圖1 HDPE容器典型的應(yīng)力開(kāi)裂發(fā)生在較厚的澆口與薄的瓶底拐角相遇的位
耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性（ESCR）是HDPE瓶一個(gè)非常重要的特性,。本文介紹了ESCR測(cè)試方法,、應(yīng)力的來(lái)源,，以及預(yù)防應(yīng)力開(kāi)裂的措施,，為HDPE瓶的應(yīng)力開(kāi)裂問(wèn)題提供了有效的解決方案,。
吹塑成型的HDPE瓶最初的應(yīng)用是代替玻璃瓶作為漂白劑的包裝,。這種吹塑瓶只在夏天發(fā)生開(kāi)裂，這反映了HDPE瓶潛在的耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性（ESCR）問(wèn)題,，它主要是由材料固有的半結(jié)晶特性所決定的,。通常，那些用來(lái)盛裝液體洗滌劑,、潤(rùn)滑油和工業(yè)化學(xué)品等的HDPE瓶會(huì)遭此不幸,。而這種開(kāi)裂現(xiàn)象與容器的尺寸大小無(wú)關(guān)，即便是盛裝了相似液體的體積較大的中型散裝容器（IBC）也會(huì)如此,。
在夏天,，溫度和濕度的增加會(huì)導(dǎo)致ESCR問(wèn)題的加重。因此,，加工商需要了解應(yīng)力的來(lái)源,，以及需要做哪些測(cè)試。對(duì)于這些問(wèn)題,，有一些處理對(duì)策,。
ESCR測(cè)試的局限性
在20世紀(jì)30年代，Western Electric公司較早地采用了LDPE代替鉛用作多組對(duì)絞電話電纜的外皮材料。不久,，電纜護(hù)套就出現(xiàn)了開(kāi)裂現(xiàn)象,。Western Electric的研發(fā)部，即知名的貝爾實(shí)驗(yàn)室,，設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)試ESCR的實(shí)驗(yàn),，這種實(shí)驗(yàn)方法的非正式名稱為“貝爾實(shí)驗(yàn)室測(cè)試法”，今天被稱作“ASTM D1693”,。具體測(cè)試過(guò)程是：從一個(gè)0.125in（3.2mm）厚的模壓樣片上裁切出10個(gè)0.5in×2 in（12.7mm×50.8mm）的樣條,，然后劃出0.01in（0.25mm）深的刻痕，彎成U型嵌入到槽中,，缺口朝外,。將固定這10個(gè)樣條的支架放入充滿Igepal 630表面活性劑的測(cè)試管內(nèi)，并置于122℉（50℃）的水浴中,。將每個(gè)樣條開(kāi)裂的時(shí)間繪成曲線,，即F0是第一條開(kāi)裂出現(xiàn)的時(shí)間，F(xiàn)50是一半樣條出現(xiàn)開(kāi)裂時(shí)的時(shí)間,，F(xiàn)100是最后一個(gè)樣條出現(xiàn)開(kāi)裂的時(shí)間,。
在20世紀(jì)50年代初，出現(xiàn)了剛性更好的HDPE材料,，在上述貝爾實(shí)驗(yàn)室測(cè)試法中，HDPE樣條有時(shí)在最初彎曲時(shí)就發(fā)生了斷裂,，因此測(cè)試厚度被減至0.075 in（1.9mm）,，就是現(xiàn)在眾所周知的“B”測(cè)試條件。
圖2 HDPE樹(shù)脂密度越低,，相應(yīng)的抗應(yīng)力開(kāi)裂性能越好
ASTM D1693測(cè)試方法通常被認(rèn)為既不精確又不具有重現(xiàn)性,。在2西格馬即2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差條件下，不同實(shí)驗(yàn)室間的偏差估計(jì)為2.9,，這意味著同樣一個(gè)樣條,，一個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的F50值為10h，而另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試值可能相差3.4~29h,。由于精度較差,，Igepal溶液的濃度被調(diào)整為10％，這樣另一個(gè)測(cè)試條件也被補(bǔ)充到了ASTM方法中,。這就給了用戶4個(gè)可選條件（3.2mm或者1.9mm厚,，濃度10％或者100％的Igepal溶液）。由于ASTM方法所提供的數(shù)據(jù)表不能確定所有重要的測(cè)試條件,，這在很大程度上影響了測(cè)試結(jié)果,，因此數(shù)據(jù)表上樹(shù)脂的ESCR測(cè)試數(shù)據(jù)之間的比較也是值得懷疑的。
首選的測(cè)試方法
彎條測(cè)試是一種恒應(yīng)變測(cè)試，由于松弛,，初始的彎曲應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間而衰減,。因此，很多管材,、復(fù)合土工膜及容器的加工商開(kāi)始進(jìn)行恒應(yīng)力測(cè)試,，這類測(cè)試更能代表制品的使用條件。
20世紀(jì)50年代中期,，HDPE瓶取代了金屬罐用于盛裝洗滌劑,。這些洗滌劑含有表面活性劑，而表面活性劑易引起應(yīng)力開(kāi)裂,，因此,，采用彎條測(cè)試不能預(yù)測(cè)HDPE瓶的使用性能。這樣,，容器/瓶行業(yè)開(kāi)創(chuàng)性地使用了基于恒應(yīng)力的測(cè)試方法,。
為確定容器對(duì)應(yīng)力開(kāi)裂的耐受性能，通�,？刹捎�2種方法來(lái)產(chǎn)生恒定的應(yīng)力,。在恒定的最大負(fù)荷的測(cè)試條件下，將固定的重量施加到每一個(gè)瓶子上,，這種測(cè)試方法被稱為P&G測(cè)試方法（為紀(jì)念Procter & Gamble公司的貢獻(xiàn)命名）,，該方法模擬多重紙盒堆積所產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí),，ASTM D2561測(cè)試使用了5 psig的恒定內(nèi)部增壓來(lái)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)的應(yīng)力,，但不同點(diǎn)是，這種測(cè)試是將密封瓶子放到140℉（60℃）的爐中加熱,，瓶中的內(nèi)容物發(fā)生熱膨脹產(chǎn)生了5psi的壓力,。在上述兩種測(cè)試方法中，瓶子都含有已知的應(yīng)力開(kāi)裂因素,，每一種方法都有其支持者,，但數(shù)據(jù)解釋又都面臨共同的問(wèn)題：“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，測(cè)試50h內(nèi)保持無(wú)開(kāi)裂,，能否保證在夏天都無(wú)應(yīng)力開(kāi)裂,，或者是否100h內(nèi)無(wú)開(kāi)裂才足夠呢？”
夏天應(yīng)力增加
在夏天,，HDPE容器的應(yīng)力開(kāi)裂達(dá)到高峰,。這是因?yàn)閬?lái)自不同因素的應(yīng)力在夏天會(huì)集中增加。通常,，HDPE容器的早期開(kāi)裂是由于最大負(fù)荷的應(yīng)力,、內(nèi)壓,、模內(nèi)應(yīng)力和瓶胚尾部的搖擺引起的。
為節(jié)約空間和降低成本,，零頂部空間包裝紙箱出現(xiàn),。如果采用分裝格，紙箱側(cè)壁和分裝格板對(duì)瓶子的載荷就會(huì)均勻分布,。但是在夏天高度潮濕的條件下,，瓦楞紙板的耐壓強(qiáng)度會(huì)降低50％。理論上瓶子本身在高溫下也會(huì)損失一點(diǎn)耐壓強(qiáng)度,，這會(huì)導(dǎo)致容器起皺變形,。通常的例子是，最大負(fù)荷會(huì)引起瓶底拐角產(chǎn)生折痕或褶皺,，油瓶開(kāi)裂即在此發(fā)生,。或者,，在頸體結(jié)合處出現(xiàn)柱面圓周開(kāi)裂,。
內(nèi)壓的增加是另一個(gè)應(yīng)力來(lái)源。灌裝通常是在室溫下進(jìn)行,，或者在空調(diào)間進(jìn)行,。瓶子封蓋后就被轉(zhuǎn)移到非空調(diào)的環(huán)境中，或者更糟糕的是,，被儲(chǔ)存在鋁制拖車?yán)�,。�?jù)報(bào)道，在夏天,，密封后的拖車內(nèi)部溫度可達(dá)145℉（62.8℃）,，這種熱量會(huì)使瓶子內(nèi)部產(chǎn)生4~5psi的壓力，具體要看瓶子的內(nèi)容物是什么以及剩余空間的大小,。
模內(nèi)應(yīng)力也是應(yīng)力開(kāi)裂的一個(gè)來(lái)源。HDPE像鋼一樣是一種半結(jié)晶材料,，在熔融狀態(tài)下沒(méi)有結(jié)晶,，其結(jié)晶含量取決于瓶子的冷卻速度。由于吹瓶?jī)H僅是單面冷卻,，而厚壁與薄壁的冷卻速度顯然不同,。結(jié)晶會(huì)產(chǎn)生收縮，因此在澆口處會(huì)產(chǎn)生模內(nèi)應(yīng)力,，即較厚的澆口與薄的瓶底拐角相遇的位置,，是產(chǎn)生應(yīng)力開(kāi)裂的典型位置（如圖1）。
被稱為“水斑”的表面缺陷通常會(huì)在潮濕的季節(jié)出現(xiàn),，這是由濕氣在冷模具內(nèi)凝結(jié)演變而來(lái),。作為應(yīng)對(duì),，加工者通常要提高模溫以防止水滴凝結(jié)，但是卻沒(méi)有相應(yīng)的延長(zhǎng)成型周期,。這意味著容器離開(kāi)模具時(shí)溫度越高,，結(jié)晶就越多，模內(nèi)收縮應(yīng)力就越大,。
在瓶胚不是垂直下落時(shí),，通常會(huì)發(fā)生尾部搖擺。由于夏天成型車間溫度很高,，操作人員對(duì)這類加工偏差的注意力會(huì)明顯下降,。通常，澆口位于瓶底邊緣比位于中心更易使容器發(fā)生應(yīng)力開(kāi)裂,。
預(yù)防措施
加工商可以采用幾種方法來(lái)預(yù)防應(yīng)力開(kāi)裂現(xiàn)象的發(fā)生,。首先，6~9月份使用更強(qiáng)的“夏用紙箱”,，將瓦楞紙的額定強(qiáng)度從200lb（90.72kg）提高到225lb（102.06kg）,，這是一種低成本的預(yù)防措施。其次,，減少紙箱的堆裝高度,。可以考慮在夏天使用Z字型或者H型分裝格,。
第三,，選擇更加抗開(kāi)裂的樹(shù)脂。通常,，即使結(jié)晶有輕微的降低,，都會(huì)使HDPE具有更好的抗開(kāi)裂性能，而密度是對(duì)結(jié)晶度的一種直接度量,。如果平時(shí)選用的樹(shù)脂密度是0.954g/cm3,，那么夏天可以考慮選用密度為0.950g/cm3的樹(shù)脂（如圖2所示）。第四,，監(jiān)測(cè)和控制產(chǎn)品的庫(kù)存,。通常，不能將易于開(kāi)裂的產(chǎn)品儲(chǔ)存在倉(cāng)庫(kù)的最高層,，也不要存在拖車?yán)�,。最后，保持加工冷卻的均勻,。雖然將成型周期延長(zhǎng)幾秒鐘對(duì)經(jīng)營(yíng)是不利的,，但對(duì)于為抑制濕氣冷凝、消除水斑而提高模溫的操作而言,，這是唯一的,、不影響制品質(zhì)量的補(bǔ)償方式,。
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