圖1 HDPE容器典型的應(yīng)力開裂發(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)力開裂性（ESCR）是HDPE瓶一個非常重要的特性。本文介紹了ESCR測試方法、應(yīng)力的來源，以及預(yù)防應(yīng)力開裂的措施，為HDPE瓶的應(yīng)力開裂問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)生開裂，這反映了HDPE瓶潛在的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性（ESCR）問題，它主要是由材料固有的半結(jié)晶特性所決定的。通常，那些用來盛裝液體洗滌劑、潤滑油和工業(yè)化學(xué)品等的HDPE瓶會遭此不幸。而這種開裂現(xiàn)象與容器的尺寸大小無關(guān)，即便是盛裝了相似液體的體積較大的中型散裝容器（IBC）也會如此。
在夏天，溫度和濕度的增加會導(dǎo)致ESCR問題的加重。因此，加工商需要了解應(yīng)力的來源，以及需要做哪些測試。對于這些問題，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電纜的外皮材料。不久，電纜護套就出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象。Western Electric的研發(fā)部，即知名的貝爾實驗室，設(shè)計了一個測試ESCR的實驗，這種實驗方法的非正式名稱為“貝爾實驗室測試法”，今天被稱作“ASTM D1693”。具體測試過程是：從一個0.125in（3.2mm）厚的模壓樣片上裁切出10個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個樣條的支架放入充滿Igepal 630表面活性劑的測試管內(nèi)，并置于122℉（50℃）的水浴中。將每個樣條開裂的時間繪成曲線，即F0是第一條開裂出現(xiàn)的時間，F(xiàn)50是一半樣條出現(xiàn)開裂時的時間，F(xiàn)100是最后一個樣條出現(xiàn)開裂的時間。
在20世紀50年代初，出現(xiàn)了剛性更好的HDPE材料，在上述貝爾實驗室測試法中，HDPE樣條有時在最初彎曲時就發(fā)生了斷裂，因此測試厚度被減至0.075 in（1.9mm），就是現(xiàn)在眾所周知的“B”測試條件。
圖2 HDPE樹脂密度越低，相應(yīng)的抗應(yīng)力開裂性能越好
ASTM D1693測試方法通常被認為既不精確又不具有重現(xiàn)性。在2西格馬即2個標準偏差條件下，不同實驗室間的偏差估計為2.9，這意味著同樣一個樣條，一個實驗室測試的F50值為10h，而另一個實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(diào)整為10％，這樣另一個測試條件也被補充到了ASTM方法中。這就給了用戶4個可選條件（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試條件，這在很大程度上影響了測試結(jié)果，因此數(shù)據(jù)表上樹脂的ESCR測試數(shù)據(jù)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(yīng)變測試，由于松弛，初始的彎曲應(yīng)力會隨時間而衰減。因此，很多管材、復(fù)合土工膜及容器的加工商開始進行恒應(yīng)力測試，這類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(yīng)力開裂，因此，采用彎條測試不能預(yù)測HDPE瓶的使用性能。這樣，容器/瓶行業(yè)開創(chuàng)性地使用了基于恒應(yīng)力的測試方法。
為確定容器對應(yīng)力開裂的耐受性能，通常可采用2種方法來產(chǎn)生恒定的應(yīng)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瓶子上，這種測試方法被稱為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(yīng)力狀態(tài)。同時，ASTM D2561測試使用了5 psig的恒定內(nèi)部增壓來產(chǎn)生一個持續(xù)的應(yīng)力，但不同點是，這種測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。在上述兩種測試方法中，瓶子都含有已知的應(yīng)力開裂因素，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題：“對我們來說，測試50h內(nèi)保持無開裂，能否保證在夏天都無應(yīng)力開裂，或者是否100h內(nèi)無開裂才足夠呢？”
夏天應(yīng)力增加
在夏天，HDPE容器的應(yīng)力開裂達到高峰。這是因為來自不同因素的應(yīng)力在夏天會集中增加。通常，HDPE容器的早期開裂是由于最大負荷的應(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)壁和分裝格板對瓶子的載荷就會均勻分布。但是在夏天高度潮濕的條件下，瓦楞紙板的耐壓強度會降低50％。理論上瓶子本身在高溫下也會損失一點耐壓強度，這會導(dǎo)致容器起皺變形。通常的例子是，最大負荷會引起瓶底拐角產(chǎn)生折痕或褶皺，油瓶開裂即在此發(fā)生�；蛘撸陬i體結(jié)合處出現(xiàn)柱面圓周開裂。
內(nèi)壓的增加是另一個應(yīng)力來源。灌裝通常是在室溫下進行，或者在空調(diào)間進行。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，被儲存在鋁制拖車里。據(jù)報道，在夏天，密封后的拖車內(nèi)部溫度可達145℉（62.8℃），這種熱量會使瓶子內(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)力開裂的一個來源。HDPE像鋼一樣是一種半結(jié)晶材料，在熔融狀態(tài)下沒有結(jié)晶，其結(jié)晶含量取決于瓶子的冷卻速度。由于吹瓶僅僅是單面冷卻，而厚壁與薄壁的冷卻速度顯然不同。結(jié)晶會產(chǎn)生收縮，因此在澆口處會產(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)力開裂的典型位置（如圖1）。
被稱為“水斑”的表面缺陷通常會在潮濕的季節(jié)出現(xiàn)，這是由濕氣在冷模具內(nèi)凝結(jié)演變而來。作為應(yīng)對，加工者通常要提高模溫以防止水滴凝結(jié)，但是卻沒有相應(yīng)的延長成型周期。這意味著容器離開模具時溫度越高，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，通常會發(fā)生尾部搖擺。由于夏天成型車間溫度很高，操作人員對這類加工偏差的注意力會明顯下降。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)力開裂。
預(yù)防措施
加工商可以采用幾種方法來預(yù)防應(yīng)力開裂現(xiàn)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(yù)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，選擇更加抗開裂的樹脂。通常，即使結(jié)晶有輕微的降低，都會使HDPE具有更好的抗開裂性能，而密度是對結(jié)晶度的一種直接度量。如果平時選用的樹脂密度是0.954g/cm3，那么夏天可以考慮選用密度為0.950g/cm3的樹脂（如圖2所示）。第四，監(jiān)測和控制產(chǎn)品的庫存。通常，不能將易于開裂的產(chǎn)品儲存在倉庫的最高層，也不要存在拖車里。最后，保持加工冷卻的均勻。雖然將成型周期延長幾秒鐘對經(jīng)營是不利的，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。
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