圖1 HDPE容器典型的應力開(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測試方法、應力的來(lái)源，以及預防應力開(kāi)裂的措施，為HDPE瓶的應力開(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)境應力開(kāi)裂性（ESCR）問(wèn)題，它主要是由材料固有的半結晶特性所決定的。通常，那些用來(lái)盛裝液體洗滌劑、潤滑油和工業(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 )導致ESCR問(wèn)題的加重。因此，加工商需要了解應力的來(lái)源，以及需要做哪些測試。對于這些問(wèn)題，有一些處理對策。

ESCR測試的局限性

在20世紀30年代，Western Electric公司較早地采用了LDPE代替鉛用作多組對絞電話(huà)電纜的外皮材料。不久，電纜護套就出現了開(kāi)裂現象。Western Electric的研發(fā)部，即知名的貝爾實(shí)驗室，設計了一個(gè)測試ESCR的實(shí)驗，這種實(shí)驗方法的非正式名稱(chēng)為“貝爾實(shí)驗室測試法”，今天被稱(chēng)作“ASTM D1693”。具體測試過(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(mǎn)Igepal 630表面活性劑的測試管內，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(xiàn)，即F0是第一條開(kāi)裂出現的時(shí)間，F50是一半樣條出現開(kāi)裂時(shí)的時(shí)間，F100是最后一個(gè)樣條出現開(kāi)裂的時(shí)間。

在20世紀50年代初，出現了剛性更好的HDPE材料，在上述貝爾實(shí)驗室測試法中，HDPE樣條有時(shí)在最初彎曲時(shí)就發(fā)生了斷裂，因此測試厚度被減至0.075 in（1.9mm），就是現在眾所周知的“B”測試條件。

圖2 HDPE樹(shù)脂密度越低，相應的抗應力開(kāi)裂性能越好

ASTM D1693測試方法通常被認為既不精確又不具有重現性。在2西格馬即2個(gè)標準偏差條件下，不同實(shí)驗室間的偏差估計為2.9，這意味著(zhù)同樣一個(gè)樣條，一個(gè)實(shí)驗室測試的F50值為10h，而另一個(gè)實(shí)驗室的測試值可能相差3.4~29h。由于精度較差，Igepal溶液的濃度被調整為10％，這樣另一個(gè)測試條件也被補充到了ASTM方法中。這就給了用戶(hù)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A(yíng)STM方法所提供的數據表不能確定所有重要的測試條件，這在很大程度上影響了測試結果，因此數據表上樹(shù)脂的ESCR測試數據之間的比較也是值得懷疑的。

首選的測試方法

彎條測試是一種恒應變測試，由于松弛，初始的彎曲應力會(huì )隨時(shí)間而衰減。因此，很多管材、復合土工膜及容器的加工商開(kāi)始進(jìn)行恒應力測試，這類(lèi)測試更能代表制品的使用條件。

20世紀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力開(kāi)裂，因此，采用彎條測試不能預測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力的測試方法。

為確定容器對應力開(kāi)裂的耐受性能，通�？刹捎�2種方法來(lái)產(chǎn)生恒定的應力。在恒定的最大負荷的測試條件下，將固定的重量施加到每一個(gè)瓶子上，這種測試方法被稱(chēng)為P&G測試方法（為紀念Procter & Gamble公司的貢獻命名），該方法模擬多重紙盒堆積所產(chǎn)生的應力狀態(tài)。同時(shí)，ASTM D2561測試使用了5 psig的恒定內部增壓來(lái)產(chǎn)生一個(gè)持續的應力，但不同點(diǎn)是，這種測試是將密封瓶子放到140℉（60℃）的爐中加熱，瓶中的內容物發(fā)生熱膨脹產(chǎn)生了5psi的壓力。在上述兩種測試方法中，瓶子都含有已知的應力開(kāi)裂因素，每一種方法都有其支持者，但數據解釋又都面臨共同的問(wèn)題：“對我們來(lái)說(shuō)，測試50h內保持無(wú)開(kāi)裂，能否保證在夏天都無(wú)應力開(kāi)裂，或者是否100h內無(wú)開(kāi)裂才足夠呢？”

夏天應力增加

在夏天，HDPE容器的應力開(kāi)裂達到高峰。這是因為來(lái)自不同因素的應力在夏天會(huì )集中增加。通常，HDPE容器的早期開(kāi)裂是由于最大負荷的應力、內壓、模內應力和瓶胚尾部的搖擺引起的。

為節約空間和降低成本，零頂部空間包裝紙箱出現。如果采用分裝格，紙箱側壁和分裝格板對瓶子的載荷就會(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)耐壓強度，這會(huì )導致容器起皺變形。通常的例子是，最大負荷會(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�；蛘�，在頸體結合處出現柱面圓周開(kāi)裂。

內壓的增加是另一個(gè)應力來(lái)源。灌裝通常是在室溫下進(jìn)行，或者在空調間進(jìn)行。瓶子封蓋后就被轉移到非空調的環(huán)境中，或者更糟糕的是，被儲存在鋁制拖車(chē)里。據報道，在夏天，密封后的拖車(chē)內部溫度可達145℉（62.8℃），這種熱量會(huì )使瓶子內部產(chǎn)生4~5psi的壓力，具體要看瓶子的內容物是什么以及剩余空間的大小。

模內應力也是應力開(kāi)裂的一個(gè)來(lái)源。HDPE像鋼一樣是一種半結晶材料，在熔融狀態(tài)下沒(méi)有結晶，其結晶含量取決于瓶子的冷卻速度。由于吹瓶?jì)H僅是單面冷卻，而厚壁與薄壁的冷卻速度顯然不同。結晶會(huì )產(chǎn)生收縮，因此在澆口處會(huì )產(chǎn)生模內應力，即較厚的澆口與薄的瓶底拐角相遇的位置，是產(chǎn)生應力開(kāi)裂的典型位置（如圖1）。

被稱(chēng)為“水斑”的表面缺陷通常會(huì )在潮濕的季節出現，這是由濕氣在冷模具內凝結演變而來(lái)。作為應對，加工者通常要提高模溫以防止水滴凝結，但是卻沒(méi)有相應的延長(cháng)成型周期。這意味著(zhù)容器離開(kāi)模具時(shí)溫度越高，結晶就越多，模內收縮應力就越大。

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(chē)間溫度很高，操作人員對這類(lèi)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)生應力開(kāi)裂。

預防措施

加工商可以采用幾種方法來(lái)預防應力開(kāi)裂現象的發(fā)生。首先，6~9月份使用更強的“夏用紙箱”，將瓦楞紙的額定強度從200lb（90.72kg）提高到225lb（102.06kg），這是一種低成本的預防措施。其次，減少紙箱的堆裝高度�？梢钥紤]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，而密度是對結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，監測和控制產(chǎn)品的庫存。通常，不能將易于開(kāi)裂的產(chǎn)品儲存在倉庫的最高層，也不要存在拖車(chē)里。最后，保持加工冷卻的均勻。雖然將成型周期延長(cháng)幾秒鐘對經(jīng)營(yíng)是不利的，但對于為抑制濕氣冷凝、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)量的補償方式。