Главная → Статьи

Полимерные материалы и их свойства

Все пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные. К термопластам относятся: винипласт, полиэтилен, полипропилен, фторопласт, полиметилметакрилат, полиизобутил, полистирол, полиамид и полиуритан. Эти материалы можно перерабатывать в изделия методом литья, экструзии, пневматического формования, прессования и сварки.

К термореактивным материалам относятся: фенопласты, фаолит, текстолит, древесные пластики, стеклопластики, асбовинил, графитопласт и композиции на основе эпоксидных смол.

Для изготовления труб и деталей трубопроводов применяются термопласты с различными физико-механическими свойствами. На основе этих термопластов создан ряд специализированных марок полимерных материалов. Для обеспечения у таких материалов необходимых свойств в них вводят различные добавки — пластификаторы стабилизаторы, красители, наполнители, антистатики и другие вещества. В результате такой обработки материалы труб представляют собой сложные композиции. Так, например, пластификаторы вводят для улучшения технологических и эксплуатационных свойств; стабилизаторы — для повышения стойкости и долговечности полимеров при воздействии света, температур и других факторов; наполнители — для увеличения их прочности и улучшения диэлектрических свойств, для уменьшения расхода полимерной смолы и т. д.

Основными видами термопластов, из которых изготавливают трубы и детали, являются полиэтилен низкого давления (ПНД) и высокого давления (ПВД), полипропилен (ПП) и непластифицированный поливинилхлорид (ПВХ).

Полиэтилен — продукт полимеризации этилена. В зависимости от метода полимеризации получают полиэтилен высокого, среднего и низкого давления, которые отличаются молекулярной массой, плотностью, степенью кристалличности и разветвленностью макромолекул.

Полиэтилен, полученный при высоком давлении (ПВД), называют также полиэтиленом низкой плотности (ПНП), а при среднем и низком давлениях— полиэтиленом высокой плотности (ПВП).

Полиэтилен представляет собой твердый продукт белого цвета, горит медленно синим пламенем без копоти. Полиэтилен состоит из кристаллической и аморфной фаз, соотношение которых, а также конфигурация макромолекул полимера, зависят от способа его получения. От степени кристалличности полимера зависят его плотность, химическая стойкость и проницаемость для газов и растворителей, температура размягчения и начала течения, поверхностная твердость и модуль упругости. С ростом температуры степень кристалличности уменьшается, а удельный объем возрастает, чем и объясняется зависимость объемного коэффициента термического расширения от температуры.

Под действием кислорода воздуха, температуры, ультрафиолетовых лучей происходит старение полиэтилена, выражающееся в постепенном ухудшении его физических и механических свойств, изменении химического состава и структуры, потере эластичности и увеличении хрупкости.

Полиэтилен ПВД и ПНД выпускают различных марок, из которых непосредственно получают изделия или композиции с различными добавками для дальнейшей переработки.

Полипропилен (ПП) получают полимеризацией пропилена в присутствии металлоорганических катализаторов. Отличается более высокой, чем пропилен, температурой плавления, длительной прочностью, химической стойкостью и водостойкостью. Однако чувствителен к действию кислорода и других сильных окислителей. Выпускается в виде композиций со стабилизаторами, красителями, наполнителями и другими добавками.

Поливинилхлорид (ПВХ) является продуктом полимеризации винилхлорида, которая осуществляется путем проведения суспензионной, блочной или эмульсионной полимеризации. Поливинилхлорид представляет собой белый или слегка желтоватый порошок. Изделия из него имеют высокую механическую прочность, легко поддаются обработке механическими способами, штамповке и склеиванию. Поливинилхлорид водостоек и химически стоек в агрессивных средах.

Для изготовления труб и деталей трубопроводов используют составы, в которые наряду с полимером входят пластификаторы, стабилизаторы, наполнители, красители, определенным- образом влияющие на свойства изделия.

К недостаткам ПВХ можно отнести слабую сопротивляемость к удару, низкую теплостойкость, хрупкость при температуре ниже 0°, большой коэффициент линейного расширения.

Фторопласты — обобщенное техническое название всех полимеров фторопроизводных этиленового ряда.

В отечественной практике для трубопроводного строительства практически применяют фторопласт-4 (политетрафторэтилен), трубы из которого выпускают в промышленном масштабе. Структурная симметрия и линейность построения молекул обусловливают высокую кристалличность фторопласта-4. Благодаря большой энергии взаимодействия между атомами фтора соседних молекул полимер обладает высокой температурой плавления и исключительно высокой химической стойкостью. Изделия из этого полимера имеют чрезвычайно широкий температурный диапазон эксплуатации: от минус 100 до плюс 220…250 °С.

Фторопласт-4 негорюч, физиологически безвреден, однако вследствие высокой вязкости практически не поддается переработке известными способами. Изделия получают холодным прессованием порошкообразного материала, спеканием этих блоков при температуре выше точки плавления и последующей механической обработкой.

Фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен) отличается от фторопласта-4 тем, что в его структуре один из атомов фтора заменен атомом хлора, вследствие чего фторопласт-3 обладает повышенной текучестью. Полимер имеет такое же правильное линейное строение, как и фторопласт-4, также кристалличен, однако в меньшей степени; по химической стойкости мало уступает фторопласту-4. Фторопласт-3 перерабатывают экструзией, литьем и другими известными способами, однако его температурный диапазон эксплуатации несколько уже: от минус 80 до плюс 180 °С.

К числу перспективных в отечественной практике относят полимерные материалы, пригодные для создания трубопроводов горячего водоснабжения, водяного отопления и технологических трубопроводов, доступных по стоимости и обладающих достаточной теплостойкостью. Такими материалами являются сшитый полиэтилен, полибутен, хлорированный поливинилхло-рид.

Сшитый полиэтилен — полиэтилен высокого или низкого давления, молекулярные цепи которого «сшиты» поперечными мостиками, в результате чего он имеет сетчатую структуру. Благодаря сшивке улучшаются длительная прочность, химическая стойкость, стойкость к растрескиванию, ударная прочность и морозостойкость. К недостаткам сшитого полиэтилена относится его плохая свариваемость, вследствие чего соединение изготовленных из него труб представляет значительные трудности.

Полибутен (ПБ) по физико-механическим свойствам сравним с полиэтиленом низкого давления. Особенностью переработки является замедленное протекание процесса кристаллизации, которая при нормальной температуре длится несколько дней, при повышенной температуре процесс кристаллизации ускоряется, но это требует специального оборудования. Полибутен обладает хорошей свариваемостью, однако при монтаже следует иметь в виду его чувствительность к ударным воздействиям при надрезе.

Хлорированный поливинилхлорид (ХПВХ) обладает повышенной температурной формостойкостью по сравнению с ПВХ. Остальные свойства хлорированного поливинилхлорида близки к свойствам обычного ПВХ за исключением повышенной чувствительности к ударным нагрузкам.

В последние годы проводятся работы по определению новых композиционных материалов для изготовления труб. Наиболее эффективно используют для армирования высокопрочные синтетические волокна, что позволяет создавать трубы на рабочее давление до 40 МПа. Проводятся также разработки полимериза-ционно наполненных и смесевых композиций для изготовления труб, использование которых в безнапорных системах обеспечит существенную экономию полимерного сырья.

Способность пластмасс противостоять действию агрессивных сред различной концентрации и температуры определяет их коррозионную стойкость или, как принято называть для пластмасс, — химическую стойкость, являющуюся основным критерием при выборе материала труб. Воздействие агрессивной среды на пластмассы сводятся к трем основным процессам: диффузии, набуханию и химической реакции. Эти процессы могут протекать одновременно или в различных сочетаниях. В результате диффузии агрессивная среда проникает внутрь материала и вызывает, как правило, его набухание или, химически взаимодействуя с пластмассой, вызывает ее растворение или растворение отдельных компонентов, входящих в состав пласт-массы. Снижение химической стойкости пластмасс обычно сопровождается изменением цвета и ухудшением механических свойств материала. Набухание п растворение предшествуют разложению материала в зависимости от температуры и концентрации среды очаги разрушения проникают в глубь материала, а связанное с набуханием увеличение объема или уменьшение толщины стенки из-за растворения материала вызывает значительные напряжения, приводящих к разрушению трубы.

Существуют стандартные методики испытаний труб, базирующиеся в основном на изменении массы или объема ненагруженных образцов, погруженных в испытываемую химическую среду. Такие методики позволяют лишь качественно оценить химическую стойкость труб и соединительных деталей (табл. 2) по ГОСТ 12020—72*.

Трубы ПВД и ПНД обладают высокой химической стойкостью во многих агрессивных средах. При температуре 120 °С они устойчивы к действию воды, рассолов, щелочей, а также соляной и фосфорной кислот. Однако трубы из полиэтилена не стойки в дымящей серной кислоте, концентрированной азотной кислоте, хромовой смеси и галогенах. Они устойчивы к воздействию спиртов, формальдегидов и сложных эфиров, по недостаточно стойки в хлорированных и ароматических углеводородах. Паро- и газопроницаемость этих труб незначительны.

Трубы из полипропилена (ПП) при нормальной температуре обладают высокой химической стойкостью к действию сильных щелочей, минеральных кислот, соляных растворов, минеральных масел, но не устойчивы к воздействию азотной и серной кислот, сложных эфиров, кетонов и альдегидов, простых эфиров и ароматических углеводородов. Они обладают низкой паро- и газопроницаемостью. По сравнению с трубами из полиэтилена имеют преимущества: полное от. сутствие растрескивания под воздействием поверхностно-активных веществ, большую устойчивость к воздействию химических веществ при повышенных температурах.

Трубы из поливинилхлорида (ПВХ) при температуре до +40 °С устойчивы к воздействию влажных газов, за исключением хлора. При повышении температуры до 60 °С трубы из ПВХ по отношению к этим газам могут рассматриваться только как относительно стойкие.

Трубы из фторосодержащих полимеров предназначены для работы в наиболее агрессивных средах при высокой температуре, так как обладают высокой химической стойкостью, превышающей стойкость золота, платины и фарфора. Наиболее распространенным материалом для изготовления трубопроводов является фторопласт-4. На фторопласт-4 не действуют кислоты и щелочи любых концентраций, растворители и окислители, а действуют только расплавленные щелочные металлы и их комплексные соединения с аммиаком, а также трехфтористый хлор и элементарный фтор при повышенной температуре.

При определении пригодности труб из данного материала необходимо учитывать следующие факторы:
— состав транспортируемой и внешней химических сред и их концентрация;
— вид пластмасс, из которых изготовлены трубы и соединительные детали;
— внутреннее давление и внешние нагрузки; температуру транспортируемой и окружающих сред;
— длительность и периодичность контакта со средой; методы соединения труб и фасонных деталей; размеры труб и соединительных деталей. Окончательное заключение о пригодности и долговечности труб в интересующей среде может быть составлено на основе испытаний, проводимых в условиях, близких к натурным.

Ваш отзыв