Выбор перспективного полиэтилена марки ПЭ-100 и направления его переработки

В настоящее время основным направлением расширения ассортимента полимерных материалов является разработка методов модифицирования полимеров на различных стадиях их получения и переработки. Полиэтилен (ПЭ) высокой плотности, являясь одним из основных материалов для изготовления трубопроводов различного назначения, занимает и одно из ведущих мест среди термопластов по разнообразию получаемых на его основе материалов [1].

ПЭ100 обладает хорошими технологическими свойствами. Считается, что, несмотря на высокую вязкость расплава (ПТР находится в диапазоне 0,2–0,5 г/10 мин.), наличие в расплаве более низкомолекулярной фракции играет роль смазки и облегчает экструзию полимера. Производство труб не вызывает особых проблем и не предъявляет дополнительных требований к современному оборудованию [2–3].

Одним из возможных способов повышения механической прочности, трещиностойкости и ударной вязкости полимерных материалов является их модификация углеродными волокнами. Благодаря уникальным прочностным свойствам волокнистые наполнители используются для комплексного улучшения физико-механических свойств композиционных конструкционных материалов.

Выбор углеродного волокна для армирования трубных марок полиэтилена представляется перспективным, так как именно в этих изделиях желательно проявление анизотропных свойств, когда в продольном сечении необходима повышенная гибкость, а в поперечном — высокая прочность материала. Однако следует учитывать, что механизм действия на полимерную матрицу в первую очередь будет определяться химической природой волокна [4, 5].

В настоящее время существует необходимость повышения надежности, безопасности и эффективности эксплуатации техники и трубопроводов нефтегазового комплекса. Особенно остро данная проблема стоит в регионах Российского Севера, для которого характерны экстремальные климатические условия.

Кроме того, возможность использования анизотропных свойств этих материалов открывает совершенно новое поле деятельности для проектировщиков. Так, по-видимому, проявление анизотропных свойств будет перспективным при создании полиэтиленовых трубопроводов, когда в продольном сечении необходима повышенная гибкость, а в поперечном — высокая прочность материала.

В качестве полимерной матрицы выбран трубный полиэтилен марки ПЭ100 следующих производителей:

1)                 марка ПЭ2НТ11–9, производства ОАО «Казаньоргсинтез» (Россия);

2)                 марка PE 6949C black (486H3), производства ОАО «Нижнекамскнефтехим» (Россия);

3)                 марка PE 6949C (486H3), производства ОАО «Нижнекамскнефтехим» (Россия);

4)                 LH4100BL производства «Daelim Industrial Co., Ltd» (Корея);

5)                 H1000PC, производства «SCG Plastics Co. Ltd» (Тайвань).

Физико-механические характеристики композитов исследовали на универсальной разрывной машине UTS-2 согласно ГОСТ 11262–80. Температуру плавления и степень кристалличности исследовали методом дифференциальной сканирующей калориметрии на приборе F1 Phoenix фирмы NETZSCH.

Основной задачей при выборе оптимальных технологических режимов переработки является изучение влияния наполнителей на реологические характеристики ПКМ.

Смешение ингредиентов проводили на стандартном смесительном оборудовании в пластикордере «Brabender» в при температуре 170°С с общим временем 10 мин. Для более точного выбора значений вязкости, напряжений сдвига и других данных, необходимых для расчета оборудования, пользуются экспериментальными кривыми, полученными для отдельных марок полиэтилена в определенных условиях переработки. Быстрее всех в расплав переходит H1000PC⁵(Тайвань). ПЭ 100 обладают хорошими технологическими свойствами. Считается, что, несмотря на высокую вязкость расплава (ПТР находится в диапазоне 0,2–0,5 г/10 мин.), наличие в расплаве более низкомолекулярной фракции играет роль смазки и облегчает смешение полимеров.

Исследование степени кристалличности полученных материалов осуществлялось методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) на приборе F1 Phoenix фирмы NETZSCH.

Известно, что ПЭ 100 характеризуются высокой кратковременной прочностью и высокой стойкостью к растрескиванию. Бимодальное молекулярно-массовое распределение достигается за счет целенаправленного ведения технологического процесса (чаще всего по двухреакторной схеме). При этом получают две ярко выраженных группы макромолекул — длинноцепных и короткоцепных. Сомономер вводится в высокомолекулярную часть полимера, что обеспечивает высокую стойкость полиэтилена к растрескиванию. Низкомолекулярная часть полимера образует кристаллические области, за счет которых повышается прочность, длительная и кратковременная.

Более высокая степень кристалличности обнаружена у ПЭВП марок H1000PC производства «SCG Plastics Co. Ltd» (Тайвань), LH4100BL производства «Daelim Industrial Co., Ltd» (Корея) и ПЭ2НТ11–9 (ОАО «Казаньоргсинтез»). Следует отметить, что среди пяти исследованных образцов полимеров H1000PC имеет наиболее большое значение степени кристалличности. С одной стороны, это хорошо, поскольку присутствует в явном виде сочетание прочностных свойств и перерабатываемости, с другой стороны, при переработке возможны на поверхности образцов образование «бугров», что может быть связано с протеканием реакций структурирования (разветвленность и сшивка) в высокомолекулярной части полимера.

Основной причиной, вызывающей различия в свойствах ПЭ, является разветвленность макромолекул: чем больше разветвлений в цепи, тем выше эластичность и меньше кристалличность полимера. Paзветвления затрудняют более плотную упаковку макромолекул и препятствуют достижению степени кристалличности 100 %; наряду с кристаллической фазой всегда имеется аморфная, содержащая недостаточно упорядоченные участки макромолекул. Соотношение этих фаз зависит от способа получения ПЭ и условии его кристаллизации.

Установлено, что наиболее высокими значениями физико-механических свойств обладают ПЭ100 марок «Тайвань» и «НК белый». «НК черный» характеризуется низким значением предела текучести, однако, удлинение при разрыве достигает 1000 % и более. Промежуточное положение занимает ПЭ100 производства Казаньоргсинтез, его свойства близки к свойствам ПЭ80Б, применявшимся нами ранее.

Таким образом, физико-химический анализ качества полимерных материалов, включая теплофизические характеристики (степень кристалличности), исследования вязкости и реологии расплава позволит прогнозировать поведение материала в реальных условиях переработки или объяснить причину некоторых негативных эффектов, возникающих при изготовлении товарного продукта. ПЭ100, синтезированные различными производителями характеризуются различными показателями физико-механических свойств. Наиболее высокими показателями характеризуются ПЭ100 «Тайвань» и «НК белый», наиболее низкими ПЭ100 «НК черный» и ПЭ100 «Корея», свойства ПЭ100 «Казаньоргсинтез» близки к свойствам ПЭ80 «Корея».

Литература:

1.                  http://www.truba-da.ru/information/obzor-polietilenov-marok-pe63-pe80-pe100

2.                  http://www.simplexnn.ru/?id=6882

3.                  http://www.camelotplast.ru/info/polietilen-pe2nt11–9.php

4.                  Семенова (Петухова) Е. С., Саввинова М. Е., Соловьева С. В. Применение макроуглеродных волокон для модификации трубного полиэтилена ПЭ80Б // Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 13. Брянск: БГИТА, 2011. С. 94–97

5.                  Соколова М. Д., Шадринов Н.В, Давыдова М. Л., Сафронов А. Ф. Исследование межфазного взаимодействия в полимерэластомерных композициях методом атомно-силовой микроскопии // Электронный журнал «Инженерный Вестник Дона», 2010. № 4. http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/262