Подписаться 
Запись вебинара о марках трубного полипропилена доступна по ссылке.
Типы трубного полипропилена
Выпускаемый в настоящее время трубный полипропилен можно разделить на четыре типа:
- PP-H (тип 1, полипропилен гомополимер);
- PP-B, или ICP (тип 2, полипропилен блоксополимер);
- PP-R (тип 3, полипропилен рандомсополимер);
- PP-RCT (тип 4, полипропилен рандомсополимер с модифицированной кристалличностью и термостойкостью).
Полипропиленовые трубы имеют множество применений, в частности их используют для напорного водоснабжения – как холодного, так и горячего. Различные типы полипропилена отличаются эксплуатационными характеристиками, которые наиболее ярко проявляются в способности в течение долгого времени выдерживать гидростатическую нагрузку (в том числе при высоких температурах) и в возможности использования при отрицательных температурах.
Проиллюстрировать сочетание этих свойств для различных типов полипропилена можно на примере максимальной расчетной серии труб (величина, обратная толщине стенки), использование которой допускается для заданного рабочего давления, и морозостойкости, зависящей от особенностей полимерной матрицы.
S’ (макс)* |
Морозостойкость |
|
|---|---|---|
PP-H |
2,0 |
+5°С** |
PP-B |
1,2 |
–30°С |
PP-R |
2,1 |
–10°С |
PP-RCT |
3,4 |
–10°С |
* 2 класс эксплуатации, рабочее давление 1,0 МПа
** Или –10°С для модификации с большим содержанием β-фазы
Чем выше значение максимальной расчетной серии, тем тоньше может быть стенка трубы, выполненной из конкретного материала, при заданном рабочем давлении. Как видно из таблицы выше, трубы из рандомсополимера различных модификаций имеют наиболее высокую способность выдерживать внутреннее давление, создаваемое транспортируемой средой, и при этом отличаются удовлетворительной морозостойкостью.
Разберем каждый тип полипропилена по отдельности, в порядке появления каждого типа.
Полипропилен гомополимер (PP-H)
Самый простой вид полипропилена – это гомополимер. PP-H имеет следующие характеристики:
- высокая жесткость;
- стойкость к повышенным температурам;
- низкая ударопрочность при отрицательных температурах.
Сочетание характеристик ПП-гомополимера позволяет ему достаточно широко применяться в водоснабжении, в первую очередь во внутридомовом (как следствие невысокой морозостойкости). Важно отметить, что данный недостаток можно скорректировать, подобрав рецептуру, за счет модификации структуры гомополимера нуклеирующими агентами, способствующими образованию β-фазы кристаллитов. Это обеспечивает улучшенные характеристики ударопрочности и морозостойкости. Также нуклеированный полипропилен приобретает определенный молочно-белый оттенок и повышенную матовость, что позволяет снизить количество вводимого красителя при производстве белых труб.
Кристаллические фазы PP-H
Полипропилен в условиях кристаллизации может образовывать 5 видов кристаллических структур: α, β, γ, δ и псевдогексагональное состояние. α-кристалл является наиболее распространенным и обладает лучшей термической стабильностью, β-кристалл является термодинамически метастабильным, образование β-кристалла кинетически невыгодно. Основными факторами итогового содержания β-кристаллов являются следующие: (1) тип и содержание зародышеобразователя; (2) параметры процессов обработки, такие как температура и скорость сдвига; (3) тип и марка полипропиленовых базовых смол. В настоящее время добавление зародышеобразователей β-кристаллов является наиболее эффективным способом получения высокого содержания β-кристаллической формы.
Полипропилен блоксополимер (PP-B, или ICP)
Следующий этап развития полипропилена – это блоксополимер PP-B, или ICP. Аббревиатура ICP широко используется в зарубежной литературе и расшифровывается как «Impact Copolymer» – ударопрочный сополимер полипропилена. Блоксополимер представляет собой матрицу гомополимера полипропилена, в которой распределены домены этилен-пропиленовой фракции. Подобная структура позволяет управлять свойствами блоксополимера в широких пределах за счет изменения соотношения и состава (а следовательно, свойств) входящих в него фракций.
PP-B имеет следующие отличительные характеристики:
- удовлетворительная жесткость;
- достаточно высокая стойкость к повышенным температурам;
- высокая ударопрочность, в том числе при отрицательных температурах.
Сочетание жесткости и ударопрочности позволяет широко использовать блоксополимер в безнапорных трубопроводах, прежде всего в дренажных и канализационных трубах. В этом растущем сегменте рынка PP-B соперничает с полиэтиленом, также обеспечивающим достаточную жесткость при даже более высоком уровне морозостойкости и ударопрочности. По сравнению с другими материалами (бетон, сталь и т. п.) полипропиленовые трубы имеют ряд преимуществ:
- химическая стойкость;
- малый вес (полипропилен отличается наименьшей плотностью среди всех используемых в этой сфере термопластов);
- хорошие гидравлические свойства (из-за гладкой поверхности и низкого коэффициента трения можно транспортировать взвеси и суспензии, на стенках труб не образуются обрастания);
- стойкость к истиранию (по сравнению с бетоном, керамикой и сталью полипропилен лучше выдерживает абразивные потоки сточных вод с обилием песка);
- гибкость (в отличие от бетона и керамики, полипропилен не разрушается при средних уровнях деформации).
При повышении модуля упругости PP-B выше 1700 МПа значительно увеличивается хрупкость материала при низких температурах. Такие марки труб тоже имеют свои сферы применения. Например, PP-B с высоким модулем упругости может использоваться в качестве внешнего слоя двухслойной дренажной трубы, что позволяет уменьшить толщину стенки трубы и тем самым снизить ее вес, что не только является более экономически эффективным, но и положительно влияет на экологический аспект использования полимерной продукции, снижая углеродный след при транспортировке и строительно-монтажных работах.
Возможности управления свойствами полипропилена блоксополимера
- Регулирование изотактичности (в основном за счет катализаторов): для улучшения свойств PP-B фракция гомополимера должна обладать высокой изотактичностью и обеспечивать модуль упругости порядка 1800–1900 МПа.
- Изменение молекулярно-массового распределения: помимо сочетания свойств данный параметр влияет на технологичность и скорость процесса производства труб (регулируется по-разному, например подачей водорода в реактор).
- Управление параметрами эластомерной фракции (количество, состав, свойства, распределение) – повышение ее содержания улучшает ударопрочность, но снижает жесткость. Изменения, касающиеся состава этой фракции, даже при одинаковом ее содержании в конечном материале значительно влияют на баланс свойств продукта.
- Использование добавок: нуклеаторов и так далее. Важно отметить, что в некоторых случаях эластомерная фракция может ингибировать действие нуклеаторов.
Полипропилен рандомсополимер (PP-R)
PP-R – это статистический сополимер пропилена с сомономером (С2, С4 … С8). Рандомсополимер был впервые получен в начале 1970-х в результате освоения технологии газофазной полимеризации.
Рандомсополимер – это матрица полипропилена, в которой случайным образом распределены звенья сомономера. В отличие от блоксополимера, образования отдельной фракции при этом не происходит. Это повышает прозрачность материалов из рандомсополимера.
Ключевая особенность структуры полимеров, которая дает им способность выдерживать длительные нагрузки, — это наличие так называемых проходных цепей. Кристаллиты, соединенные такими цепями, обеспечивают большую «связанность» структуры и большее сопротивление нагрузкам за счет механизма «вытаскивания» цепей макромолекул, зажатых соседними кристаллитами.
За счет наличия в составе сомономера кристалличность PP-R снижается, что способствует образованию кристаллитов меньшего размера и повышению плотности проходных цепей в сравнении с гомополимером или блоксополимером. Это значительно повышает прочность материала.
Также управлять свойствами материала можно на стадии синтеза, придавая полимерной матрице широкое молекулярно-массовое распределение и повышенное содержание высокомолекулярной фракции. Это приводит к образованию более длинных проходных цепей, что повышает стойкость к ползучести при воздействии нагрузки.
Рандомсополимер обладает сбалансированными характеристиками, в нем сочетаются преимущества гомополимера и блоксополимера, поэтому он наиболее часто применяется в качестве материала для напорных труб.
Три поколения рандомсополимеров
- Первое поколение PP-R отличалось узким молекулярно-массовым распределением, что приводило к низкой технологичности и относительно невысоким характеристикам.
- Второе поколение PP-R (бимодальное) позволило расширить молекулярно-массовое распределение и управлять реологическими свойствами, что улучшало технологичность материала и качество поверхности.
- Третье поколение PP-R (тримодальное, с нуклеацией на стадии синтеза) характеризуется отличным балансом упругости и жесткости, более высокой гомогенностью итоговой смеси и хорошим распределением мастербатча красителя. Нуклеация позволяет повысить температуру кристаллизации, ускоряя процесс экструзии труб или литья под давлением для получения фитингов.
Полипропилен рандомсополимер с модифицированной кристалличностью и термостойкостью (PP-RCT)
PP-RCT – новейшее поколение трубного полипропилена, которое появилось в начале 2000-х гг. Этот рандомсополимер отличается модифицированной кристалличностью, что обеспечивает повышенный уровень свойств, который позволяет изготавливать трубы с меньшей толщиной стенки.
Преимущества PP-RCT:
- повышенное рабочее давление при той же толщине стенки;
- более высокая гидравлическая мощность при том же наружном диаметре;
- снижение веса (с 14% до 25%) труб по сравнению с обычным PP-R за счет возможности снижения толщины стенки;
- повышенная скорость экструзии и снижение производственных затрат благодаря оптимизированным размерам труб;
- возможность специальных применений, например в магистралях большого диаметра для систем кондиционирования воздуха в высотных зданиях.
Как СИБУР разрабатывает новые марки трубного полипропилена и улучшает существующие
Несмотря на достаточно сбалансированный комплекс свойств рандомсополимера, традиционные методы испытаний зачастую не учитывают реальных нагрузок на трубы в фактических условиях эксплуатации труб. Например, в испытаниях используется деминерализованная вода, которая сильно отличается по составу от водопроводной. Согласно исследованиям применения труб из PP-R для горячего водоснабжения, несмотря на регламентированный срок службы трубы, составляющий 50 лет, существует риск сочетания неблагоприятных условий, вследствие которых под воздействием активных окислителей, растворенных в воде (растворенный кислород, соединения хлора), деградация полимерного материала может ускоряться, приводя к преждевременному выходу изделий из строя.
Стойкая к вымыванию антиоксидантов марка PP-R от СИБУРа
Сохранить свойства материала при эксплуатации помогает комплекс стабилизаторов, вводимый в полимер на стадии производства. Особенностью трубного рандомсополимера является то, что он эксплуатируется в среде воды, которая может вымывать стабилизаторы, тем самым сокращая срок эксплуатации труб. Решить данную проблему позволяет правильный выбор стабилизаторов, более стойких к вымыванию в горячей воде. «СИБУР ПолиЛаб» и НИОСТ разработали гидролитически стойкую рецептуру PP-R, позволяющую продлить срок эксплуатации труб, в том числе в условиях воздействия повышенных температур.
Таже в исследовательском центре «СИБУР ПолиЛаб» была разработана рецептура, обеспечивающая повышенную устойчивость к воздействию активных окислителей, в том числе ионов кислорода и хлора, растворенных в воде, негативно воздействующих на трубы в процессе их эксплуатации в горячей воде. Использование материала с подобной инновационной рецептурой стабилизации позволяет значительно повысить надежность и срок службы полипропиленовых труб.
Как испытывают трубные марки
Каждая трубная марка проходит этап длительных тестирований, которые в том числе моделируют процесс реальной эксплуатации: трубы, внутри которых находится жидкая среда под давлением, выдерживаются при заданной температуре для оценки времени до разрушения. Комплекс данных, получаемых при различных нагрузках и температурах, позволяет делать прогнозы на весь срок эксплуатации, который для труб из полимерных материалов составляет до 100 лет. К примеру, в «СИБУР ПолиЛаб» установлено пять ванн для проведения испытаний на стойкость к внутреннему давлению, в которые суммарно помещается более 100 образцов.
Заключение
Полипропиленовые трубы широко используются в различных сферах жизни, включая водоснабжение, канализацию, дренаж и многое другое. Мы кратко рассмотрели преимущества и недостатки различных типов трубного полипропилена, а также описали некоторые способы управления свойствами этих материалов.
Комментарии (0)