خصوصیات مواد پایه لوله های پلی اتیلن

خصوصیات مواد پایه

خصوصیات مواد مانند تراكم (خطی بودن)، نرخ جریان مذاب (وزن مولکولی) و توزیع وزن مولکولی تقریبا ساختار مولکولی را نشان می دهد. زمانی که پلی اتیلن تازه اختراع شده بود، حطبقه بندی آن بر اساس تراکم بود و به خاطر ظرفیت محدود فرآیندهای تولید، پلی اتیلن کاملا بر اساس تراکم و نرخ جریان مذاب تعریف می شد.

اما حالا پلی اتیلن چنین تعریف نمی شود چرا که ممکن است موادی که تراکم و نرخ جریان مذاب یکسان دارند، خصوصیات و عملکرد کاملا متفاوتی داشته باشند، در نتیجه برای درجه بندی مواد علاوه بر این خصوصیات، داده های اضافی هم مورد نظر است. برای تمایز قائل شدن بین این مواد باید به نسل های مختلف مواد مراجعه کرد که کاملا به فرآیندهای تولید، کاتالیزور و مواد سازنده آن ها بستگی دارد.

تراکم

 تراکم معیار اندازه گیری آرایش مولکولی در توده پلی اتیلن می باشد. همان طور که قبلا ذکر کردیم، حضور مونومرهای همراه و ایجاد شاخه ها این آرایش مولکولی را برهم می زند و هر چه الگوی بی نظمی بلورینگی بزرگتر باشد، تراکم کمتر می شود بالاترین تراکمی که از فرآیندهای صنعتی به دست می آید در حدود

۹۶۵ /۰گرم سانتیمتر مکعب می باشد در حالی که پایین ترین تراکم در حدود ۹۱۰/۰ گرم متر مکعب است و به شکل زیر طبقه بندی می شود

 LLDPE : ۹۳۵/۰–۹۱۰/۰ گرم / مترمکعب (تراکم خطی پایین پلی اتیلن)

LDPE : 925/0 – ۹۱۵/۰ گرم/ مترمکعب (تراکم پایین پلی اتیلن)

 MDPE  : ۹۴۰/۰-  ۹۲۶/۰ گرم/ مترمکعب (تراکم متوسط پلی اتیلن)

 HDPE  : ۹۶۵/۰ – ۹۴۱/۰  گرم/ مترمکعب (تراکم بالای پلی اتیلن)

نرخ جریان مذاب (۱IFR) – ویسکوزیته (ناروایی)

نرخ جریان مذاب بیانگر مقدار مواد مذابی است که تحت شرایط استاندارد دما و فشار از میان یک قالب درجه دار طی ۱۰ دقیقه عبور می کند ، و معیار اندازه گیری ویسکوزیته مایعات مذاب می باشد، که کاملا به وزن مولکولی بستگی دارد و واضح است که هر چه وزن مولکولی بیشتر باشد (طول زنجیره های مولکولی بیشتر باشد) ویسکوزیته ماده بالاتر و MFR آنها کمتر است.

توزیع وزن مولکولی

فرآیند پلیمر سازی کاملا بی قائده است، و باعث تنوع گسترده طول زنجیره ها می شود؛ وقتی به وزن مولکولی اشاره می شود، مقدار میانگین توزیع Gauss نوع قابل درک است. این درجه از بی قائدگی فرآیند، وسعت توزیع را مشخص می کند و سبب می شود محدود، متوسط با گسترده MWD باشد. شاخه های مونومر همراه و طول تصادفی زنجیره های شاخه شاخه، شکل متقارن منحنی توزیع را برهم می زند.

به هر حال در فن آوری پلیمر سازی امروزی امکان کنترل یا پیش بینی MWD وجود دارد. در پلیمر سازی تکفازی و با استفاده از کاتالیزورهای تک موضعی یک الگوی MWD به دست می آید. یک فرآیند دوفازی با استفاده از کاتالیزورهای دو موضعی باعث ایجاد دو الگو می شود. این نوع دستکاری در ساختار مولکولی به تنظیم مناسب ساختار مولکولی کمک و عملکرد محصول نهایی را مشخص می کند. با داشتن این نوع ترکیب مولکولی هرچه وزن مولکولی پایین تر باشد (ویسکوزیته پایین) پردازش ماده در حالت مذاب آسان تر می شود، وزن مولکولی متوسط مسئول رفتار کلی است و وزن مولکولی بالا سطح توانایی و سختی را مشخص می کند.

از زمان ورود مواد دو قطبی به نسل مواد مراجعه می کنند نسل اول: HDPE تک قطبی، همبسپاری پایین، وزن مولکولی بالا

نسل دوم: HDPE تک قطبی، همبسپاری متوسط، وزن مولکولی بالای متوسط، یا MDPE تک الگویی، همبسپاری بالا، وزن مولکولی متوسط

نسل سوم: IDPE دو قطبی، همبسپار BUTENE، وزن مولکولی بالای متوسط نسل چهارم: HDPE دو قطبی، همبسپار HEXENE، وزن مولکولی بالای متوسط

این تحول به این معنی است که عملکرد مواد پلی اتیلن در گذر سال ها بهبود یافته است و امکان طراحی و استفاده از آنها در شرایط کاری سخت تر هم به وجود آمده است در حالی که در بلندمدت همچنان قابل اطمینان و ایمن هستند.

مقاومت ترک تنشی

بارگذاری تنش مکانیکی روی پلی اتیلن سبب القای شکست پیوندهای مولکولی، گسست ساختار نازک کریستالی و گسیختگی ناشی از شکنندگی می شود. مکانیسم گسیختگی شبیه گسیختگی فلزات در نتیجه فرسودگی میباشد که در هوانوردی شناخته شده است.

روش های آزمایش درجه بندی مقاومت در برابر ترک تنشی پیشرفت کرده اند. پرواضح است که قطعه آزمایش از قبل ترک برداشته باعث سرعت بیشتر مکانیسم گسیختگی می شود. برای تخمین زدن دقیق عملکرد، تخمین ضریب همبستگی با استفاده از قطعات آزمایشی ترک خورده و نخورده به دست می آید.

و یکی از روش های آزمایشی معروف مقاومت ترک تنشی محیطی است (ESCR). اگر چه این روش وقتگیر ترین و معروف ترین روش آزمایش است، انجام آن چندان ساده نیست چراکه آزمونه خم شده و تحت تاثیر تغییر شکل دائمی قرار می گیرد و همان طور که در پاراگراف بعدی توضیح میدهیم آزمونه در نتیجه رفتار ویسکوالاستیک پلی اتیلن از تنش های اعمال شده آزاد می گردد. و بهترین روش های آزمایش، روش هایی هستند که مانند روش آزمایش لوله فاقدار آزمایش خزشی با فاق كامل تست مخروط یا آزمایش فاق پنسیلوانیا  تنش ثابتی را اعمال می کنند. نتایج آن ها، تا زمانی که بارگذاری تنش در حدی باشد که تاثیر آن روی رفتار ویسکوالاستیک ماده ناچیز باشد و شرایط حقیقی را نشان بدهد، اطلاعات دقیق تری به دست می دهند. اگر نتایج این آزمایش ها بر خلاف نتایج آزمایش های ESCR باشند، چندان تعجب برانگیز نخواهد بود.

مقاومت حرارتی

ماهیت مولکولی پلی اتیلن به نحوی است که در برابر اکسیداسیون یا تخریب حرارتی در شرایط محیطی و عملیات جوش یا کارهای سنگین مکانیکی روی بخشی از لوله که سطح روییش در مرحله پردازش کنده شده است، حساس است. برای محافظت از آن در برابر تاثیر حرارتی یا مکانیکی – حرارتی باید از پکیج محافظ افزودنی استفاده کنید.

باید این پکیج اضافی را در نهایت دقت انتخاب کنید تا در کوتاه مدت از پلی اتیلن در برابر دمای بالا (پردازش ماده) و در بلندمدت (شرایط عملیاتی بلندمدت مربوط به تعمیرات احتمالی مورد نیاز یا ایجاد اتصالات جدید در برابر دمای متوسط یا محیطی محافظت کند.

روش های آزمایش توسعه یافته در این زمینه نرخ عملکرد را در هر دو وضعیت مشخص می کنند: مقاومت در برابر دمای بالا که توسط زمان یا حرارت القای اکسیداسیون با روش آزمایشی جایگزین (دمای ثابت = زمان) یا روش آزمایشی پویا  (افزایش یکنواخت دما = دما) مشخص می گردد. در روش پویا از هر پکیجی که استفاده کنند حرارت القای اکسیداسیون یکسان خواهد بود. یعنی این روش چندان معتبر نیست چون بیشتر به درد مشخص کردن مقاومت دمایی پکیج ها می خورد تا اینکه ویژگی های محافظت در برابر اکسیداسیون را مشخص کند. اما برای درجه بندی حوزه دمایی که ماده در آن پردازش میشود مفید است.

رنگ و مقاومت در برابر اشعه ماورا بنفش

تجربه استفاده از مواد پلی اتیلن اولیه بیانگر این است که نسبت به تخریب نوری که با اشعه ماورا بنفش افزایش می یابد حساس هستند و اگر قرار است در دراز مدت زیر نور خورشید قرار بگیرند باید از آنها محافظت شود. دوده (Carbon black) تثبیت کننده عالی و ارزانی است که در سطح ۲ به خوبی در بلندمدت از ماده محافظت می کند.

وقتی پلی اتیلن اواخر دهه ۱۹۶۰ در سیستم های توزیع گاز به کار گرفته شد، قرار شد رنگش زرد باشد تا خط توزیع گاز را مشخص سازد. اما رنگ زرد در انقلاب صنعتی ۱۵۰ سال قبل برای لوله های فلزی که گاز سبک حمل می کردند در نظر گرفته شده بود. کمی بعد رنگ نارنجی قرمز تیره برای سیم های ارتباط از راه دور و آبی برای خطوط انتقال آب در نظر گرفته شد. هدف از این کار تشخیص آسان سیستم های نصب شده هنگام حفاری و افزایش ایمنی بود. امروزه همچنان از این رنگ ها استفاده می کنند.

در ترکیبات فاقد دوده از تثبیت کننده های اشعه ماورا بنفش استفاده می کنند چون به جز دوده هیچ ذره دیگری نمی تواند جلوی اشعه ماورا بنفش را بگیرد. بر اساس استانداردها، لوله هایی که زیر خاک قرار می گیرند باید حداقل به مدت یکسال در برابر اشعه خورشید تحت شرایط آب و هوایی اروپای مرکزی مقاومت کنند تا شرایط مجاز نصب و انبار را داشته باشند (۳/ ۵GJ متر مکعب انرژی اشعه خورشیدی)

مقاومت شیمیایی و بعد زیست محیطی

معنی ماهیت غیر قطبی ساختار مولکولی پلی اتیلن این است که مقاومت شیمیایی بسیار بالایی دارد و در دمای محیطی نسبت به حمله محلول های آب اسیدها، پایه ها و نمکها، اکثر محصولات آلی شناخته شده و گازها مقاومت بالایی دارد. کربوهیدرات های بودار و هالوژن دار در دمای متوسط روی ساختار فیزیکی آن اثر می گذارند مثلا سبب تورم آن می شوند و در دمای بالا ماده را نرم می کنند و در دمای بسیار بالا سبب تجزیه آن می شوند. و محصولات پلی اتیلن به محیط زیست آسیبی نمی رسانند: در آب حل نمی شوند، در محل کار محیط زیست را آلوده نمی کنند، سمی نیستند و اگر تصادف در معرض آتش قرار بگیرند دی اکسید کربن و اگر بسوزند آب آزاد می کنند. اما نباید باقیمانده یا برش های ماده را در محیط زیست رها کرد چون تجزیه نمی شوند و بسیار باثبات هستند، به راحتی بازیافت می شوند و در محصولاتی به کار می روند که کاربرد چندان مهمی ندارند.

منبع: کتاب مهندسی کاربردی و لوله های پلی اتیلن

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *