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            HDPE瓶应力开裂解决方案
            2010/9/14

             

            图1 HDPE容器典型的应力开裂发生在较厚的浇口与薄的瓶底拐角相遇的位



            耐环境应力开裂性(ESCR)是HDPE瓶一个非常重要的特性。本文介绍了ESCR测试方法、应力的来源,以及预防应力开裂的措施,为HDPE瓶的应力开裂问题提供了有效的解决方案。

            吹塑成型的HDPE瓶最初的应用是代替玻璃瓶作为漂白剂的包装。这种吹塑瓶只在夏天发生开裂,这反映了HDPE瓶潜在的耐环境应力开裂性(ESCR)问题,它主要是由材料固有的半结晶特性所决定的。通常,那些用来盛装液体洗涤剂、润滑油和工业化学品等的HDPE瓶会遭此不幸。而这种开裂现象与容器的尺寸大小无关,即便是盛装了相似液体的体积较大的中型散装容器(IBC)也会如此。

            在夏天,温度和湿度的增加会导致ESCR问题的加重。因此,加工商需要了解应力的来源,以及需要做哪些测试。对于这些问题,有一些处理对策。

            ESCR测试的局限性

            在20世纪30年代,Western Electric公司较早地采用了LDPE代替铅用作多组对绞电话电缆的外皮材料。不久,电缆护套就出现了开裂现象。Western Electric的研发部,即知名的贝尔实验室,设计了一个测试ESCR的实验,这种实验方法的非正式名称为“贝尔实验室测试法”,今天被称作“ASTM D1693”。具体测试过程是:从一个0.125in(3.2mm)厚的模压样片上裁切出10个0.5in×2 in(12.7mm×50.8mm)的样条,然后划出0.01in(0.25mm)深的刻痕,弯成U型嵌入到槽中,缺口朝外。将固定这10个样条的支架放入充满Igepal 630表面活性剂的测试管内,并置于122℉(50℃)的水浴中。将每个样条开裂的时间绘成曲线,即F0是第一条开裂出现的时间,F50是一半样条出现开裂时的时间,F100是最后一个样条出现开裂的时间。

            在20世纪50年代初,出现了刚性更好的HDPE材料,在上述贝尔实验室测试法中,HDPE样条有时在最初弯曲时就发生了断裂,因此测试厚度被减至0.075 in(1.9mm),就是现在众所周知的“B”测试条件。

            图2 HDPE树脂密度越低,相应的抗应力开裂性能越好

            ASTM D1693测试方法通常被认为既不精确又不具有重现性。在2西格马即2个标准偏差条件下,不同实验室间的偏差估计为2.9,这意味着同样一个样条,一个实验室测试的F50值为10h,而另一个实验室的测试值可能相差3.4~29h。由于精度较差,Igepal溶液的浓度被调整为10%,这样另一个测试条件也被补充到了ASTM方法中。这就给了用户4个可选条件(3.2mm或者1.9mm厚,浓度10%或者100%的Igepal溶液)。由于ASTM方法所提供的数据表不能确定所有重要的测试条件,这在很大程度上影响了测试结果,因此数据表上树脂的ESCR测试数据之间的比较也是值得怀疑的。

            首选的测试方法

            弯条测试是一种恒应变测试,由于松弛,初始的弯曲应力会随时间而衰减。因此,很多管材、复合土工膜及容器的加工商开始进行恒应力测试,这类测试更能代表制品的使用条件。

            20世纪50年代中期,HDPE瓶取代了金属罐用于盛装洗涤剂。这些洗涤剂含有表面活性剂,而表面活性剂易引起应力开裂,因此,采用弯条测试不能预测HDPE瓶的使用性能。这样,容器/瓶行业开创性地使用了基于恒应力的测试方法。

            为确定容器对应力开裂的耐受性能,通?刹捎2种方法来产生恒定的应力。在恒定的最大负荷的测试条件下,将固定的重量施加到每一个瓶子上,这种测试方法被称为P&G测试方法(为纪念Procter & Gamble公司的贡献命名),该方法模拟多重纸盒堆积所产生的应力状态。同时,ASTM D2561测试使用了5 psig的恒定内部增压来产生一个持续的应力,但不同点是,这种测试是将密封瓶子放到140℉(60℃)的炉中加热,瓶中的内容物发生热膨胀产生了5psi的压力。在上述两种测试方法中,瓶子都含有已知的应力开裂因素,每一种方法都有其支持者,但数据解释又都面临共同的问题:“对我们来说,测试50h内保持无开裂,能否保证在夏天都无应力开裂,或者是否100h内无开裂才足够呢?”

            夏天应力增加

            在夏天,HDPE容器的应力开裂达到高峰。这是因为来自不同因素的应力在夏天会集中增加。通常,HDPE容器的早期开裂是由于最大负荷的应力、内压、模内应力和瓶胚尾部的摇摆引起的。

            为节约空间和降低成本,零顶部空间包装纸箱出现。如果采用分装格,纸箱侧壁和分装格板对瓶子的载荷就会均匀分布。但是在夏天高度潮湿的条件下,瓦楞纸板的耐压强度会降低50%。理论上瓶子本身在高温下也会损失一点耐压强度,这会导致容器起皱变形。通常的例子是,最大负荷会引起瓶底拐角产生折痕或褶皱,油瓶开裂即在此发生;蛘,在颈体结合处出现柱面圆周开裂。

            内压的增加是另一个应力来源。灌装通常是在室温下进行,或者在空调间进行。瓶子封盖后就被转移到非空调的环境中,或者更糟糕的是,被储存在铝制拖车里。据报道,在夏天,密封后的拖车内部温度可达145℉(62.8℃),这种热量会使瓶子内部产生4~5psi的压力,具体要看瓶子的内容物是什么以及剩余空间的大小。

            模内应力也是应力开裂的一个来源。HDPE像钢一样是一种半结晶材料,在熔融状态下没有结晶,其结晶含量取决于瓶子的冷却速度。由于吹瓶仅仅是单面冷却,而厚壁与薄壁的冷却速度显然不同。结晶会产生收缩,因此在浇口处会产生模内应力,即较厚的浇口与薄的瓶底拐角相遇的位置,是产生应力开裂的典型位置(如图1)。

            被称为“水斑”的表面缺陷通;嵩诔笔募窘诔鱿,这是由湿气在冷模具内凝结演变而来。作为应对,加工者通常要提高模温以防止水滴凝结,但是却没有相应的延长成型周期。这意味着容器离开模具时温度越高,结晶就越多,模内收缩应力就越大。

            在瓶胚不是垂直下落时,通;岱⑸膊恳“。由于夏天成型车间温度很高,操作人员对这类加工偏差的注意力会明显下降。通常,浇口位于瓶底边缘比位于中心更易使容器发生应力开裂。

            预防措施

            加工商可以采用几种方法来预防应力开裂现象的发生。首先,6~9月份使用更强的“夏用纸箱”,将瓦楞纸的额定强度从200lb(90.72kg)提高到225lb(102.06kg),这是一种低成本的预防措施。其次,减少纸箱的堆装高度?梢钥悸窃谙奶焓褂肸字型或者H型分装格。

            第三,选择更加抗开裂的树脂。通常,即使结晶有轻微的降低,都会使HDPE具有更好的抗开裂性能,而密度是对结晶度的一种直接度量。如果平时选用的树脂密度是0.954g/cm3,那么夏天可以考虑选用密度为0.950g/cm3的树脂(如图2所示)。第四,监测和控制产品的库存。通常,不能将易于开裂的产品储存在仓库的最高层,也不要存在拖车里。最后,保持加工冷却的均匀。虽然将成型周期延长几秒钟对经营是不利的,但对于为抑制湿气冷凝、消除水斑而提高模温的操作而言,这是唯一的、不影响制品质量的补偿方式。

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