Разновидности пластиковых труб и их применение. Полиэтилен и его разновидности

В середине 1950-х годов открытие катализаторов Циглера позволило полимеризовать этиленовый газ при более низких давлениях, чтобы обеспечить линейный рост углерод-углеродной основной цепи и очень мало боковых ответвлений полиэтилена. Этот полимер мог кристаллизоваться путем свертывания цепей (кристаллитов) с образованием ПЭВП (ПНД, HDPE), который оказался значительно прочнее и тверже, чем ПЭНП (ПВД, LDPE). Полиэтилен высокой плотности был быстро разработан для производства труб, особенно компанией Hoechst в Германии. Он имел необходимую прочность, жесткость и химическую стойкость, мог подвергаться дополнительной обработке (диаметром вплоть до 180 мм) и поддавался соединению плавлением при нагревании.

Испытания под давлением и ускоренные испытания на старение, проведенные Hoechst и другими ранними поставщиками, показали, что трубы из HDPE могут рано выходить из строя из-за воздействия окружающей среды. Это стало ограничивающим фактором при попытке увеличить срок службы труб для наземного монтажа, который для таких продуктов должен составлять не менее 50 лет. В ранних экспериментальных исследованиях было отмечено, что полимеры с более высокой молекулярной массой, то есть с высокой вязкостью расплава и низкой скоростью течения расплава (MFR), должны быть предпочтительными для долговременной эксплуатации. Когда стало известно, что плохое поведение в условиях окружающей среды у HDPE было связано с медленным ростом трещин между большими кристаллитными участками, были найдены марки полиэтилена с альтернативными молекулярными структурами.

Так, в середине 1960-х годов DuPont и Phillips разработали сополимеры этилена с небольшими количествами высших олефинов, таких как гексен и октен. Они дали линейный полимер с углерод-углеродной цепью, который также имел несколько коротких боковых ответвлений, распределенных вдоль основной цепи. Наличие коротких ветвей служило для ограничения роста кристалличности, но, что более важно, длинные цепи включались и блокировались в несколько кристаллитов (связующих молекул), тем самым ингибируя образование трещин вдоль границ кристаллов. Такие полимеры дают отличную долговременную стойкость к условиям окружающей среды, но при этом ещё и достаточно хорошую механическую прочность. Благодаря своим гарантированным долгосрочным свойствам, MDPE получил широкое распространение для газовых труб, и с таким доступным качеством смолы, качество самих труб также постепенно улучшалось.

Полимер сверхвысокой молекулярной массы (UHMW-PE), разработанный в США компанией Phillips и в Европе компанией Hoechst, также продемонстрировал исключительно хорошие свойства, поскольку молекулярные переплетения ограничивали размер кристаллитов и стимулировали образование связующих молекул. Материал стал востребован для производства высококачественных прочных труб (в таких отраслях, как газовая промышленность) в США, но тем не менее, он ограничивается высокими требованиями к производительности в условиях агрессивных химических процессов, поэтому в Европе такие трубы особого распространения не получили.

Марки UHMW-PE трудно и медленно обрабатываются для производства труб, потому что обычные экструзионные процессы не справляются с чрезвычайно высокой вязкостью расплава. Необходимо использовать особые экструзионные технологии, что приводит к высоким затратам на экструзию труб. Следующее наиболее значительное развитие материалов на основе полиэтилена произошло в 1980-х годах, в ответ на требования газовой промышленности, и в частности требования British Gas по улучшению стойкости к быстрому распространению трещин в более крупных газовых трубах, работающих при более высоких давлениях. Компания Solvay разработала материал HDPE, который впервые имел высокую стойкость к быстрому распространению трещин, но сохранил стойкость к условиям окружающей среды, аналогичную маркам MDPE. Эта комбинация предпочтительных свойств была достигнута дальнейшими разработками технологических установок, которые могли бы дать бимодальное молекулярно-массовое распределение полимера.

Последовательный процесс полимеризации был разработан для получения реакторной смеси двух отдельных продуктов с молекулярной массой (бимодальных материалов). Изменения в реакторе позволили распределить боковые ветви преимущественно по фракции с более высокой молекулярной массой. Связующие молекулы оказывались на более длинных цепях, где они становились наиболее эффективными. Фракция с более низкой молекулярной массой с небольшим количеством боковых ответвлений может легко кристаллизоваться, что приводит к достаточной плотности для того, чтобы можно было использовать такие трубы в газопроводных системах. Комбинация обоих эффектов заметно улучшила сопротивление к быстрому распространению трещин. Следует отметить, что как бимодальные, так и оригинальные марки HDPE «первого поколения» имеются в продаже, но они предлагают совершенно разные характеристики.