Сшитый полиэтилен что это такое

На сегодняшний день, к сожалению, маркетинговые ходы и рекламные уловки всё чаще влияют на различные технические решения и выбор в проект того или иного материала и оборудования. Всё чаще у проектировщиков вместо полноценного технического паспорта или каталога на оборудование на столе оказывается рекламные буклеты и брошюры, по которым он и производит подбор. То, что недопустимо писать в серьёзной технической литературе, перекочевывает на страницы таких буклетов. Зачастую маркетологи присваивают своему товару завышенные или вовсе несуществующие показатели, вводя инженеров в заблуждение. Как правило, незаурядные технические особенности оборудования в буклетах представляются как неоспоримые преимущества. И наоборот, любая техническая информация о конкурентной продукции представляется в виде существенных и неисправимых недостатков.

Все эти факторы в конечном cчете приводят к неверному выбору материалов и оборудования, что в итоге может привести к аварийной ситуации. Вина в этом случае ложится на плечи инженера-проектировщика, так как у любого производителя наряду с красочной рекламой, триумфально описывающей все прелести товара, имеются либо сноски мелким шрифтом, либо тщательно скрываемый от людского глаза технический паспорт с реальными данными. Чаще всего в рекламных брошюрах приводится информация, не противоречащая паспортным данным, но преподнесенная таким образом, что у людей создается ложное представление о реальных технических особенностях товара. Например, фразы «труба выдерживает температуру 95 ºС и давление 10 бар» и «труба выдерживает температуру теплоносителя 95 ºС при его давлении 10 бар в течение 50 лет» кардинально отличаются друг от друга. В первом случае загадана загадка: труба способна выдержать 95 ºС температуру теплоносителя и 10 бар одновременно, либо это две критические точки применения данной трубы? А самое главное – отсутствует временной показатель, то есть неизвестно, в течение какого времени трубопровод выдерживает данные параметры – пять минут, час или 50 лет?

В этой статье приведены основные маркетинговые уловки и мифы, распространяемые производителями труб из сшитого полиэтилена (PEX).

1-я группа мифов – о превосходстве одного способа сшивки над другим

Практически любой производитель труб из PEX утверждает, что именно способ сшивки их труб самый лучший, а прочие никуда не годятся. Только полиэтилен, сшитый по их методике, будет обладать повышенными прочностными характеристиками и показателями надёжности.

Для начала хотелось бы напомнить некоторые сведения о сшивке полиэтилена. Под сшивкой подразумевается создание пространственной решётки в полиэтилене высокой плотности за счёт образования объёмных поперечных связей между макромолекулами полимера. Относительное количество образующихся поперечных связей в единице объёма полиэтилена определяется показателем «степени сшивки». Степень сшивки – это отношение массы полиэтилена, охваченного трёхмерными связями к общей массе полиэтилена. Всего известно четыре промышленных способа сшивки полиэтилена, в зависимости от которых сшитый полиэтилен индексируется соответствующей литерой.

Таблица 1. Виды сшивки полиэтилена

Минимальная степень сшивки рабочего слоя

Вид способа по методу воздействия

Сшивка органическими пероксидами или гидропероксидами

Сшивка органическими силанидами (силанами)

Сшивка потоком элементарных частиц

Пероксидная сшивка (метод «a»)

Метод «a» является химическим способом сшивки полиэтилена при помощи органических пероксидов и гидропероксидов.

Органические пероксиды представляют из себя производные перекиси водорода (HOOH), в которых один или два атома водорода заменены органическими радикалами (HOOR или ROOR). Самый популярный пероксид, применяемый при производстве труб – dimethyl-2.5-di-(bytylperoxy)hexane. Пероксиды относятся к особо опасным веществам. Их получение – технологически сложный и дорогостоящий процесс.

Для получения PEX по методу «а» полиэтилен перед экструдированием расплавляется вместе с антиокислителями и пероксидами (процесс Томаса Энгеля), рис. 1.1. С повышением температуры до 180–220 ºС пероксид разлагается, образуя свободные радикалы (молекулы со свободной связью), рис. 1.2. Радикалы пероксидов забирают у атомов полиэтилена по одному атому водорода, что приводит к образованию свободной связи у атома углерода (рис. 1.3). В соседних макромолекулах полиэтилена атомы углерода, имеющие свободные связи, объединяются (рис. 1.4). Количество межмолекулярных связей составляет 2–3 на 1000 атомов углерода. Процесс требует жесткого контроля за температурным режимом в процессе экструзии, когда происходит предварительная сшивка, и в ходе дальнейшего нагревания трубы.

Метод «а» самый дорогой. Он гарантирует полный объёмный охват массы материала воздействием пероксидов, так как они добавляются в исходный расплав. Однако этот метод требует того, чтобы сшивка была не ниже 75 % (по российским нормам – не ниже 70 %), что делает трубы из данного материала более жёсткими по сравнению с другими способами сшивки.

Метод «b» является химическим способом сшивки полиэтилена при помощи органосиланидов. Органосиланиды представляют соединения кремния с органическими радикалами. Силаниды – ядовитые вещества.

В настоящее время для производства PEX-труб по методу «b» в основном используется винилтриметаксилоксан (H2C=CH)Si(OR)3 (рис. 2.1). При нагревании связи винильной группы разрушаются, превращая его молекулы в активные радикалы (рис. 2.2). Эти радикалы замещают атом водорода в макромолекулах полиэтилена (рис. 2.3). Затем полиэтилен обрабатывают водой либо водяным паром, органические радикалы при этом присоединяют молекулу водорода из воды и образуют стабильную гидроокись (органический спирт). Соседние радикалы полимера замыкаются через связь Si-O, формируя пространственную решётку (рис. 2.4). Вытеснение воды из PEX ускоряется при помощи оловянного катализатора. Процесс окончательной сшивки происходит уже в твёрдой стадии изделия.

Радиационная сшивка (метод «c»)

Метод «c» заключается в воздействии на группу C-H потоком заряженных частиц (рис. 3.1). Это может быть поток электронов или гамма-лучей. При таком воздействии часть связей C-H разрушается. Атомы углерода соседних макромолекул, у которых был выбит атом водорода, объединяются друг с другом (рис. 3.3). Облучение полиэтилена потоком частиц происходит уже после его формования, то есть в твёрдом состоянии. К недостаткам данного метода можно отнести неизбежную неравномерность сшивки.

Невозможно расположить электрод так, чтобы он был равноудалён ото всех участков облучаемого изделия. Поэтому полученная труба будет иметь неравномерную сшивку по длине и по толщине.

В качестве источника облучения чаще всего используется циклический ускоритель электронов (бетатрон), который относительно безопасен как в производстве, так и в применении готовой трубы.

Несмотря на это во многих европейских странах производство труб сшитых методом «с» запрещено.

Для удешевления процесса сшивки иногда используют в качестве источника излучения радиоактивный кобальт (Co60). Данный метод безусловно дешевле, так как труба просто помещается в камеру с кобальтом, однако безопасность использования таких труб весьма сомнительна.

Заблуждение № 1: «Сшивка перекидным способом (PEX-a) по прочности получаемого материала лучше прочих, потому что регламентированная минимальная степень сшивки для данного метода больше, нежели для остальных метолов. А чем больше степень сшивки PEX, тем прочнее материал»

Действительно, ГОСТ Р 52134 регламентирует различную минимальную допустимую степень сшивки труб из PEX для разных способов изготовления (табл. 1), и правда то, что при увеличении степени сшивки увеличивается прочность труб.

Однако сравнивать степени сшивки PEX-a, PEX-b и PEX-c недопустимо, так как образованные в результате сшивки молекулярные связи данных материалов имеют различную прочность, а следовательно даже сшитые до одной и той же степени данные виды полиэтилена будут иметь различную прочность. Энергия связи типа С-С, которая образуется в полиэтилене, сшитом методом «a» и «c» составляет порядка 630 Дж/моль, в то время как энергия связи типа Si-C, которая образуется в полиэтилене, сшитом методом «b» составляет 780 Дж/моль. На физико-химические и технические свойства влияет и взаимодействие макромолекул за счет водородных связей, возникающих в полимере вследствие наличия полярных групп и активных атомов, а также образование ассоциатов в результате взаимодействия самих поперечных связей. Это в первую очередь характерно для силанольносшитого полимера, где имеется большое число силанольных групп, способных образовывать дополнительные узлы зацепления в аморфных областях, повышающие плотность структурной сетки (которая на 30 % больше, чем при пероксидом, и в 2,5 раза – чем при радиационном сшивании) и уменьшающие деформируемость при высоких температурах.

Читайте также:  Слив воды с крыши на даче

Стендовые испытания труб из сшитых полиэтиленов показывают некоторое прочностное преимущество силановой сшивки. Так, при температуре испытания 90 °C для труб диаметром 25 мм и длиной 400 мм давление разрушения труб из РЕХ-а, PEX-b и РЕХ-с составило соответственно 1,72, 2,28 и 1,55 МПа (В.С. Осипчик, Е.Д. Лебедева, «Сравнительный анализ эксплуатационных свойств сшитых различными методами полиолефинов и улучшение физико-химических характеристик силанольносшитого полиэтилена», 24 мая 2011 г.).

Таким образом, заявления о том, что PEX-a является самым прочным материалом из-за большей степени сшивки, не соответствуют действительности. Данный фактор является скорее недостатком, нежели достоинством этого метода сшивки.

Метод сшивки – это не самый важный показатель трубы при её выборе. В первую очередь следует убедиться, что полиэтилен, из которого сделана труба, действительно сшит. Некоторые производители недосшивают или вовсе не сшивают трубу, при этом указывают на ней те же характеристики что и на качественные PEX трубы.

Например, в мае 2013 г. на территории Украины были выведены из оборота трубы фирмы GROSS. Под этой маркой распространялись трубы из сшитого полиэтилена, на самих трубах была маркировка PEX (рис. 4), но по факту эти трубы состояли из обычного несшитого полиэтилена, стоит ли говорить об их эксплуатационных характеристиках? Есть несложный способ определить, что перед вами – сшитый полиэтилен или подделка из обычного полиэтилена. Для этого кусочек трубы нужно нагреть до температуры 150–180 ºС, обычный полиэтилен при такой температуре теряет свою форму, а сшитый за счёт межмолекулярных связей сохраняет свою форму даже при таких высоких температурах (рис. 5).

Рис. 4. Маркировка на трубе Gross

Рис. 5. Трубы Gross (образец 7) и VALTEC PEX-EVOH (образец 6) поле прогрева в печи в течение 30 мин при температуре 180 ºС

Заблуждение № 2: «Только полиэтилен, сшитый по методу «a», обладает свойствами температурной памяти, полиэтилены сшитые другими способами данным свойством не обладают».

Что в данном случае подразумевается под «эффектом температурной памяти»? Суть данного эффекта заключается в том, что предварительно деформированная труба после прогрева восстанавливает свою исходную форму, которую она имела до деформации. Это свойство проявляется из-за того, что при изгибе и деформации молекулярно-связанные участки сжимаются или растягиваются, при этом накапливая внутреннее напряжение. После прогрева в местах деформации упругость материала снижается. Внутренние напряжения, накопленные в процессе деформации, создают в толще «размягшего» материала усилия, направленные в сторону исходной формы трубы. Под воздействием этих усилий трубы стремится восстановиться.

Рис. 6.1. Излом трубы VALTEC PEXEVOH (способ сшивки – PEX-b) и ее восстановление после прогрева до 100 °С

Рис. 6.2. Излом трубы из PEX-а с антидиффузионным слоем и ее восстановление после прогрева до 100 °С

Рис. 6.3. Излом трубы из PEXc без антидиффузионного слоя и ее восстановление после прогрева до 100 °С (неокрашенный сшитый полиэтилен при высоких температурах становиться прозрачным)

На рисунках 6.16.3 показано восстановление труб с различными способами сшивки после залома. При всех способах сшивки трубы восстановили свою первоначальную форму. На трубах, покрытых антидиффузионным слоем, после восстановления образовались складки. В этих местах антидиффузионный слой отслоился от слоя PEX. Это не влияет на характеристики трубы, так как рабочим слоем является слой PEX, который полностью восстановился.

Эффект памяти присущ любому сшитому полиэтилену. Отличие PEX-a в технике восстановления заключается лишь в том, что PEX-a сшивается во время экструзии, и первоначальная форма, которую стремится вернуть трубопровод, – прямая. PEX-b и PEX-с, как правило, сшиваются уже после формирования в бухты, и, соответственно, форма, к которой будут стремиться трубопроводы, – круг с радиусом, равным радиусу бухты.

Заблуждение № 3: «Сшивка методом «b» не обеспечивает требуемую гигиеничность труб, так как силаниды, применяемые при производстве данных труб, токсичны».

Действительно, кремневодороды (SiH4 – Si8H18), применяемые для получения PEX-b, крайне ядовиты. Однако кремневодороды для сшивки полиэтилена применяют только в кабельной промышленности. Для производства труб используется органосиланиды, которые тоже ядовиты, но их отличительной особенностью является то, что при сшивке они либо полностью переходят в химически связанное состояние, либо превращаются в химически нейтральный органический спирт, который вымывается при гидратации трубопроводов. На сегодняшний день самым распространённым реагентом для сшивки полиэтилена методом «b» является винилтриметаксилан (упрощенная формула: С2Н4Si (OR)3).

Основным показателем безопасности трубопровода и фитингов является гигиенический сертификат. Только трубы и фитинги, на которые есть данный сертификат, допустимы к установке в системах питьевого водоснабжения.

Заблуждение № 4: «Только у труб PEX-a степень сшивки равномерна по всему сечению, в то время как у других труб сшивка не равномерна».

Основным преимуществом сшивки методом «а» является то, что пероксиды добавляются в расплавленный полиэтилен до его экструзии в трубу, и сшивка трубы при должном внимании к температурам и дозировкам пероксидов будет равномерна.

Когда трубопроводы из сшитого полиэтилена массово не применялись, у сшивок методом «b» и «c» действительно существовал недостаток, заключающийся в неравномерности сшивки по длине и ширине трубопровода. Однако, когда объём производства труб достиг нескольких километров в неделю, возник вопрос о повышении качества и автоматизации данных видов сшивки. Силановым методом можно равномерно сшить трубопровод, подобрав правильную дозировку реактивов, точно поддерживая температурные и временные параметры обработки трубы, а также используя катализаторы (олово).

К тому же современный метод ввода силана отличается от первоначального, если раньше силан добавлялся в расплав полиэтилена при экструзии (метод В-SIOPLAST), то сейчас, как правило, силан предварительно смешивается с пероксидом и некоторым количеством полиэтилена и только потом добавляется в экструдер (метод В-MONOSIL).

Заводы, производящие большие объёмы труб, давно методом проб и ошибок вышли на идеальную технологию сшивки, а автоматизация производства позволила получать трубы со стабильными характеристиками. Таким образом, проблема неравномерной сшивки трубопровода остаётся только у мелких, неавтоматизированных производств.

Заблуждение № 5: «PERT является одним из видов сшитого полиэтилена, и не уступает ему по характеристикам».

Термостойкий полиэтилен PERT является сравнительно новым материалом, применяемым для производства труб. В отличие от обычного полиэтилена, у которого в качестве сополимера используется бутен, в PERT сополимером является октен (октилен С8H16). Молекула октена имеет протяжённую и разветвленную пространственную структуру. Образуя боковые ветви основного полимера, сополимер создаёт вокруг главной цепи область взаимопереплетённых цепочек сополимера. Эти ветви соседних макромолекул образуют пространственное сцепление не за счёт образования межатомных связей как у PEX, а за счёт сцепления и переплетения своих «ветвей»

Термоустойчивый полиэтилен обладает рядом свойств сшитого полиэтилена: стойкость к высоким температурам и ультрафиолетовым лучам. Однако данный материал не обладает долговременной стойкостью к высоким температурам и давлению, а также является менее кислотостойким, чем PEX. На рис. 7 представлены графики длительной прочности сшитого полиэтилена PEX и высокотемпературного полиэтилена PERT, взятые из ГОСТ Р 52134-2003 с изменением № 1. Как видно из графиков, сшитый полиэтилен со временем мало теряет в своей прочности, даже при высоких температурах. При этом график падения прочности прямой и легкопрогнозируемый. У PERT график имеет излом, причём при высоких температурах этот излом наступает уже через два года эксплуатации. Точка излома называется критической, при достижении этой точки материал начинает активно ускорять потерю прочности. Всё это приводит к тому, что труба, которая достигла критической точки, очень быстро выходит из строя.

Читайте также:  Скважинный насос принцип работы

Рис. 7. Эталонные кривые длительной прочности труб из PEX (слева) и PERT (справа)

К тому же из-за отсутствия связей между макромолекулами PERT не обладает свойствами температурной памяти.

Заблуждение № 6: «PEX-трубы безоговорочно можно использовать для систем радиаторного отопления».

Условия применимости пластиковых и металлопластиковых трубопроводов на территории Российской Федерации регламентируются ГОСТ 52134-2003. Так как на прочность пластиковых трубопроводов довольно ощутимо влияет время воздействия на них теплоносителя с определённой температурой, то для них установлены классы эксплуатации (табл. 2), которые отражают характер воздействия определённых температур на трубу в течение всего срока эксплуатации.

Таблица 2. Классы эксплуатации полимерных трубопроводов

Сшитый полиэтилен (или ПЕх (PEx), где х – не буква, а обозначение сшивки) – это полимер с модифицированной структурой молекулярных связей, основой которого является полимеризированный под высоким либо низким давлением этилен. Является наиболее плотным среди других полиэтиленовых материалов и имеет более высокие технические показатели. Используется для изготовления наиболее прочных полимерных изделий, выдерживающих различные нагрузки механического, химического либо геофизического происхождения. Кроме того, многие изделия являются устойчивыми к высоким температурам, что позволяет использовать его в соответствующих условиях.

Основные свойства

Свойства сшитого полиэтилена исходят из возможностей его полимерной основы и особенностей молекулярного строения.

Строение

Обычный полиэтилен состоит из крупных молекул с множеством свободных ответвлений, свободно «плавающих» в пространстве. Именно поэтому при множестве положительных свойств он все же является довольно мягким материалом, имеющим сравнительно низкую температуру плавления. Создатели сшитого полиэтилена смогли ликвидировать этот недостаток, укрепив структуру материала при сохранении его положительных характеристик.

Сшитый полиэтилен имеет широкоячеистую сетчатую структуру молекулярных связей. Она образована путем появления в молекулярной структуре полимера наряду с продольными соединениями еще и поперечных в виде цепочек из атомов водорода, объединяющих молекулы в трехмерную сетку. Отдельные нити полиэтилена, получаемые реакцией полимеризации, здесь крепко связаны между собой. Такая «ткань» имеет гораздо большую молекулярную плотность и больший удельный вес, а также намного прочнее «волокнистого» собрата как в механическом, так и в физико-химическом смысле.

Технические характеристики

Кроме высокой плотности и прочности, сшитый полиэтилен обладает рядом оригинальных свойств, благодаря которым полиэтиленовые изделия внедрились практически во все области деятельности современного человека. Сшивка молекул дала ему:

  • Главное – повышение температуры плавления. Модифицированный полимер размягчается при повышении температур более 150-ти 0C, плавится при 200 0C и горит при 400 0C с разложением на воду и углекислый газ.
  • Со сшивкой увеличилась жесткость и прочность на разрыв с одновременным уменьшением величины удлинения на разрыв.
  • Этот материал не меняет свойств при резком изменении окружающих условий, чем сходен даже с такими прочными металлами, как сталь.
  • Стойкость его к химическим реагентам и биологическим разрушителям очень велика,
  • По сравнению с простым полиэтиленом сшитый обладает более высокой гидро-и пароизоляцией,
  • Появилась возможность «памяти формы», при которой полимер поменял свойство пластичности на эластичность.

ИНТЕРЕСНО! Если разогретый предмет из сшитого полиэтилена каким-либо образом деформировать и остудить в деформированном состоянии, то он какое-то время будет сохранять новую форму. Но при последующем разогревании он будет стремиться восстановить равновесное состояние межмолекулярных связей, возвращая себе первоначальную форму.

Недостатки

Существенными недостатками сшитого полиэтилена являются следующие свойства:

  • Как и для других полимеров этилена, он начинает медленно разрушаться под действием солнечных лучей,
  • Отрицательное действие кислорода при проникновении его в структуру материала.

Оба недостатка устранимы с помощью покрытия изделий защитными оболочками из других материалов либо нанесением слоя краски.

Производители

Одним из самых заметных на сегодня производителей труб из сшитого полиэтилена является бренд STOUT. Вся продукция производится на современном оборудовании в Европе на тех же заводах, где заказывают свой товар бренды премиум-сегмента.

Трубы STOUT существенно дешевле, но не уступают по качеству более дорогим: покупателю нет смысла переплачивать за громкое имя бренда. Клиент платит за качество и надежность, получая все это в полной мере. Изделия адаптированы для условий эксплуатации в нашей стране, монтаж легок и не занимает много времени.

Производство

Технологии сшивки

Сшивка полиэтилена проводится химическим либо физическим способом по одной из следующих технологий:

  1. Химическим пероксидным методом (PEx a) получают очень качественные, но достаточно дорогие изделия. В качестве реактива здесь используется перекись водорода. Процесс идет при температуре около 200 0C. Сшивка получается наиболее равномерной, так как количество сшитых молекул в общем количестве составит до 85%.
  2. Химическим силановым методом (PEx b) получают сшитый полиэтилен в присутствии силана, катализаторов и воды. Этот метод самый распространенный, хотя процент сшивания здесь составляет всего 65-70%.
  3. Физическим радиационным (PEx c). Эта сшивка проводится путем прогонки полиэтиленовой массы через ускоритель электронов, где проходит воздействие на нее рентгеновского либо гамма-излучения. При этом вступают в реакцию свободные атомы, но не углерода с водородом, а одноименные между собой, образуя новые связи. Степень сшивки получается примерно 60%.
  4. Химическим азотным (PEx d), с помощью радикалов азота, получают качество сшивки до 70%. Этот метод используется редко, так как требует достаточного времени и определенных условий протекания реакции.

Сравнение свойств по типу сшивки

Сшитый полиэтилен, прошедший любую из названных технологий сшивки, получает упорядоченную сетчатую структуру, сходную по свойствам с кристаллической решеткой твердых веществ. Однако в каждом случае полученный материал имеет свои небольшие отличия:

  • Как уже отмечено, наиболее равномерная сшивка пероксидная, хотя и менее продуктивная, и более дорогая,
  • Пероксидный способ неприменим к изготовлению многослойных труб,
  • Наиболее быстро получается готовая продукция при силановом способе,
  • Самый простой процесс и дешевое сырьё используются в радиационном способе,
  • Силановый способ дает наиболее плотный, но и наименее гибкий материал.

ВНИМАНИЕ! Не всегда большой процент сшивки является определяющим показателем для выбора технологии. Например, изготовление термоусаживаемых трубок обычно ведется именно радиационным методом, так как в этом случае процент сшивки вполне достаточен, а производительность и экономичность способа выигрывают перед другими.

Область применения

Сшитый полиэтилен обладает универсальными свойствами как прочности, так и стойкости к различным разрушающим явлениям, включая высокую температуру. Именно поэтому область его применения охватывает все места, где требуются именно такие свойства:

  • Для изготовления напорных труб для холодного либо горячего водоснабжения,
  • В производстве элементов систем отопления,
  • Для изоляции кабелей высокого напряжения,
  • При создании специальных стройматериалов и как элемент изделий конструкционного назначения.

Полиэтилен — очень распространённый в промышленности и быту полимер, получаемый методом полимеризации Этилена. С обычным полиэтиленом ассоциируется множество предметов обихода. Популярность полиэтилену придали его дешевизна и выдающиеся химические и физические свойства. Он не дорог в производстве, нетоксичен, физиологически инертен, легко обрабатывается, водонепроницаем, имеет высокую химическую стойкость, практически не корродирует, обладает приемлемой механической и отличной диэлектрической прочностью и т.д. Неудивительно, что полиэтилен занимает первое место в мире по объёмам производства среди всех органических веществ! Для дополнительного улучшения физических свойств полиэтилена и расширения сферы его применения учённые придумали технологию, называемую "сшивкой".

Читайте также:  Самый эффективный способ борьбы с тараканами

"Сшивкой" полиэтилена называют физический процесс, который модифицирует внутреннюю молекулярную структуру материала без изменения химического состава вещества. Делается это для того, чтобы придать материалу новые, полезные физические свойства, позволяющие существенно расширить сферы его применения.

Говоря сухим научным языком, сшивка полиэтилена — это процесс связки звеньев его молекул в широкоячеистую трехмерную сетку, путём образования поперечных связей. Звучит непонятно? На самом деле всё просто, давайте рассмотрим этот процесс подробнее.

Из школьного курса химии мы помним, что все вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, группируются в молекулы. От того, насколько прочной будет связь между атомами, напрямую зависят свойства вещества. Будет ли оно твёрдым, жидким или газообразным, будет ли оно активно вступать в химические реакции или будет стабильным (инертным, химичеки неактивным), будет ли оно гореть и т.д. — всё зависит от прочности и структуры химических связей между атомами вещества.

Для того, чтобы понять физико-химические процессы, происходящие при сшивке полиэтилена, необходимо напомнить, что такое полимеры и как они образуются. Рассмотрим простое органическое вещество: Этилен (C2H4). Этилен представляет из себя бесцветный горючий газ со слабым запахом. Его молекула состоит из двух атомов углерода (C) и двух атомов водорода (H). Углерод в молекуле этилена способен образовывать четыре прочные химические связи, а водород только одну (химические связи между атомами принято обозначать штрихами). Молекула Этилена самодостаточна, она не имеет свободных атомов, все химические связи находятся "при деле". У этилена наиболее крепкой является связь между атомами углерода, так как она двойная, а связи углерода с водородом не очень прочны. Двойная связь между атомами углерода тоже имеет особенности: одна из связей менее крепкая чем другая. Запомним эту особенность, она нам чуть позже понадобится.

Чтобы разорвать любую химическую связь между атомами нужно преодолеть силу межатомного притяжения. Сделать это можно с помощью дополнительной энергии, сообщённой (переданной) атомам, при чём эта энергия должна быть больше, чем энергия межатомного взаимодействия. И не важно, каким путём (химическим или физическим) будет осуществляться воздействие. Главное — чтобы оно было достаточным! Нагрев — простейший пример сообщения веществу дополнительной энергии. Именно поэтому многие химические реакции протекают только при высоких температурах.

В случае с этиленом одного нагрева оказывается недостаточно, но существует ряд других способов, позволяющих частично разорвать двойную связь между атомами углерода, вытягивая молекулу этилена в двухзвенную цепочку. Каждое звено этой цепочки называют мономером, от греческого слова "монос" — один и "мерос" — часть. Почему мы говорим о частичном разрыве? Потому что фактически из двух связей разрывается только одна, менее прочная. А дальше начинает происходить интересное: каждая из этих полуразорванных молекул, обладая двумя свободными и готовыми для соединения химическими связями стремится их задействовать. При этом мономеры начинают соединяться друг с другом последовательно, образуя своеобразную бесконечную цепочку, превращаясь по сути в одну макромолекулу, которую и называют полимером (от греческого "Поли" — много и "мерос" — часть). Похожим образом образуются и другие полимеры (полипропилен, поливинилхлорид, политетрофторэтилен и т.д.) цепочки которых могут иметь схожее или более сложное строение.

Наконец мы дошли и до самой сшивки. Сшивка полиэтилена — ни что иное, как способ соединения отдельных цепочек полимера между собой. Если после полимеризации мы получаем как-бы отдельные нити вещества, то с помощью сшивки мы соединяем эти нити в сеть. Понятно, что любая ткань гораздо прочнее отдельных ниток, из которых она состоит, поэтому сшитый полиэтилен становится более прочным и тугоплавким и способен выдержать более высокую температуру, чем его обычный, несшитый аналог.

Для осуществления процесса сшивки необходимо разорвать некоторые второстепенные межатомные связи у каждой цепочки и использовать их затем для соединения цепочек между собой. Сделать это можно разными способами, но все они делятся на два вида: физический и химический. Заметим, что при воздействии на полиэтилен легче всего разрываются менее прочные химические связи, каковыми являются связи между углеродом и водородом. При этом связь углерод-углерод, как более прочная остаётся целой и сама полимерная цепочка при сшивке не повреждается.

Для получения сшитого полиэтилена в условиях современного производства выделяют три наиболее распространённых метода сшивки: пероксидный, силановый и радиационный. Первые два — типичные химичекие, а третий — физический метод. Принципиальных различий между разными способами сшивки нет: просто в одном случае для разрыва связей задействуется внутренняя химическая энергия веществ, а в другом — энергия заряженных частиц (электронов). Но в технологическом плане разница существует.

Химическая сшивка более дорогая, но и более полная. При пероксидном способе сшивается до 90% всего количества полиэтилена, тогда как при радиационном облучении — не более 70-75%. Однако для изготовления термоусаживаемых трубок радиационный способ применяется гораздо чаще. Во-первых для производства качественной термоусадки 75%-ная сшивка — вполне достаточный показатель, а во-вторых, помимо экономической выгоды способ сшивки с помощью радиационного облучения обладает двумя важными для промышенного производства достоинствами — высокой производительностью и технологичностью!

Посмотрите на рисунки. При облучении полиэтилена потоком высокоэнергетических заряженных частиц (рентгеновское или гамма излучение), генерируемых специальным акселератором (ускорителем), некоторые атомы водорода отщепляются от полимерных цепочек. Нескомпенсированные свободные связи атомов углерода тут же стремятся вновь вступить в реакцию, но уже не с водородом, а друг с другом, "сшиваясь", образуя между собой дополнительную прочную связь. "Лишние" атомы водорода так же взаимодействуют между собой, выделяясь в видемолекулярного водорода (H2).

В результате появляется прочная трёхмерная сеть из полимерных цепочек этилена. Вещество как бы переходит из аморфного состояния в кристаллическое, ведь упорядоченную сетчатую структуру сшитого полиэтилена вполне можно сравнить с кристаллической решеткой многих твёрдых веществ. Вот почему этот процесс называется поперечной сшивкой полиэтилена, хотя иногда встречается и другие термины: модифицированный полиэтилен, радиационно-модифицированный полиэтилен, радиационно-сшитый полиэтилен и т.д.

После сшивки, кроме увеличения температуры полавления, материал приобретает ещё одно ценное свойство — "память" формы, так как из аморфного куска пластассы он превращается в вещество с чёткой структурой внутри. Растягивая подогретый модифицированный полиэтилен мы нарушаем внутреннее равновесие в его вновь образованных химических связях, вызывая упругие напряжения в его структуре. После охлаждения полиэтилен застывает, сохраняя свою новую форму. Но лишь только его снова нагреют, полиэтилен стремится вернуться в первоначальное, равновесное состояние, в котором межмолекулярные связи чувствуют себя наиболее комфортно. Здесь будет уместна аналогия с детскими качелями. Представьте, что Вы сильно отклонили качели сторону и мгновенно заморозили их в куске льда. Лишь только лёд растает, качели вернутся в своё естественное положение.

В большей или меньшей степени метод сшивки применим и ко многим другим полимерам. Те же термоусаживаемые трубки производят не только из полиэтилена, но и из поливинилхлорида, полиэтилентерефталата, поливинилиденфторида, политетрафторэтилена, силикона и т.д. Правда некоторые полимеры требуют иного подхода к процессу сшивки. Не всегда можно обойтись только радиационным облучением, иногда применяют и химическую сшивку.

Сшитый полиэтилен используют не только для производства термоусаживаемых трубок и термоусаживаемых перчаток. Без сшитого полиэтилена или полипропилена сейчас невозможно представить полимерные водонапорные водопроводные трубы, которые пришли на смену ржавеющим железным. С холодной водой всё понятно, но вот горячую воду труба из обычного полиэтилена долго выдержать не может — расплавится! А сшитому эта задача вполне по плечу! Кстати, термоусаживаемая плёнка для вакуумной упаковки пищевых продуктов — это тоже результат сшивки полимеров!

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
ТурбоЗайм
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock detector