На микроскопическом уровне полиэтилен, как полукристаллический полимер, имеет микроструктуру, состоящую из кристаллических ламелл и аморфных цепей. Считается, что полимерные цепи в кристаллической области сложены рядом друг с другом. В контексте разрушения полимерных материалов ключевую роль играют так называемые связующие молекулы (tie molecules), соединяющие кристаллические и аморфные области. Эти молекулы действуют как армирующие элементы и растягиваются под высоким напряжением до тех пор, пока не перестают выдерживать нагрузку. В этот момент кристаллические слои распадаются на мелкие фрагменты, и происходит пластичное разрушение.
На макроскопическом уровне пластичное разрушение характеризуется значительным течением материала вокруг поврежденной области и обычно происходит при высоком напряжении или за короткое время. Этот механизм связан с вискозоэластичным поведением, особенно при ползучести, приводящей к разрушению, где время до разрушения зависит от скорости ползучести.
При чрезмерном внутреннем давлении в полиэтиленовых трубах наблюдаются значительные деформации и локальные мягкие повреждения. Также внешние нагрузки, такие как механические раскопки или сторонние повреждения, могут вызвать пластичное разрушение.
В отличие от пластичного, хрупкое разрушение полиэтилена происходит при более низком напряжении. На микроскопическом уровне связующие молекулы постепенно ослабляются и выходят из кристаллической области, что увеличивает концентрацию напряжения на оставшихся молекулах. По мере их вытягивания и распространения трещин происходит хрупкое разрушение.
На макроскопическом уровне хрупкое разрушение связано с медленным ростом трещин (SCG), который происходит в течение длительного времени. Этот процесс связан с образованием craze-структур — микрополостей и дефектов, из которых развиваются трещины. Когда трещины проникают через стенку трубы, происходит хрупкое разрушение. Разрыв полимерных цепей играет незначительную роль в этом процессе.
Хрупкое разрушение характеризуется минимальной пластической деформацией и длительным временем до разрушения, что отличает его от пластичного разрушения.
Экологические факторы, такие как термо-окислительное, фото-окислительное, химическое и биологическое старение, ускоряют расход антиоксидантов. Это приводит к поперечному сшиванию, разрыву молекулярных цепей и, в конечном итоге, к разрушению труб. Например, термо-окислительное старение рассматривается как цепная радикальная реакция с автокаталитическими свойствами, включающая стадии инициации, роста и завершения цепи.
На сегодняшний день самые старые полиэтиленовые трубы в Китае успешно эксплуатируются более 40 лет. Хрупкое разрушение, независимое от напряжения, наблюдается только в лабораторных условиях при ускоренном искусственном старении.
В этом случае наблюдается неравномерное старение, более выраженное на внешней поверхности трубы. Это связано с более высокой температурой и концентрацией кислорода на внешней стороне, что приводит к таким явлениям, как разрыв цепей, микротрещины и макроскопические трещины. Также сообщается, что старение в области локальных трещин влияет на процесс SCG.
В конечном итоге разрушение труб из-за старения проявляется как хрупкое поведение в крупном масштабе. На практике разрушение полиэтиленовых труб является результатом сочетания пластичного и хрупкого механизмов. Эти процессы происходят одновременно, и преобладающий механизм зависит от состояния материала, окружающей среды и механических условий.