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)管擠出過程中采用水或空氣對管材內(nèi)外壁同時進(jìn)行冷卻的一種工藝。主要好處是雙冷卻過程增加生產(chǎn)效率和減少樹脂老化。盡管雙重冷卻過程有一些明顯的優(yōu)勢，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S4試驗(yàn)驗(yàn)證了雙重冷卻過程對PE管道RCP性能的影響；在這里，雙重冷卻過程是在管材擠出時由壓縮空氣從內(nèi)部進(jìn)行冷卻。雙重冷卻過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)，來具體了解雙重冷卻過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)果表明雙重冷卻對快速裂紋擴(kuò)展性能的影響程度取決于管材樹脂的密度和應(yīng)力松弛時間。對有限元和實(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，通過水或空氣隨著管材擠出對管材內(nèi)外壁同時進(jìn)行冷卻以提高冷卻效率。通過雙重冷卻過程提供的主要好處在于提高產(chǎn)率和降低熔垂。對于一個特定的聚乙烯樹脂，雙重冷卻過程由于降低了熔垂可以允許較大壁厚和直徑的管材擠出。盡管雙重冷卻過程提供了一些明顯的優(yōu)勢，但它對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)計影響密度和殘余應(yīng)力的大小，這反過來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。

雖然對雙重冷卻對殘余應(yīng)力的影響有一定認(rèn)識，但雙重冷卻對快速裂紋擴(kuò)展性能的影響還不太清楚。在對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)致了一個彎曲力矩來抵抗擴(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)力對快速裂紋擴(kuò)展性能影響的另一個機(jī)理是由殘余應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變能，可以用來驅(qū)動快速裂紋擴(kuò)展過程。假設(shè)驅(qū)動快速裂紋擴(kuò)展需要的能量是樹脂的內(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)動快速裂紋擴(kuò)展。在對聚乙烯管材標(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，提出了一個不同機(jī)理解釋殘余應(yīng)力對快速裂紋擴(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。盡管描述的殘余應(yīng)力對快速裂紋擴(kuò)展性能的影響確切機(jī)理存在爭議，但很明顯殘余應(yīng)力對快速裂紋擴(kuò)展性能有影響。因?yàn)閿D出冷卻過程影響殘余應(yīng)力，按理說，標(biāo)準(zhǔn)冷卻與雙重冷卻可能對快速裂紋擴(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，通過高壓氣流和水分別對管材內(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)力測定和小尺寸穩(wěn)態(tài)臨界壓力力測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

CPR——臨界壓力比。

DCIR——雙重冷卻，高擠出速率（相對于標(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)力松弛時間。

3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案的目的是探討雙重冷卻對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）樹脂，由雪佛龍菲利浦化學(xué)公司提供。為了以后參考，這些樹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。通過使用在表2中定義的不同擠出冷卻過程將這些樹脂加工成220mm DR11的管材。在表2中還定義了在本研究中對于擠出冷卻過程所使用的縮寫名稱，這些名稱將在本文的其余部分用來指特定的冷卻過程。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“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.對于Maxwell流體從復(fù)合粘度交叉頻率確定特征松弛時間。

圖1 對于單峰中密度聚乙烯和高密度聚乙烯管材樹脂分子量（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.對于樹脂/管材系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)擠出速率。

4.相對于標(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IPT模型1629小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)測試體系進(jìn)行小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，與通過羅素技術(shù)制作的空調(diào)冷凍試樣相結(jié)合。在23℃下通過所謂的“切割”技術(shù)測定殘余應(yīng)力。用于殘余應(yīng)力測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，通過在環(huán)向上使用兩個反向負(fù)載來測量環(huán)向楊氏模量。隨后，環(huán)狀管材切成兩等份（180°），在無荷載條件下進(jìn)行24h自由蠕變，測量變形部分的尺寸。通過分析管材扇形區(qū)域的彈性變形來評估管壁的殘余應(yīng)力分布和殘余應(yīng)變能。雖然這種測量技術(shù)不能提供殘余應(yīng)力的具體分布，但它滿足對在不同條件下管材的相對殘余應(yīng)力的評估。進(jìn)行額外的內(nèi)部和標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)評估樹脂的分子量、流變學(xué)和物理性能。

4 傳熱分析

為方便理解標(biāo)準(zhǔn)冷卻和雙重冷卻過程的不同，在冷卻過程中通過管壁的熱傳遞使用ANSYS仿真軟件進(jìn)行一個一維有限元分析（FEA）。冷卻通過幾個冷卻槽采用水在管材擠出過程中對外壁進(jìn)行冷卻，管材內(nèi)表面通過靜態(tài)空氣或高壓氣流流冷卻，整個過程通過6個明顯不同的站點(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個獨(dú)立的噴淋水槽，三個水槽之間的管材暴漏于空氣中。站點(diǎn)6代表了管材經(jīng)過冷卻階段后的出口，在這一點(diǎn)上管材被切割成一定長度并放置冷卻到環(huán)境溫度。每一個站點(diǎn)的出口溫度用來作為后續(xù)站點(diǎn)的初始溫度，可以模擬整個冷卻過程。

圖2 用于有限元分析的擠出冷卻過程模型

對于典型的高密度聚乙烯樹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差異，因此，不是嚴(yán)格地去模擬每一個具體的聚乙烯樹脂。冷卻過程模擬為一維熱流通過管材壁。模型代表了管材的厚度方向包括在管材內(nèi)外表面的對流單元和代表管材內(nèi)部的傳導(dǎo)單元。無論是從內(nèi)表面或外表面通過對流進(jìn)行熱傳遞。使用的對流熱傳遞系數(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，對于通過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數(shù)量級（10倍）。通過簡單的減少在每一個站點(diǎn)的熱傳遞過程的持續(xù)時間來模擬擠出速率的差異。

5 結(jié)果和討論

在0℃通過小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)確定臨界壓力和23℃殘余應(yīng)力測定的結(jié)果在表5中給出。在這里，通過小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)測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)語殘余應(yīng)變能指的是通過殘余應(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.冷卻程序定義見表2.

2.擠出速率與標(biāo)準(zhǔn)擠出速率之比。

3.對于用冷卻程序SCSR生產(chǎn)的管材的臨界壓力比。

4.對于用冷卻程序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)果顯示了對三種不同冷卻過程通過厚度溫度曲線的評估。在冷卻降溫過程的開始、中間和結(jié)束的對應(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。不同冷卻過程之間具有相似的溫度曲線表明，所有的冷卻過程都將產(chǎn)生一個與標(biāo)準(zhǔn)冷卻過程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。不同冷卻過程的體現(xiàn)在溫度曲線移動到另一個更高或更低的溫度，表明一個整體冷卻速率的變化。冷卻過程冷卻速率最快是DCSR，其次是SCSR，最后是DCIR。

圖3 穿過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。

不同冷卻過程的效果期望通過測得的殘余應(yīng)力的差異反映出來。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。對于DCIR的RSER是0.60，表明殘余應(yīng)力相對于標(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間，整體的冷卻速率降低。殘余應(yīng)力測定和有限元模擬結(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，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），這與一個下降的S4，Pc相對于用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，對于中密度聚乙烯特征松弛時間明顯短于高密度聚乙烯樹脂。尤其是高密度聚乙烯與中密度聚乙烯樹脂特征松弛時間之比大約為65。因此，在聚合物熔體中分子松弛在中密度聚乙烯樹脂發(fā)生的速度比高密度聚乙烯樹脂快。中密度聚乙烯較短的松弛時間也通過表1所示的分子量平均值確定。特別是Z—平均分子量，M_Z，對于大分子加長是敏感的，與更長的松弛時間有關(guān)。對于中密度聚乙烯樹脂的M_Z比高密度聚乙烯樹脂少，表明更短的松弛時間。中密度聚乙烯樹脂更短的松弛時間也通過在圖1所示的MWDs的比較進(jìn)行說明。特征松弛時間對分子量在100萬-1000萬范圍內(nèi)的分子影響最大。比較MWDs確認(rèn)了HDPE樹脂的大量材料的分子量范圍，并且因此會具有更大的特征松弛時間�；�于上面所述數(shù)據(jù)，對于中密度聚乙烯樹脂熔體松弛足夠快，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，對于高密度聚乙烯樹脂更高的M_W、M_Z和更長的特征熔體松弛時間可能會導(dǎo)致更大程度的“凍結(jié)”（殘余）應(yīng)力。通過不同冷卻程序根據(jù)不同時間殘余應(yīng)力不一致。

從圖4的數(shù)據(jù)來看，另一個或至少是相關(guān)的解釋也是可能的，它顯示的是穿過中密度聚乙烯和高密度聚乙烯管材厚度所測量的密度分布圖。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。對于高密度聚乙烯管材的密度分布穿過整個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脂和高密度聚乙烯樹脂的短支鏈（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，可能是對于中密度聚乙烯樹脂由于含有許多短支鏈，導(dǎo)致不同冷卻程序?qū)�結(jié)晶度幾乎沒有影響。圖4所示的非常支持這一預(yù)期：對于不同冷卻程序在厚度上的密度分布非常相似。對于高密度聚乙烯樹脂，由于較低的短支鏈含量，結(jié)晶速率相對更快，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，在殘余應(yīng)力中的變化和S4,Pc分別通過RSERs和CPRs作為表現(xiàn)，不同冷卻程序依賴于樹脂的特征松弛時間或密度或這些因素的一些復(fù)雜的組合的影響來支持這些解釋。中密度聚乙烯和高密度聚乙烯RSERs的對比顯示對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RSERs對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，不同的雙重冷卻過程對中密度聚乙烯管材的S4,Pc具有微小的影響，但對于高密度聚乙烯管材明顯的降低了S4,Pc。最大變化在S4,Pc中對于中密度聚乙烯管材和高密度聚乙烯管材通過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。在這里，殘余應(yīng)力相對于使用標(biāo)準(zhǔn)SCSR冷卻程序生產(chǎn)的管材有40%的減少，與在S4,Pc沒有本質(zhì)的變化有關(guān)。這些數(shù)據(jù)表明，殘余應(yīng)力對中密度聚乙烯樹脂的快速裂紋擴(kuò)展性能沒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S4,Pc試驗(yàn)數(shù)據(jù)。具體來說，對于自然的中密度聚乙烯管材S4,Pc結(jié)果顯示了一個5℃的改進(jìn)，由于管材在100℃下4個小時的烘箱退火，這時關(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)力到一個水平，對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，雙重冷卻對雙峰聚乙烯管材的快速裂紋擴(kuò)展性能影響預(yù)計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)期會改變雙峰聚乙烯管材的殘余應(yīng)力狀態(tài)，這反過來會影響快速裂紋擴(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脂的特定分子特征和雙重冷卻程序的詳細(xì)過程。用雙峰和單峰聚乙烯樹脂生產(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)一步的工作來驗(yàn)證這些預(yù)測。

結(jié)論

如下是目前研究得出的結(jié)論。

1.使用一個雙重冷卻程序，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，相對于使用標(biāo)準(zhǔn)冷卻程序生產(chǎn)的相同管材，對單峰實(shí)壁中密度聚乙烯管材的快速裂紋擴(kuò)展性能沒有明顯的影響。

3.對管材內(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，相對于使用標(biāo)準(zhǔn)冷卻程序生產(chǎn)的相同管材，對單峰實(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單峰實(shí)壁中密度聚乙烯管材快速裂紋擴(kuò)展性能沒有明顯影響和雙重冷卻對單峰實(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脂的特征松弛時間或密度或這些因素的復(fù)雜組合。如果在時間尺度或等效冷卻速率上通過不同的冷卻程序相較于樹脂的特征松弛時間施加小的不同，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）樹脂，但不是中密度聚乙烯（結(jié)晶較慢的樹脂）。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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