聚乙烯缆索护套应力-光氧老化开裂的基础研究

The microscopic physical and chemical changes of artificial accelerated aging polyethylene jacket will be studied under stress and ultraviolet irradiation. And the correlation between the degradation process and the microstructure changes such as chain scission, congregated structure and the formation and evolution of cracks is about to investigated. Furthermore, the effects of molecular weight and molecular weight distribution, branching coefficient, crystallinity, mechanical properties and the properties of environmental stress cracking resistance of polyethylene on the cracking resistance of the jacket are going to be discussed. Moreover, the impact of stress on the photo-oxidative degradation of polyethylene is to be discussed and the mechanism will be studied. In addition, the relationship between the critical stress (safety stress) and the structure and properties of the material will also be investigated. The changes of the congregated structures (crystallinity and branching coefficient) from the surface to the internal of the product, which are formed in different processing conditions, during the stress-photooxidative degradation will be discussed and the role in the cracking failure of the jacket is to be studied as well. Most important of all, a lifetime prediction method for the polyethylene jacket will be established on the basis of the studies mentioned above.

通过人工加速张应力-光氧老化模拟实验对聚乙烯缆索护套在应力-光氧老化过程所发生的分子链降解、凝聚态结构变化、微裂纹的产生及发展等微观物理化学变化进行深入研究，探索这些微观结构的变化对老化进程作用的一般规律；研究聚乙烯的分子量及分子量分布、支化度、结晶度等结构及力学性能和耐环境应力开裂性能与聚乙烯护套耐应力光氧老化开裂性能之间的必然联系；并着重研究张应力对聚乙烯光氧老化过程的作用和机理，以及临界张应力（安全应力）的物理本质和与材料结构和性能之间的相互关联；通过成型过程的形态控制获得从表层到制品内部的不同凝聚态结构（结晶度、取向度），研究这些结构在应力光氧老化过程中的变化规律及与制品开裂失效的关系；从而建立聚乙烯护套材料的使用寿命的客观预估方法。

桥梁缆索用聚乙烯护套在使用过程中承受的张应力是其提前老化开裂的主要原因，本项目组建立了人工模拟加速张应力-紫外光氧老化实验装置，选取了八种HDPE材料进行研究，发现HDPE耐开裂性能与数均分子量、共聚单体含量呈正相关，与分子量分布、亚甲基序列长度、序列分布、晶片厚度没有明显的相关性，材料的耐环境应力开裂能力与应力-光氧老化开裂寿命几乎没有相关性。应力-光氧老化开裂时间长短与材料断裂韧性高度正相关，而与拉伸屈服强度、断裂强度以及断裂伸长率的相关度都不大。老化过程羰基指数达到10%、交联度增加到10%材料容易开裂。.张应力大小对聚乙烯老化开裂时间、开裂形态都有很大的影响。如果按开裂为老化失效判据，聚乙烯应力-光氧老化的确存在一个临界应力，高于该应力值材料会加速老化开裂，如按照力学性能来判断则观察不到临界应力。在5种HDPE中，4种临界应力值为其拉伸断裂强度的20%，约为7MPa。通过玻尔兹曼函数进行数据拟合并与Findley模拟的蠕变曲线对比发现，其临界应力值与蠕变过程的应变放大系数B值高度相关，可以认为临界应力以上的聚乙烯快速开裂是源于应力作用下聚乙烯的加速蠕变造成的。将护套剥离测收缩率计算加工过程形成的内应力水平在6~8 MPa，超过了聚乙烯光氧老化开裂的临界应力值，而且由于内部钢缆的约束，护套聚乙烯无法释放该应力，导致缆索加速开裂失效。.加工条件对聚乙烯护套材料应力-光氧老化开裂影响非常大，即使考虑生产实际，挤出速度、温度、冷却温度变化幅度不是很大的情况下，同样的材料开裂时间差别在5倍以上。材料在较低挤出温度和冷却温度、较高挤出速度下结晶度较低，耐光氧老化性能较好。根据企业实际工艺生产的护套按照辐照量等值原则预测的寿命仅为6年，与实际反映出来的很多护套材料不足10年即已开裂的现状是吻合的。.课题的主要科学意义在于研究了张应力-光氧老化过程的临界应力现象及影响机理，研究结果可以直接指导生产实际，提高护套的寿命，经济效益十分巨大。