一种高密度聚乙烯材料受火后的安全评估方法
【专利摘要】本发明属于高分子材料的性能评估领域，具体涉及高密度聚乙烯材料受火后性能检测与评价方法。本方法包括以下步骤：模拟材料受火损伤情况，获得材料在一定温度和时间下的力学性能指标；对受火损伤后的材料进行冲击断口分析和微观检验（包括红外、热分析等手段），根据检验结果判断材料力学性能是否明显下降，材料是否明显氧化，能否继续进行使用。本发明结合了材料宏观力学性能变化与微观结构的变化情况，利用了多种现代分析仪器和方法，综合评定材料受火后的性能变化情况。可以准确判断材料是否能够继续服役。可以有效地减少火灾之后更换高密度聚乙烯管道的时间和成本。对其他高分子材料受火损伤的性能评定具有实用参考价值。
【专利说明】
一种高密度聚乙烯材料受火后的安全评估方法
技术领域
[0001]本发明属于高分子材料的性能评估领域，具体涉及高密度聚乙烯材料受火后性能检测与评价方法。
【背景技术】
[0002]随着“西气东输”战略的实施，燃气管道化已经比较普及，燃气管道网络在我国发展迅猛。相比于金属管道容易腐蚀，服役时间短的缺点，高密度聚乙烯管道以其比强度高、脆化温度低、韧性好、耐腐蚀、绝缘性能好、易于施工和安装等特点，被认为是目前比较理想的燃气用管。
[0003]燃气管道作为能源输送系统，一旦出现质量问题，会直接影响到人们的日常生活，尤其是燃气的泄漏，会产生爆炸的危险。我国目前的地下管网基础设施落后，管道泄漏隐患多、管道性能劣化严重等问题凸显，已经对社会的稳定和发展产生了重大影响。石化行业中发生的火灾具有燃烧面积大、扑救难度大、影响范围大等特点。高分子材料耐高温差，在火场的高温中会软化变形甚至燃烧降解，火灾过后需要对火场中的高分子材料进行更换处理。但由于火灾燃烧的影响范围大，处于火场附近的高分子材料也会受到热辐照的作用。经历热辐照后，高分子材料的性能会发生改变，高密度聚乙烯的结构性能将产生劣化，结构安全性下降。火灾之后若对处于火场周边的管道也进行全部更换处理，则耗时长，成本高。
[0004]目前没有系统的高密度聚乙烯管道受火损伤后的评价方法，不能按照管道实际损伤程度进行更换或者维修处理。所以评估高密度聚乙烯管道在火灾中的损伤程度，判定其是否需要更换可以大幅度节约管材和投资，同时节省大量的人力并且减少对企业和居民的正常生产生活的影响。
【发明内容】
[0005]本发明针对【背景技术】中存在的评价方法的空白，提供了一种操作合理且实用的高密度聚乙烯材料受火后的性能评价方法。可以快速、准确、有效地评定评定高密度聚乙烯材料受火后的性能变化情况并决定材料是否需要更换。
[0006]本发明提出的高密度聚乙烯材料受火后性能检测与评价方法，具体步骤如下:
(1):对待评定材料所处的火灾现场进行现场检验；
(2):取与待评定材料相同的未受火材料，通过热老化实验模拟未受火材料在火场中的受火损伤的情况，得到模拟受火后的材料；
(3):对未受火材料和步骤(2)模拟受火后的材料进行宏观力学性能的测试，当模拟受火后的材料力学性能测量值不能满足临界值要求时，判定模拟受火后的材料失效；否则进入步骤(4);
(4):在步骤(3)判断的基础上，进一步采用红外光谱(ATR-1R)、扫描电镜(SEM)、差式扫描量热法(DSC)和热失重分析(TGA)检测手段，对未受火材料和模拟受火后的材料的冲击断口，材料表面和内部进行综合分析和测试，获取未受火材料和模拟受火后的材料微观结构变化的情况；
(5):根据步骤(4)的检测结果判断模拟受火后的材料是否严重氧化，严重氧化时，判定材料失效，若未发生显著氧化，则进入步骤(6);
(6):确认待评定材料可以继续服役。
[0007]本发明中，步骤(I)中，现场检测需要获取待评定材料在火场中所处的温度和时间，以及灭火扑救时所采取的冷却方式。
[0008]本发明中，步骤(2)中，取与待评定材料相同的未受火材料，通过设定热暴露温度和热暴露时间，在马弗炉中模拟材料受火损伤的情况。设定的热暴露温度和热暴露时间与步骤(I)中获取的待评定材料在火场中所处的温度和时间一致，冷却方式与步骤(I)中获取的待评定材料冷却方式一致。
[0009]本发明中，步骤(3)中，对步骤(2)取得的模拟受火后的材料和未受火材料进行力学性能测试，包括拉伸试验和冲击试验等，获取材料在受火之后的力学性能变化情况。以50%的性能保持率作为临界值，将模拟受火材料的力学性能测量值与临界值做比较，根据其能否满足临界值要求，进行下一步方案；
若模拟受火材料的力学性能测量值与未受火材料相比没有下降，或下降幅度小于50%，则检测结果为满足临界值要求的；
若模拟受火材料的力学性能测量值与未受火材料相比下降幅度大于50%，则检测结果为不满足临界值要求的。
[0010]本发明中，步骤(4)中:采用红外光谱(ATR-1R)、差式扫描量热法(DSC)和热失重分析(TGA)三种检测手段，对模拟受火材料进行化学组成和分子链微观结构的分析，判定材料是否发生显著氧化，材料内部是否仍有抗氧剂存在。采用扫描电镜(SEM)方法观察材料的微观结构变化，结合宏观力学性能的改变，判定材料受火损伤的程度。
[0011]本发明中，步骤(5)中:
所述检测结果为严重氧化的，其微观结构变化的情况为:红外图谱可观察到显著的氧化基团，差式扫描量热法(DSC)测得氧化诱导时间下降幅度超过50%或趋于O，热失重分析(TGA)所得结果可见材料热稳定性显著下降；
所述检测结果为未发生显著氧化的，其微观结构变化的情况为:红外图谱未观察到显著的氧化基团，能观察到抗氧剂的存在；差式扫描量热法(DSC)测得氧化诱导时间略有下降，下降幅度小于50%;热失重分析(TGA)所得结果可见材料热稳定性下降幅度小于50%。
[0012]本发明的有益效果在于:
1、本发明结合了材料宏观力学性能变化与微观结构的变化情况，利用了多种现代分析仪器和方法，综合评定材料受火后的性能变化情况。可以准确判断材料是否能够继续服役。
[0013]2、本方法可以有效地减少火灾之后更换高密度聚乙烯管道的时间和成本。
[0014]3、本方法对其他高分子材料受火损伤的性能评定具有实用参考价值。
【附图说明】
[0015]图1是本发明方法流程图。
【具体实施方式】
[0016]下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
[0017]实施例1:如图1所示，本发明提供了一种操作合理且实用的高密度聚乙烯材料受火后的性能评价方法。下面通过实施例对本发明方法进一步说明:
某处高密度聚乙烯管道受火损伤后，需要对其进行受火后的性能评价，评定其能否继续服役。按以下步骤进行:
(I)首先对管道所处环境进行现场检验，获取火灾时材料所处热暴露温度和热暴露时间，冷却方式。热暴露温度和热暴露时间分别为100 °C和8h，冷却方式为空气冷却。
[0018](2)取与受火管道相同的未受火管道材料进行热老化实验模拟管道受火后的性能变化情况。在马弗炉中进行热老化实验的实验参数设置为保温温度100°C，保温时间8h，冷却方式为空气冷却。
[0019](3)对模拟受火的材料和未受火的相同材料进行宏观力学性能的测试，包括拉伸试验与冲击试验。模拟受火材料断裂伸长率下降11.5%，抗拉强度下降8%，即力学性能测试下降幅度小于50%。
[0020](4)进一步采用红外光谱(ATR-1R)、扫描电镜(SEM)、差式扫描量热法(DSC)和热失重分析(TGA)检测手段，对未受火的材料和模拟受火后的材料的冲击断口，材料表面和内部进行综合分析和测试。得到模拟受火材料和未受火材料的红外谱图，SEM断口分析图，DSC与TGA分析结果。
[0021](5)对步骤(4)所取得的检测结果进行分析评定。模拟受火材料的红外谱图中没有发现氧化产物的官能团，冲击断口的S E M图没有发现材料有缺陷存在。差式扫描量热法(DSC)测得的氧化诱导时间略有下降，下降幅度为10%;热失重分析(TGA)所得最大失重速率温度下降幅度1.08%，可见材料热稳定性良好。材料没有发生显著氧化，不用进行更换处理。
[0022]上述实例为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理所作的改变、替换、组合和简化，均应为等效的置换方式，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种高密度聚乙烯材料受火后的安全评估方法，其特征在于具体步骤如下: (1):对待评定材料所处的火灾现场进行现场检验； (2):取与待评定材料相同的未受火材料，通过热老化实验模拟未受火材料在火场中的受火损伤的情况，得到模拟受火后的材料； (3):对未受火材料和步骤(2)模拟受火后的材料进行宏观力学性能的测试，当模拟受火后的材料力学性能测量值不能满足临界值要求时，判定模拟受火后的材料失效；否则进入步骤(4); (4):在步骤(3)判断的基础上，进一步采用红外光谱(ATR-1R)、扫描电镜(SEM)、差式扫描量热法(DSC)和热失重分析(TGA)检测手段，对未受火材料和模拟受火后的材料的冲击断口，材料表面和内部进行综合分析和测试，获取未受火材料和模拟受火后的材料微观结构变化的情况； (5):根据步骤(4)的检测结果判断模拟受火后的材料是否严重氧化，严重氧化时，判定材料失效，若未发生显著氧化，则进入步骤(6); (6):确认待评定材料可以继续服役。2.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于步骤(I)中，现场检测需要获取待评定材料在火场中所处的温度和时间，以及灭火扑救时所采取的冷却方式。3.根据权利要求2所述的判定方法，其特征在于步骤(2)中，取与待评定材料相同的未受火材料，通过设定热暴露温度和热暴露时间，在马弗炉中模拟材料受火损伤的情况。4.设定的热暴露温度和热暴露时间与步骤(I)中获取的待评定材料在火场中所处的温度和时间一致，冷却方式与步骤(I)中获取的待评定材料冷却方式一致。5.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于步骤(3)中，对步骤(2)取得的模拟受火后的材料和未受火材料进行力学性能测试，包括拉伸试验和冲击试验等，获取材料在受火之后的力学性能变化情况。6.以50%的性能保持率作为临界值，将模拟受火材料的力学性能测量值与临界值做比较，根据其能否满足临界值要求，进行下一步方案； 若模拟受火材料的力学性能测量值与未受火材料相比没有下降，或下降幅度小于50%，则检测结果为满足临界值要求的； 若模拟受火材料的力学性能测量值与未受火材料相比下降幅度大于50%，则检测结果为不满足临界值要求的。7.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于步骤(4)中:采用红外光谱(ATR-1R)、差式扫描量热法(DSC)和热失重分析(TGA)三种检测手段，对模拟受火材料进行化学组成和分子链微观结构的分析，判定材料是否发生显著氧化，材料内部是否仍有抗氧剂存在，采用扫描电镜(SEM)方法观察材料的微观结构变化，结合宏观力学性能的改变，判定材料受火损伤的程度。8.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于步骤(5)中: 所述检测结果为严重氧化的，其微观结构变化的情况为:红外图谱可观察到显著的氧化基团，差式扫描量热法(DSC)测得氧化诱导时间下降幅度超过50%或趋于O，热失重分析(TGA)所得结果可见材料热稳定性显著下降； 所述检测结果为未发生显著氧化的，其微观结构变化的情况为:红外图谱未观察到显著的氧化基团，能观察到抗氧剂的存在；差式扫描量热法(DSC)测得氧化诱导时间略有下降，下降幅度小于50%;热失重分析(TGA)所得结果可见材料热稳定性下降幅度小于50%。
【文档编号】G01N33/44GK106093363SQ201610377090
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】杨振国, 郭思敏
【申请人】复旦大学