Глава 1. Свойства труб из сшитого полиэтилена (PEX). 1.2. Свойства труб PEX.
Несмотря на то, что все полимерные трубы определяются общими техническими и эксплуатационными характеристиками, отдельные виды труб (ПЭ, ПП, ПВХ, ПЭКС и металлопластиковые) также имеют свои особенности. Выделим отличительные черты труб PEX. Свойства трубам PEX придает способ сшивки полиэтилена. Всего имеется три способа сшивания полиэтилена: химический способ пероксидом (РЕ-Хa), химический способ силоном (РЕ-Хb) и физический способ электронным облучением (РЕ-Хс). При этом для достижения одинакового качества процент сшивания пероксидом должен быть 70 %, силаном - 65 %, электронным способом - 60 %. Сшивание полиэтилена представляет собой процесс образования поперечных и продольных связей между длинными молекулами полимера под воздействием интенсивной бомбардировки электронами. При физической сшивке труба из полиэтилена облучается жесткими рентгеновскими лучами. Данный процесс очень производителен, его скорость составляет 80 м/мин. Однако сшивка материала неравномерна по толщине трубы. У наружной поверхности наблюдается самый большой процент сшивки молекул. У внутренней — самый низкий. Соответственно, и свойства в объеме полиэтилена различны. Средний процент сшивки составляет 78%. Полиэтилен получаемый в результате физической сшивки обозначать РEХ-C. Под воздействием ускоренных электронов и вторичного гамма-излучения происходит разрыв химических связей, образование свободных радикалов, которые рекомбинируют создавая поперечные связи между макромолекулами.
Производство труб по этому способу разделяется на две самостоятельные, стадии: изготовление труб на обычных трубных линиях и последующая обработка высокими энергиями, главным образом, на ускорителях электронов. Производство труб малых диаметров и соответственно толщин стенок не вызывает технологических трудностей, не снимая при этом проблемы технического, организационного и экономического характера, связанные с создание и эксплуатацией оборудования радиационной сшивки. Увеличение толщины стенок свыше 3-4 мм требует принятия специальных мер. Трубные марки полиэтилена высокой плотности для достижения требуемой степени сшивки требуют облучение дозой порядка 15-20 Мрад. При этом поглощенная доза в 1 Мрад разогревает полиэтилен на 5О С. Избежать перегрева возможно двумя путями: - осуществить многократный прогон трубы через ускоритель, что требует дополнительные затраты на оборудование и снижает производительность процесса; - использовать композиции полиэтилена, содержащие сенсибилизирующие добавки, снижающие требуемую дозу облучение до 10 Мрад, что в свою очередь существенно увеличивает стоимость исходного сырья. Для получения равномерной сшивки трубы, как по толщине, так и по периметру, ускоритель должен иметь специальные развертки пучков электронов. Для труб толщиной стенки 10 мм требуются ускорители с энергией 3 Мев, для 15 мм - 5 Мев при мощности порядка 50-100 квт. Стоимость таких ускорителей достигает 1,5 - 2 млн. долларов США. Нельзя также забывать о необходимости создания дорогостоящей защиты ускорителя от проникающей радиации. При химической сшивке атомы водорода в молекулах полиэтилена замещаются под воздействием химических веществ. Одним из таких веществ является силан. Поэтому такую химическую сшивку называют силановой. Труба из полиэтилена на выходе из экструдера проходит через силановую ванну, процесс сшивки идет от двух поверхностей — наружной и внутренней вглубь стенки трубы. В этом случае у обеих поверхностей наблюдается высокий процент сшивки, а в середине толщины трубы самый маленький.
Средний процент сшивки составляет приблизительно 75%. Такой материал принято обозначать РEХ-B. Сшивание молекул полиэтилена происходит путем прививки к полиэтилену групп силанольных соединений и последующей обработки водой с образованием силаксановых связей. Существуют два способа производства силанольно сшитых труб: - двух стадийный способ, при котором на первой стадии осуществляется прививка к полиэтилену силанольных соединений (осуществляется на предприятиях, производящих полиэтилен), а на второй стадии, представляющую обычную экструзии, в этот полиэтилен вводится катализатор сшивки; - при одностадийном способе (модификации которого незначительно отличаются друг от друга) в экструдер подаются сразу полиэтилен, силан, активатор прививки и катализатор сшивки. В обоих случаях для производства труб используются стандартных трубные линии на базе одношнековых экструдеров. После экструзии, при которой степень сшивки составляет не более 15%, необходимо производить дополнительную обработку водой при повышенной температуре для достижения степени сшивки, предписанной стандартом. При этом необходимо иметь в виду, что этот процесс достаточно длительный, например, для труб с толщиной стенки 10 мм при температуре 80О С время обработки составляет порядка 12 суток. Второй способ химической сшивки — сшивка азотными радикалами. Полиэтилен, сшитый этим способом, обозначается РEХ-D. Этот способ сейчас практически не применяется из-за низкой технологичности. Третий способ химической сшивки — сшивка пероксидами. Особенности этого способа в том, что полиэтилен и инициатор сшивки — пероксид — предварительно равномерно перемешиваются. Сшивка производится под высоким давлением в расплавленном состоянии. При таком способе достигается высокий процент сшивки равный в среднем 85%. При этом свойства материала одинаковы в каждой точке материала независимо от толщины. Данный полиэтилен принято обозначать РEХ-A. Образование поперечных связей происходит за счет возникновения активных радикалов под воздействием перекиси, вводимой в полиэтилен на стадии приготовления композиции. Применяются два способа производства труб: - со сшивкой полиэтилена в процессе экструзии при течении полимера в формующем инструменте; - со сшивкой полиэтилена после экструзии под воздействием инфракрасного излучения с длинами волн, избирательно воздействующими на перекись и вызывающими ее активацию без существенного нагрева и размягчения полиэтилена.
В обоих случаях для производства используются трубная линия со стандартным набором агрегатов, Отличие заключается в том, что в первом случае используется поршневой экструдер с удлиненным формующим инструментом, а во втором обычный шнековый экструдер, после которого устанавливается нагревательная печь. Изготовленные подобным способом трубы обладают следующими характеристиками. Проанализируем отдельно сравнительные достоинства и недостатки различных видов труб PEX. Положительные стороны производства и применения РЕХ-а: - более надежное достижение равномерности сшивки;
- более высокая степень сшивки (более 80%), РЕХ-с обычно не намного превышает 60%;
- значительно более высокая гибкость, по сравнению с другими видами РЕХ, особенно для труб диаметрами 63-160 мм с большими толщинами стенок;
- относительно низкая стоимость исходного сырья (по сравнению с РЕХ-в);
- наиболее дешевое и простое технологическое оборудование;
- максимальный опыт использования труб (метод сшивки Энгеля был исторически первым, осуществленным более 30 лет назад, а трубы имеют практически подтвержденный срок службы более 25 лет);
- все европейские компании производящие предварительно изолированные трубы для внешних систем ГВС и отопления (UPONOR-WIRSBO, REHAU, BRUGG) используют исключительно РЕХ-а.
Недостатки РЕХ-а носят исключительно технологический характер: - низкая производительность;
- необходимость освоение KNOW-HOW, в первую очередь, связанная со сложным ручным процессом обработки формующего инструмента.
Положительные стороны РЕХ-в. · высокая скорость изготовления труб на этапе экструзии; · стандартные технологические трубные линии, используемые в производстве; · возможность достижения повышенных физико-механических свойств трубы на новых видах материалов (TUX-100). Недостатки РЕХ-в. - высокая стоимость сырья (вдвое больше РЕХ-а);
- необходимость дополнительного производственного этапа - сшивания труб под воздействием повышенных температур и влаги;
- проблемы при сшивании труб большой толщины (время, равномерность);
- самая низкая гибкость трубы (высокая плотность) - обратная сторона высоких физико-механических показателей;
- гигиенические свойства труб в результате использования силанольных добавок - под вопросом.
Положительные стороны РЕХ-с. - высокая производительность первого этапа производства (экструзия труб);
- стандартные технологические линии, используемые на первом этапе производства;
- невысокая стоимость сырья при процессе без использования сенсибилизирующих добавок.
Недостатки РЕХ-с. - низкая степень сшивки;
- необходимость дополнительного капиталоемкого и ответственного производственного этапа - сшивания трубы облучением;
- проблемы при сшивании труб большой толщины (время, равномерность);
- капитальные вложения эффективны только при очень большой производственной программе.
Глава 2. Технология производства полимерных труб. Трубы разного диаметра и с различной толщиной стенки (0,1-50 мм) производятся по принципиально сходным технологиям, отличающимся лишь устройством и размером отдельных блоков. Гранулированный полимерный материал пневмозагрузчиком подается в бункер экструдера, где нагревается, пластифицируется и в виде расплава под давлением подается в прямоточную головку, из которой отформованная труба поступает в калибратор и далее в охлаждающую ванну. Для отвода трубы используется тянущее устройство, захватывающие элементы которого соответствуют профилю изделия. Толщина стенки трубы и правильность ее геометрической формы контролируются бесконтактным измерительным устройством. Трубы с диаметром более 50 мм нарезаются на отрезки дисковой пилой перемещающейся вдоль трубы со скоростью ее отвода, и укладываются манипулятором в штабеля. Трубы диаметром менее 50 мм наматываются в бухты тянуще-намоточным устройством. В качестве формующих головок используют прямоточные кольцевые (трубные) головки, реже – угловые и Z-образные. Конструктивное оформление трубных головок весьма разнообразно. Оно зависит от соотношения диаметра шнека экструдера и полимерной трубы, от толщины ее стенки, вида и свойств перерабатываемых термопластов. Как правило, трубы калибруют по их наружному диаметру, поскольку это важно для стыкования и соединения при дальнейшем использовании. Тонкостенные шланги и капилляры калибруют также и по внутреннему размеру. Калибровка по наружному диаметру осуществляется раздуванием трубы либо сжатым воздухом, подаваемым внутрь через отверстия в дорне, либо созданием вакуума между калибрующей втулкой и трубой. В первом случае внутри трубы необходимо размещать пробку, прикрепленную к дорну тросом, во втором – усложнить устройство калибратора для чередования по длине калибрующей втулки участков охлаждения и вакуумирования. Раздувание сжатым воздухом позволяет создавать внутри трубы высокое давление. Этот способ калибровки используют для производства труб диаметром более 100 мм и толщиной стенки более 5 мм. При этом, применение пробки может ухудшить качество внутренней поверхности трубы и увеличивает силу ее трения при калибровке. Вакуумная калибровка исключает появление дефектов на внутренней поверхности трубы, но в силу того, что предельное значение раздува не превышает 0,05 МПа, ее используют для тонкостенных шлангов и реже - труб. Устройство для вакуумного калибрования по наружному диаметру располагается непосредственно у трубной головки и состоит из калибрующей насадки с рубашкой и вакуумной линии. Рубашка состоит из двух секций, в которые подается охлаждающая вода. Центральная камера соединяется с вакуум-насосом, и в полости создается разрежение. Благодаря наличию отверстий в калибрующей насадке над трубой создается разрежение, внутреннее давление распирает трубу и прижимает ее к внутренней поверхности калибрующей насадки. Устройство для калибрования трубы по внутреннему диаметру представляет собой охлаждаемый калибрующий сердечник, который крепится к дорну головки. Сердечник охлаждается водой, поступающей в него по трубке через каналы, имеющиеся в дорне трубной фильеры. Выходящая из головки экструдера цилиндрическая заготовка натягивается на калибрующий сердечник усилием, создаваемым тянущим приспособлением. Внутренним калиброванием можно получать трубы квадратного, треугольного, овального или другого сечения. При калибровании изделий следует избегать быстрого охлаждения , чтобы свести к минимуму остаточные напряжения и неравномерность усадки, нередко являющиеся причиной образования микротрещин. Отсюда проистекает необходимость согласования толщины стенки трубы, скорости ее отвода от головки, длины калибрующей втулки и теплофизических свойств перерабатываемого полимера (теплопроводность, температуропроводность). Движение при калибровке сопровождается трением скольжения изделия по поверхности калибрующей втулки. Если возникающая при этом сила трения избыточна – это может привести к разрыву трубы или уменьшению толщины ее стенки. Во избежание данной проблемы необходимо учитывать значение коэффициента трения различных полимерных материалов в функции температуры поверхности скольжения. Обычно оборудование для производства труб комплектуется калибрующими устройствами с конструктивно заданными и неизменными размерами. Следовательно, задача технолога состоит в оценке требуемого времени (длительности) калибрования и согласования с ним скорости отвода изделия. Охлаждение труб необходимо им для придания окончательной твердости и прочности, достаточной для противодействия усилиям, возникающим при последующей операции – протяжке гусеничным устройством. В отечественном производстве чаще других используют охлаждение в ванне с проточной холодной водой. Длина ванны и кратность обмена воды определяются с учетом толщины стенки изделия (скорость отвода определена заранее). В конструкции ванны могут предусматриваться устройства, поддерживающие трубу от провисания или от всплывания. Тонкостенные трубы охлаждают также обдуванием воздухом. В этом случае необходимо контролировать равномерность обдува по периметру изделия. Охлаждающие ванны делают сварными из коррозионно-стойкой стали. На торцах ванн имеются отверстия со сменными резиновыми манжетами. Диаметр отверстия в манжете должен быть несколько меньше наружного диаметра экструдируемой трубы. Внутри ванны устанавливают поддерживающие ролики из пластмассы или алюминия, удерживающие охлаждаемую трубу под водой. Ванну обычно устанавливают на роликах, позволяющих перемещать ее по укрепленным в полу направляющим. Для равномерного охлаждения трубы ванны снабжают автоматическими регуляторами температуры и системами дозирования подачи охлаждающей воды. Тянущее устройство предназначено для отвода изделия от формующей головки и перемещения его через охлаждающую ванну. Наиболее часто применяются устройства гусеничного типа. В зависимости от диаметра трубы, толщины ее стенки, конфигурации поперечного сечения тянущие элементы могут представлять собой бесконечный ремень с эластичными накладками или роликовые цепи с траками, повторяющими контур изделия. Тянущее устройство должно комплектоваться приводом с плавной регулировкой и прибором для оценки линейной скорости отводимого изделия. Последнее особенно важно, во-первых, из-за того, что позволяет компенсировать разбухание экструдера, а, во-вторых, от отношения скорости отвода изделия к скорости выдавливания экструдера зависит так называемая степень вытяжки трубы и ее свойства в продольном и поперечном направлениях. Таким образом, регулированием скорости отвода, т.е. скорости движения тяговых элементов тянущего устройства, можно существенно влиять на характеристики получаемых труб. Резка труб осуществляется пилами различной конструкции (циркулярной, ленточной). В процессе резки пила перемещается вместе с трубой и после завершения цикла возвращается в исходное положение. Автоматическая система контроля работы линии состоит из микропроцессора, блока памяти, пульта управления, на котором располагаются мнемосхемы и клавиатура для ввода технологической информации; дисплея, на экран которого можно вызвать сведения о фактических и заданных значениях технологических параметров в любой точке технологического процесса; печатающего устройства, которое регулярно предоставляет информацию о работе агрегата; банка технологических данных; устройства для ввода программ (считывающего устройства). Подобная система рассчитана на сбор информации, поступающей от 15‑20 термопар (о значениях температуры в зонах корпуса, головки, температуры расплава, воды в калибрующем устройстве и охлаждающих ваннах); информации о двух значениях давления расплава (перед фильтром и за ним); о двух-трех значениях частоты вращения (шнека экструдера, тянущего устройства); о толщине стенки, диаметре трубы, давлении масла в системе смазки. Кроме того, машина снабжается стандартным набором аппаратуры тепловой автоматики и управления приводом. Глава 3. Рынок сырья для производства труб PEX. Таблица 3.1 Характеристики марок полиэтилена для сшивки производства компании Basell. Источник: по данным открытых источников информации Таблица 3.2 Перечень и технические характеристики трубных марок силанольно-сшиваемого полиэтилена компании Solvay. | Продукт | Область применения | Плотность, г/см3 | ПТР.1 @190°C, 5кг, г/10' | Степень сшивки, % | Прочность при растяжении, МПа | Удлинение при разрыве, % | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | Источник: по данным открытых источников информации | 
