)，由于管材在100℃下4個(gè)小時(shí)的烘箱退火，這時(shí)關(guān)掉烘箱讓管材單獨(dú)在室溫下慢慢的冷卻。在這種情況下，退火管材的RSER是0.01，表明殘余應(yīng)力降低99%。這些數(shù)據(jù)揭示了退火能夠減少殘余應(yīng)力到一個(gè)水平，對(duì)中密度聚乙烯管材的快速裂紋擴(kuò)展性能有明顯的改善。針對(duì)目前的研究，這些數(shù)據(jù)表明不同冷卻程序?qū)е碌臍堄鄳?yīng)力的差異不足以影響快速裂紋擴(kuò)展性能。

最后提一下，雙重冷卻對(duì)雙峰聚乙烯管材的快速裂紋擴(kuò)展性能影響預(yù)計(jì)和在這里研究的單峰聚乙烯管材影響一致。具體而言，雙重冷卻預(yù)期會(huì)改變雙峰聚乙烯管材的殘余應(yīng)力狀態(tài)，這反過(guò)來(lái)會(huì)影響快速裂紋擴(kuò)展性能。由于雙重冷去引起的殘余應(yīng)力水平的變化程度取決于雙峰聚乙烯樹(shù)脂的特定分子特征和雙重冷卻程序的詳細(xì)過(guò)程。用雙峰和單峰聚乙烯樹(shù)脂生產(chǎn)的管材在等效殘余應(yīng)力變化的情況下，由于優(yōu)良的快速裂紋擴(kuò)展性能，對(duì)于雙峰聚乙烯管材預(yù)期的影響可能不是很明顯。需要進(jìn)一步的工作來(lái)驗(yàn)證這些預(yù)測(cè)。

結(jié)論

如下是目前研究得出的結(jié)論。

1.使用一個(gè)雙重冷卻程序，采用高壓氣流和水分別冷卻內(nèi)外表面，與標(biāo)準(zhǔn)冷卻程序使用靜態(tài)空氣和水分別冷卻內(nèi)外表面產(chǎn)生相同的整體殘余應(yīng)力分布。這種殘余應(yīng)力分布與分別在管材內(nèi)外表面的拉伸和壓縮應(yīng)力相一致。

2.對(duì)管材內(nèi)外表面分別使用高壓氣流和水冷卻程序，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)擠出速率和高擠出速率，相對(duì)于使用標(biāo)準(zhǔn)冷卻程序生產(chǎn)的相同管材，對(duì)單峰實(shí)壁中密度聚乙烯管材的快速裂紋擴(kuò)展性能沒(méi)有明顯的影響。

3.對(duì)管材內(nèi)外表面分別使用高壓氣流和水冷卻程序，在標(biāo)準(zhǔn)擠出速率下，相對(duì)于使用標(biāo)準(zhǔn)冷卻程序生產(chǎn)的相同管材，對(duì)單峰實(shí)壁高密度聚乙烯管材的快速裂紋擴(kuò)展性能有明顯的不利影響。

4.提出解釋雙重冷卻對(duì)單峰實(shí)壁中密度聚乙烯管材快速裂紋擴(kuò)展性能沒(méi)有明顯影響和雙重冷卻對(duì)單峰實(shí)壁高密度聚乙烯管材快速裂紋擴(kuò)展性能有明顯影響的機(jī)理是：雙重冷卻的效果可能取決于樹(shù)脂的特征松弛時(shí)間或密度或這些因素的復(fù)雜組合。如果在時(shí)間尺度或等效冷卻速率上通過(guò)不同的冷卻程序相較于樹(shù)脂的特征松弛時(shí)間施加小的不同，那么雙重冷卻效果預(yù)期是明顯的。同樣，短支鏈含量（密度）可能導(dǎo)致結(jié)晶速率的不同，雙重冷卻能夠“淬火冷卻”高密度聚乙烯（更快的結(jié)晶）樹(shù)脂，但不是中密度聚乙烯（結(jié)晶較慢的樹(shù)脂）。然而或許機(jī)理可以單獨(dú)的解釋目前的研究，但是數(shù)據(jù)的收集是有限的，更多的研究需要分開(kāi)去研究這兩種因素的影響。

致謝

作者要感謝雪佛龍菲利浦化學(xué)公司LP對(duì)這項(xiàng)工作的支持，感謝雪佛龍菲利浦化學(xué)公司LPJames Bryant, Keith Duplechin, Branden Gamble, Richard Jones, and Alan Miller進(jìn)行的試驗(yàn)研究。

參考文獻(xiàn)

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