Сравнительные свойства труб из ПЭТ - Климатический портал Airweek

Поиск по новостям

	Главная

	Новости ежедневно

	Новости технологий


	Менеджерам

	Анонс СМИ

	Выставки и события

	Колонка редактора

	Профессионалы отрасли

	Документация

	Аналитика рынка

	Колонки

	Контакты

	Форум пользователей

Партнеры

Голосование

Сравнительные свойства труб из ПЭТ - АКВА-ТЕРМ #48 - 2009 г.

АКВА-ТЕРМ #48 - 2009 г. | |

Сравнительные свойства труб из сшитого и термостойкого полиэтилена

Трубы из сшитого и термостойкого полиэтилена предназначены для горячего водоснабжения и отопления зданий. После замоноличивания в пол, их используют для его нагрева. Они необходимы также в коттеджном строительстве, при ремонте и реконструкции сантехнических систем домов и даже при обогреве газона футбольных полей.

Сшитый полиэтилен в зарубежной и (достаточно часто) в отечественной научно-технической литературе обозначают аббревиатурой РЕХ (в этой статье – СПЭ).

Зарубежное обозначение второго рассматриваемого материала (полиэтилена для повышенной температуры рабочей среды) – PE-RT (PolyEthylene for Raised Temperature), у нас – ПЭ-РТ.
Полиэтилен (ПЭ)

В России полиэтилен классифицируют по параметрам его производства, в том числе – по давлению, за рубежом – по распространенной физической характеристике материала –плотности (англ.: Density).

Приведем обозначения полиэтилена по параметрам его производства (в скобках – международное обозначение по свойствам материала).

Изменяя параметры технологии полимеризации (давление и температуру), получают следующие виды полиэтилена:

♦ ПЭНД – полиэтилен низкого (около 1 МПа) давления (температура процесса – 20–75 оС); он же – полиэтилен высокой (0,941–0,965 г/cм3) плотности ПЭВП (PEHD, HDРЕ);

♦ ПЭСД – полиэтилен среднего (около 5 МПа) давления (температура – 150–180 оС); он же – полиэтилен средней (0,926–0,940 г/cм3)плотности ПЭСП (PEМD, МDРЕ);

♦ ПЭВД – полиэтилен высокого (100–200 МПа) давления (температура – 100–300 оС); он же – полиэтилен низкой (0,910–0,925 г/cм3) плотности ПЭНП (PELD, LDPE).

Вышеуказанные виды полиэтилена не имеют боковых ответвлений от углеродной цепи и считаются линейными. Структурно это выглядит так, как показано на рис. 1,а.

Ассортимент видов полиэтилена может быть расширен путем получения его сополимеров с другими мономерами.

Ответвление от линейной углеродной цепи в четыре атома углерода образует ПЭ-гексен, в шесть атомов – ПЭ-октен по химической формуле (СН2)8 (на рис. 1,б показано ответвление в один атом углерод-водородной группы).

Сшитый полиэтилен (СПЭ)

В целях повышения механических и термических качеств труб для трубопроводов горячего водоснабжения и отопления с их нормативными требованиями по давлению и температуре применены такие способы, как поперечное сшивание коллинеарных (примерно параллельно располагаемых в трехмерном пространстве) линейных цепочек полиэтилена в пространственную сетку, которая увеличивает стойкость цепочек к смещению между собой.

Важный показатель СПЭ – плотность, поскольку кристаллизация в виде равномерного распределения молекул во всей структуре материала зависит непосредственно от его плотности. Чем больше плотность, тем выше степень кристаллизации полимера, то есть качество окончательного продукта зависит от плотности материала.

Существуют четыре метода сшивки полиэтилена, единственного из полиолефинов, с которым можно осуществлять сшивку: перекисная (метод Энгеля) СПЭ-а со степенью сшивания около 75 %; силанольная СПЭ-b (степень сшивания – 65 %); радиационная СПЭ-с(степень сшивания – приблизительно 60 %).

При перекисной сшивке СПЭ-а полиэтилен смешивается с пероксидом в процессе экструзии. С повышением температуры пероксид разлагается, образуя радикалы, при взаимодействии которых бразуются сшивающие группы.

В процессе экструзии температура массы не должна превышать температуру разложения. А это требует точной регулировки температуры и управления процессом, иначе преждевременная сшивка приведет к налипанию материала на шнек экструдера и остановке машины.

Расплав полиэтилена частично сшит на выходе из зоны смешения и формуется в трубу, которая нагревается для того, чтобы пероксид закончил сшивку.

Наиболее распространенный силанольный метод сшивки (СПЭ-b) состоит в следующем: при химической сшивке атомы водорода в молекулах полиэтилена замещаются атомами углерода под воздействием химического вещества силана (обычно – винилсилан) с использованием инициатора. При данном методе полиэтилен, не содержащий в своем составе следов катализатора, может использоваться в производстве труб питьевого назначения.

Существуют два варианта технологии силанольной сшивки: «Сиоплас» (Sioplas) и «Моносил» (Monosil).

На первой стадии процесса «Сиоплас» полиэтилен компаундируется с пероксидом и винилсиланом. Полученный компаунд смешивается с суперконцентратом катализатора и засыпается в экструдер для производства трубы. Цель (в обоих случаях) – «привить» активную молекулу силана к полимерной цепи полиэтилена.

Полученная при экструзии труба сшивается несколько часов в горячей ванне или подвергается сшивке паром.

Механизм сшивки основан на реакции, происходящей между водой и «привитым» силаном. Вода, взаимодействуя с метоксильными группами, образует силанол. Затем две силанольные группы соединяются по механизму конденсации в присутствии оловоорганического катализатора с образованием новой химической связи и выделением воды. Сшивка происходит в отвердевшем материале.

По технологии «Моносил» винилсилан «прививается» к полиэтилену в ходе экструзии обычной полиэтиленовой трубы.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод: при технологии «Сиоплас» полиэтилен окончательно сшивается в контакте с горячей водой, и скорость сшивки определяется диффузией влаги в материал. Обозначение полученной трубы – «СПЭ-b Сиоплас»; при технологии Моносил полиэтилен сшивается при экструзии – процесс сшивания молекул полиэтилена начинается в экструдере в ходе формования трубы и завершается в паровых банях, где молекулы воды проникают внутрь материала и реагируют со сшивающими компонентами, образуя активные группы радикалов, которые и сшивают молекулы полиэтилена. Обозначение трубы – «СПЭ-b Моносил».

Технология «Моносил» обеспечивает равномерно высокий (до 65 %) процент сшивки по всему ее поперечному сечению, даже у толстостенных труб. Такие трубы выдерживают давление разрушения на 30 % выше, чем трубы, сшитые другими методами.

Еще один плюс метода «Моносил» – возможность армирования труб алюминиевой оболочкой, синтетическими нитями или лентой из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) вторичной переработкина одной производственной линии.

Трубы СПЭ-b могут свариваться на стройплощадке до завершения процесса сшивки, наступающей после заполнения их горячей водой в течение некоторого времени эксплуатации.

Радиационный метод (СПЭ-с), называемый также электронно-лучевым, состоит в том, что полиэтилен бомбардируется пучком электронов, выбивая атомы водорода, в результате чего создаются связи между атомами углерода.

Предварительно изготовленные обычные полиэтиленовые трубы при радиационной сшивке подвергают облучению электронной пушкой или гамма-излучением с высокой энергией.

Операция радиационного сшивания линейных цепочек полиэтилена проводится за много проходов через электронную пушку до тех пор, пока не будут достигнуты заранее рассчитанные доза облучения и степень сшивки.

Четвертый метод (СПЭ-d) осуществляет химическую сшивку посредством азотирования. Этот метод пока что является теоретической разработкой и практического применения еще не нашел.
На практике все три первых способа сшивки применяются в значительных объемах. При этом пероксидная сшивка применяется, главным образом, для труб больших диаметров, где низкая производительность существенно не влияет на стоимость трубы.

Потребление рассматриваемых марок полиэтилена существенно не различается, но все же предпочтение отдается СПЭ-b.

Силанольная сшивка, особенно процесс «Моносил», широко распространена по причине относительно низкой стоимости оборудования и простоты производства многослойных структур.

Радиационная сшивка входит в «арсенал» относительно небольшого числа фирм, поскольку организация такого производства достаточно сложна.

Согласно проведенным исследованиям, по прочностным показателям и деформационной теплостойкости трубы СПЭ-а и СПЭ-b имеют близкие показатели. Самые низкие показатели характеризуют трубы СПЭ-с.

Разработчики труб (ГВС и отопление), предназначенных для жесткой и долговременной эксплуатации, пошли по пути улучшения характеристик сшитых полиэтиленовых труб за счет их армирования, достигаемого использованием либо тонкостенной алюминиевой оболочки, либо синтетических нитей повышенной прочности (торговая марка «Кевлар»), выполненных в виде сетки.

Оболочка – плоская алюминиевая лента в виде рулона, получаемая путем последовательного изменения обкатывающими роликами ее формы до цилиндрической. Охватывая первый внутренний слой трубы, затем она покрывается вторым слоем, наружным. Происходит всё в едином технологическом процессе экструзии трубы.

После армирования труба становится многослойной: внутренний слой – адгезив (для улучшения сцепления между полиэтиленом и алюминием) – алюминий – адгезив – наружный слой. На наружном слое может возникнуть антикислородный барьер из пленки этиленвинилового спирта EVOH(ЭВОХ) или (в переводе зарубежными фирмами на русский язык) ЕVАL(ЭВАЛ) – этиленвиниловый алкоголь.
Слой EVOH может располагаться и внутри полиэтиленовой трубы.

Применяют два способа сварки краев армирующей оболочки – встык (рис. 2,а) и внахлест (рис. 2, б).

Лента сваривается вольфрамовым электродом в инертном газе или ультразвуковой сваркой по образующей, создавая бесконечную герметичную трубку, усиленную полученным продольным швом.

Толщину алюминиевой ленты принимают в зависимости от диаметра трубы Дн; ее ориентировочные значения sпри следующих наружных диаметрах трубы составляют: Дн = 16 мм, s= 0,5 мм; Дн = 20 мм, s= 0,55 мм; Дн = 25; 32; 40 мм, s= 0,7 мм; Дн = 50; 63 мм, s= 0,8 мм.

Расположение алюминиевой оболочки по поперечному сечению трубы всегда примерно посредине его, то есть оба полимерных слоя - внутренний и наружный – сильно не различаются по своей толщине.

Армирование трубы либо синтетическими нитями с торговым названием «Кевлар», либо лентой из вторичного ПЭТФ представлено на рис. 3, на котором не показаны слои адгезива и антикислородная оболочка EVOH по их взаиморасположению в «теле» трубы.

Армирование производится постоянным диагональным переплетением нитей с многочисленных шпульных катушек при экструзии внутреннего слоя трубы двумя независимыми устройствами, создающими круговую сетку за счет подачи нитей при вращении устройств в противоположные стороны.

Получаемую оплетку можно увидеть на прозрачных гибких ПВХ-шлангах, предназначенных для полива.

На полученное изделие экструдируется наружный слой полиэтилена.

С учетом всех разработанных типов СПЭ-трубы стали различаться на

однослойные, однородные и многослойные, композиционные (причем полиэтилен стал основой для развития производства многослойных полимерных труб).

Из перечисленных материалов для горячего водоснабжения и отопления домов применяют многослойные сшитые.

Среди используемых в стране труб из СПЭ (горячее водоснабжение и отопление) можно назвать трубы отечественных и зарубежных исполнителей. Ведущие производители – «АНД Газтрубпласт», «Бир Пекс» (Россия), LyondellBasellIndustries(Нидерланды), Rehau(Германия), Solvаy(Бельгия), IndustrialBlansol(Испания).
Приведем типовой сортамент СПЭ-труб (как однослойных, так и многослойных): наружный диаметр × толщина стенки, мм: 16×1,8; 20×1,9; 25×2,3; 32×2,9; 40×3,7; 50×4,6; 63×5,8.

Полиэтилен повышенной термоустойчивости (ПЭ-РТ)

Материал представляет группу марок полиэтилена, производимых с начала 1980-х гг. компанией TheDowChemical и обозначаемых LPE (LinearPolyEthylene, то есть линейный полиэтилен), чтобы отличить их от СПЭ. Русскоязычного аналога аббревиатуре LPE нет.

По технологии полимеризации вместо обычного ПЭНД используется ПЭ-октен. Вследствие этого происходит взаимное переплетение боковых ветвей вокруг углеродной цепочки, но без межатомных связей. Тем самым (за счет пространственного сцепления) снижается их смещение между собой, что позволяет улучшить эксплуатационные параметры трубы по сравнению с обычным ПЭНД и повысить долговременную термостойкость.

Трубы из ПЭ-РТ в основном используются для обогрева полов, где температура и давление ниже, чем в системах водоснабжения и отопления.

Строение рассматриваемых полиэтиленов графически представлено на рис. 4. В поперечном разрезе точками обозначены линейные продольные цепочки, располагаемые параллельно образующей трубе; прямыми линиями – поперечные межатомные связи цепочек, кривыми – нерегулярное переплетение линейных цепочек по длине трубы

Производители ПЭ-РТ-труб, проводя свою маркетинговую политику, утверждают: свойства их труб такие же, как и у сделанных из СПЭ. Сторонники ПЭ-РТ-труб часто ссылаются на то, что материал по свойствам существенно превосходит принятые для данного класса стандарты.

Это вызывает сомнение, поскольку ПЭ-РТ – обычный термопласт с ограниченной совокупной стойкостью к повышенным температурам и давлению в системах с горячей водой, что подтверждают гидравлические испытания и последующая практика.

Кривая регрессии, показывающая потерю способности выполнения рабочих функций во времени, для ПЭ-РТ имеет характерный перелом (потеря прочности при длительной эксплуатации) уже при 70 °С (рис. 5), тогда как кривая СПЭ не изгибается вплоть до 110 °С и более. Срок службы при температуре 60 °С – 50 лет, при температуре 95 °С и давлении 3,2 МПа –1,2 года.

Сравнение кривых регрессии, полученных независимым Институтом полимеров Bodycoat(Бельгия), говорит о том, что долговечность СПЭ труб выше (рис. 6). Срок службы при температуре 70 °С и давлении 5,1 МПа составляет 50 лет, при температуре 95 °С и давлении 4,1 МПа – 5 лет.

Помимо стойкости к давлению, СПЭ превосходит ПЭ-РТ в сопротивлении ползучести, которая определяет надежность сборки труб с металлическими фитингами и зачастую может привести к

разгерметизации и вытеканию горячего теплоносителя в помещение, приводя к аварийной ситуации.

Следует отметить: трубы должны удовлетворять требованиям стандарта не только в момент испытаний, но и на протяжении многих лет.

Значения ползучести у образцов СПЭ-с в 1,6 раза выше при 180 °С, чем у СПЭ-а и СПЭ-b, и резкий ее рост наблюдается уже при 150 °С.

Выводы

1. Все перечисленные виды полиэтилена от ведущих производителей могут применяться в указанных областях. Рынок сам выберет нужный товар.

2. Наибольшее практическое применение для горячего водоснабжения и отопления зданий имеют трубы силанольно-сшитые (СПЭ-b), расширенная номенклатура которых этому способствует.

3. Выбирая сшитую полиэтиленовую трубу, особенно однослойную, необходимо узнать у производителя или распространителя характеристику ее ползучести, так как она важна для гарантии герметичности сборки с металлическими соединительными деталями при высоких и долговременных температурных нагрузках.

И в заключение следует сказать о том, что использование труб из сшитого полиэтилена возможно не только во внутренних системах, но и при наружной прокладке. Об этом – в следующем номере журнала.