Обратная связь
| 8 (843) 259-47-58 | 8 (904) 761-40-71 |
|
г.Казань ул.Восстания, 102
|
|
Обратная связь
Долговременная прочность труб
Наибольшее распространение в инженерных системах жилых домов сейчас получили трубы, рабочую основу которых составляют следующие пластики:
- полиэтилен (РЕ, PEHD);
- полиэтилен повышенной термостойкости (PERT);
- полипропилен и его модификации (РР,PPH,PPB,PPR)
- хлорированный поливинилхлорид (PVC-C);
- сшитый (вулканизированный) полиэтилен (РЕХ).
Первые четыре пластика представляют из себя ярко выраженные термопласты. Их отличительными особенностями являются способность к повторной переработке и наличие так называемого «предела логарифмически-пропорциональной релаксации». На последнем свойстве хотелось бы остановиться подробнее, поскольку именно оно чаще всего и определяет долговременные прочностные характеристики материала.
Как и у многих других материалов, под воздействием постоянной нагрузки прочность термопластов со временем снижается. В общей теории старения материалов это явление получило название «релаксации» ( от лат. relaxatio — ослабление, расслабление), а вызванный релаксацией рост деформаций – «ползучестью» . На определенном участке логарифмического графика зависимость времени до разрушения от начального напряжения в стенке трубы из термопласта представляет из себя практически прямую линию (рис.1 -участок A-B).
Такая зависимость дает возможность использовать для определения длительной прочности материала на этом участке экстраполяционный метод Палмгрена-Майнера (Palmgren-Miner). Однако, слепой перенос на термопласты метода, разработанного в 1945 году для металлов, в данном случае можно использовать только частично, поскольку , достигнув определенного значения (того самого «предела логарифмически-пропорциональной релаксации») наклон логарифмического графика резко изменяется (рис.1 -участок В-С). Это показывает, что даже при совсем незначительных начальных напряжениях в стенке труба из термопласта через определенный период
разрушится. Продолжительность этого периода зависит от материала трубы, начального напряжения и температуры эксплуатации.
Причину такого явления следует искать в молекулярной структуре термопластичного материала. Эти полимеры состоят из относительно длинных макромолекул (цепочек исходного мономера), имеющих короткие или длинные боковые ответвления. Между собой молекулы связаны только физическими связями (можно назвать их «силами трения»). Под длительной нагрузкой цепочки укорачиваются, соответственно уменьшается и их взаимная связь. В какой-то момент времени «сила трения» уже не в состоянии противостоять действующим внешним силам и начинается развивающаяся подвижка макромолекул друг относительно друга.
Примитивно, подобное явление можно проиллюстрировать на штабеле длинных досок (рис.2-А). Попытки вытащить доску из штабеля безуспешны, так как сила трения больше горизонтальной силы F. Когда доски в штабеле начали делиться на короткие отрезки (рис.2-В) , вытащить доску уже не составляет большого труда.
Теперь представим, что все доски в штабеле надежно скреплены между собойгвоздями (рис.2-С). Теперь деление длинных досок на короткие ничего не меняет к исходной ситуации. Для сшитого полиэтилена (РЕХ) пространственные химические связи, объединяющие макромолекулы в единую структуру, и являются своеобразными «гвоздями». Сшитый полиэтилен перестает быть термопластом. Его невозможно снова расплавить и сформовать. При достижении критической температуры материал просто разрушится. Такие полимеры называют «реактопластами». График долговременной прочности сшитого полиэтилена в логарифмических координатах близок к наклонной прямой на всем своем протяжении, поэтому рассчитать эту прочность можно сдостаточной степенью точности. Расчет металлополимерных и пластиковых труб, предназначенных для системвысокотемпературного отопления (5 класс эксплуатации) структур PEX-AL-PEX и PEX-EVOH-PEX ведется на основании предсказуемых временных графиков, чего нельзя сказать о термопластах. Наличие точек перегиба на графиках долговременной прочности делает расчет заведомо ориентировочным, поскольку на сегодняшний день еще ненакоплено достаточного количества экспериментальных данных .
Ведь для того, чтобы получить точку перегиба графика , например, для полипропилена РР-Н при температуре 70°С тест нужно продолжать не менее 400000 часов (46 лет). Не рекомендуется использовать в высокотемпературном отоплении (радиаторы) такой материал как PERT. Этот пластик , у которого боковые ветви развиты до октеновых, относится к термопластам и также имеет перегиб на графике , однако производители и продавцы предпочитают его не показывать, устремляя прочностные характеристики материала в бесконечность и вводя в заблуждение потребителей. Причем, делается это не всегда умышленно – просто для данного материала еще не успело накопиться достаточного количества экспериментальных данных.
Сособ получения PEX
|
№ |
Обозначение |
Краткое описание способа |
Степень сшивки по стандарту ASTM |
Вид способа по методу воздействия |
|
1 |
PEX-a |
Сшивка органическими пероксидами или гидропероксидами (пероксидный) |
75 |
химический |
| 2 | PEX-b | Сшивка органическими силанидами (силанами) (силановый) | 65 | химический |
|
3 |
PEX-c | Сшивка потоком элементарных частиц (радиационный/электронный) |
60 |
физический |
Пероксидная сшивка полиэтилена (метод «А», метод Энджела)
Метод А является химическим способом модификации («сшивки») полиэтилена при помощи органических пероксидов или гидропероксидов. Органические пероксиды представляют из себя производные перекиси водорода (НООН) в которых один (гидропероксид, ROOH) или два (пероксид, ROOR) атома водорода замещены органическими радикалами. Пероксиды относятся к особо опасным веществам ( ГОСТ 19433-88). Их получение – технологически сложный и дорогостоящий процесс. Количество добавляемого в расплав пероксида очень мало и составляет порядка 0,5-2 кг на 1 т полиэтилена.
Для получения РЕХ по способу А полиэтилен перед экструдированием расплавляется вместе с антиокислителями и пероксидами. С повышением температуры пероксиды распадаются , образуя радикалы (молекулы со свободной связью). Радиакалы пероксидов отрывают у звеньев полиэтилена по одному атому водорода, что приводит к появлению свободной связи у атома углерода. В соседних макромолекулах атомы углерода объединяются. Количество межмолекулярных связей составляет 2-3 на 1000 атомов углерода. Образуется трехмерная сетка, которая исключает возможность образования кристаллитов при охлаждении полимера. Процесс требует жесткого контроля за температурным режимом в процессе экструзии, когда происходит предварительная сшивка, и в ходе дальнейшего нагревания трубы для завершения образования связей. При охлаждении полученного продукта наблюдается понижение плотности полиэтилена.
Метод А – самый дорогой. Он гарантирует полный объемный охват массы материала воздействием пероксидов, так как они добавляются в исходный расплав. Однако, этот метод требует , чтобы степень сшивки РЕХ не была ниже 75%, что делает трубы из этого материала более жесткими по сравнению с изделиями, полученными способами В и С.
Силановая сшивка полиэтилена (метод «В»)
Метод В является химическим способом сшивки полиэтилена при помощи органосиланидов.
Органосиланиды можно представить, как кремневодороды ( гидриды кремния типа SiН4) в которых атомы водорода заменены органическими радикальными группами по схеме ОСН3, поэтому правильнее называть эти вещества «силоксанами».
Как и кремневодороды, от газообразного SiН4 до Si8Н18, так и органосиланиды ядовиты и обладают неприятным запахом.
Силанольная сшивка полиолефиновой изоляции, благодаря своей дешевизне, широко применяется в кабельной промышленности. Однако для производства проводов и кабелей могут применяться обычные кремневодороды, так как особых гигиенических требований к этой продукции не предъявляется. При этом сшивка полиэтилена происходит по схеме Si—C без вовлечения органических радикалов. Так как энергия связи Si—C составляет 780 Дж/моль, а энергия связи С-С – только 630 Дж/моль, то прочность сшивки проводной изоляции по методу В значительно выше, чем при остальных методах.
Использование органических силанидов при производстве трубопроводов вызвано тем, что они при сшивке либо полностью переходят в связанное состояние, либо превращаются в химически нейтральный органический спирт. Сшитый по методу В полиэтилен не содержит в своем составе следов силанидов и может успешно использоваться для контакта с пищевыми продуктами В настоящее время при производстве РЕХ труб по методу В в основном используется винилтриметаксилан ( упрощенная формула С2Н4Si (OR)3).
Силановая сшивка может выполняться двумя способами:
Метод В-SIOPLAST. В этом методе винилсилан вводится в расплав во время экструзии трубы.
Метод В-MONOSIL. Здесь винилсилан перемешивается с пероксидом и некоторым количеством полиэтилена. Эта смесь вводится в основную массу полиэтиленового расплава при экструзии.
В обоих методах химический принцип реакции остается одинаковым. Активные молекулы винилсилана замещают атомы водорода в макромолекулах полиэтилена, используя для этого слабую двойную связь С-С.
Затем, органические радикалы присоединяют молекулу воды, образуя стабильную гидрокись, а соседние радикалы полимера замыкаются через связь Si – O , формируя пространственную решетку. Таким образом, для завершения процесса сшивки по методу В изделие должно пройти обработку в течение 5 часов в водяной ванне с температурой воды 95?С. Вытеснение воды из РЕХ ускоряется присутствием оловянного катализатора. Процесс окончательной сшивки, как мы видим, завершается уже в твердой стадии изделия. Если отформованную трубу не подвергать обработке в водянной ванне, то на воздухе процесс окончательной сшивки может занять от одного до трех месяцев. На длительность окончательной сшивки влияет наличие в исходной смеси различных цветообразующих и пластифицирующих добавок.
Радиационная сшивка полиэтилена (метод «С»)
Метод С заключается в воздействии на С-Н связи полиэтилена потоком заряженных частиц. Это может быть поток электронов или гамма-лучей. При таком воздействии часть связей С-Н разрушается. Углерод становится обладателем свободной связи, которая реализуется ,объединившись с такой же свободной связью в соседней молекулярной цепочке. Благодаря этому, отдельные макромолекулы полиэтилена объединяются сетью межмолекулярных связей. Происходит модификация полиэтилена, называемая «сшивкой». Облучение изделия потоком частиц проводится уже после его формования, в твердом состоянии. К недостатком данного метода можно отнести неизбежную неравномерность сшивки по толщине полиэтиленового слоя. Невозможно расположить электрод так, чтобы он был равноудален от любой точки трубного рулона, поэтому труба получается неравнопрочной и по длине и по толщине стенки. Метод «С» позволяет получать более гибкий полиэтилен, так как процент сшивки при этом методе составляет 60%, а с увеличением процента сшивки твердость материала возрастает . Качество сщивки при данном методе зависит от тех ухищрений, к которым прибегают производители, чтобы обеспечить объемную радиационную сшивку. На фирме Хенко, например, металлическая бобина с намотанной металлопластиковой трубой помещают в металлический бункер. К алюминию многослойной трубы и к корпусу бункера подсоединяются клеммы, после чего создается напряжение 1300КВ.
Трубы PE-RT
Одной из последних новинок в технологии производства полиолефинов стал метод направленного пространственного формирования боковых связей в макромолекулах полимера. Получившийся термостойкий полиэтилен получил название PERT или DOWLEX*2344E (Dow Chemical Compani). В некоторых источниках этот материал обозначают, как LPE или линейный полиэтилен, чтобы отличать его от сшитого.
Суть метода заключается в следующем. Вместо обычного бутена в качестве сопуствующего мономера используется октен (октилен) имеющий формулу С8Н16. В отличие от «плоского» бутена октен имеет протяженную пространственно развитую структуру. Образуя боковые ветви основного полимера, кополимер создает вокруг главной цепи область взаимопереплетенных цепочек комономера. Эти «ветви» соседних макромолекул взаимно переплетаются, образуя пространственное сцепление не за счет образования межатомных связей, а за счет сцепления и переплетения своих «ветвей». Получившийся материал приобретает ряд свойств, присущих PEX, таких как повышенная долговременная термостойкость и увеличение прочности. Химическая стойкость PERT существенно не изменяется, поэтому в толуоле он растворяется. PERT сохраняет присущую обычному полиэтилену гибкость. Самым главным приобретением PERT по сравнению со своим «материнским» PEMD является увеличение стойкости к ультра-фиолетовым лучам.
По материалам ОАО "НИИСантехники"
x
Получите дисконтную карту
x
Оставить отзыв