Мир современных материалов – Сшитый полиэтилен
Сшитый полиэтилен (XLPE, cross-linked polyethylene), т.е. имеющий поперечные связи в структуре, отличается более высокой нагревостойкостью по сравнению с термопластичным полиэтиленом, при этом электрические характеристики у них одинаковые. Это обуславливает широкое распространение сшитого полиэтилена в качестве изоляции силовых кабелей.
Существуют два разных способа сшивания полиэтилена:
1. Радиационный метод, при котором ионизирующее излучение вызывает образование в материале макрорадикалов, при их взаимодействии друг с другом образуется «сшитая» структура.
2.При химическом методе активные макрорадикалы возникают в результате реакции молекул полиэтилена с неустойчивыми органическими соединениями. Различают пероксидное сшивание – взаимодействие в этом случае происходит с перекисями, либо силанольное – с силаносодержащими веществами.
В кабельной промышленности в основном используется химический метод сшивки.
Пероксидное сшивание.
При этой технологии на специальных наклонных или вертикальных линиях происходит непрерывное трёхслойное экструзионное наложение изоляции – полупроводящего экрана по жиле, собственно изоляции и полупроводящего экрана по изоляции – с последующей их сшивкой в вулканизационной трубе при температуре 250-3000С в среде инертного газа (азота). Азот при высокой температуре и давлении не окисляет и не приводит к деградации изоляции.
Пероксиды, в основном перекись дикумила, вводятся в полиэтилен перед процессом экструзии, либо непосредственно во время нее. В вулканизационной трубе, под действием тепла, в полиэтилене происходит распад перекиси с образованием двух радикалов:
Эти радикалы, взаимодействуют с молекулами полиэтилена, отрывая у них атом водорода, в результате чего образуется макрорадикал:
Образование поперечных связей (непосредственно «сшивка») происходит при взаимодействии соседних макрорадикалов:
При этом методе сшивания образуются побочные продукты деления, в основном ацетофенон и метил. Они либо испаряются со временем, либо удаляются при помощи дегазации в термокамере. Остающиеся после удаления побочных продуктов воздушные пустоты ухудшают электрические характеристики XLPE, но большинство пустот имеет размеры, которые не вызывают резкого снижения долговечности кабелей.
Силанольное сшивание.
При силанольной сшивке в полимерные цепочки полиэтилена вводятся химические соединения на основе силана, формирующие поперечные связи только под воздействием воды (пар или горячая вода). Технологический процесс разделен на две этапа – экструзии изоляции на обычной горизонтальной линии и ее последующего сшивания в водяной среде.
Рассмотрим процесс сшивки винилтриметоксисиланом:
Реакция проходит обычно в присутствии перекиси дикумила, что обеспечивает отрыв атома водорода от молекулы полиэтилена при температуре 160-170
Далее в присутствии воды и катализатора протекает реакция гидролиза и сшивка:
Этот метод значительно дешевле по сравнению с пероксидной технологией.
Принципиальным отличием от пероксидного сшивания является наличие в получаемом сшитом полиэтилене продуктов деления реакции, которые образуют поперечные связи в материале. Кроме этого, сшивка в водной среде может приводить к последующему образованию водных триингов в изоляции. Являясь инородными, все эти включения будут приводить к ускоренному старению изоляции кабелей.
В настоящее время, основываясь на многолетних исследованиях и опыте эксплуатации, ведущие специалисты считают, что кабели на номинальное напряжение 10 кВ при четком соблюдении технологии силанольной сшивки не уступают кабелям с пероксидно-сшитой изоляцией. Но параллельно этому существует другое мнение, что при массовом производстве невозможно добиться стабильных параметров полиэтилена с силанольной сшивкой, поскольку производитель должен четко соблюдать время выдержки изоляции в водной среде, которое зависит от ее толщины, ни в коем случае не сокращая его, иначе это негативно скажется на электрических свойствах XLPE. И более надежной эксперты все же признают изоляцию из пероксидно-сшитого полиэтилена. С применением данной технологии производят кабели на напряжение 6-500 кВ.
Вас также может заинтересовать:
worldofmaterials.ru
Сшитый полиэтилен и область его применения ⋆ Ремонт под ключ
Сшитый полиэтилен
Сшитый-вспененный полиэтилен является эффективной заменой для многих материалов, включая войлок, неопрен, натуральный каучук, пенополиуретан, вспененный ПВХ, древесные композиты, минеральную вату и стекловолокно.
Формирующийся при нагревании полимерных соединений, вспененный полиэтилен способен «приклеивать» различные добавки к своей химической формуле, изменяющие его свойства, перед экструдированием в форме.
Это означает, в дополнение к стандартному виду вспененного полиэтилена, есть также антистатические и огнезащитные сорта этого продукта. При этом он сохраняет все присущие ему свойства, так как добавки вводятся в состав до того, как создается пена.
Виды
Существуют два основных вида вспененного полиэтилена – со сшитой (ППЭ) и несшитой структурой (НПЭ).
Способы производства
Отличается и технология их изготовления – сшитая пена, изготовленная химическим методом, формируется под воздействием активаторов реакции в термопластичном состоянии при высокой температуре.
Радиационный способ работает по-другому – сшивка молекул происходит под воздействием направленного пучка энергии.
Несшитая структура получается при смешивании под давлением в экструдере со специальными пенообразующими реагентами (чаще всего, смесь пропана с бутаном).-
Так же, как и другие виды вспененных полимеров, полиэтилен может иметь различную плотность для различных целей применения – от 30 до 250 кг/куб. м. Чем выше плотность полиэтилена, тем больше толщина клеточных стенок, обеспечивающих прочность материала.
Где применияют
Антистатические свойства вспененного полиэтилена применяются для упаковки, обработки и транспортировки деликатной электроники, которая может быть повреждена электростатическими зарядами.
Существуют несколько сортов вспененного полиэтилена, отличающиеся огнестойкостью. Это свойство вспененного полиэтилена особенно важно при его использовании в качестве изоляционного материала и в строительстве.
Материал легко режется, сохраняя свою жесткость и форму в поперечном сечении, поэтому его удобно использовать в качестве вставок при перемещении и транспортировке предметов.
Полиэтиленовая упаковка может быть в виде мешков или пакетов для защиты товара. При этом такая надежная упаковка имеет минимальный вес ввиду низкой плотности материала.
Наиболее широко вспененный полиэтилен используется в качестве теплоизоляционного материала.
В дополнение к отличным эксплуатационным характеристикам, вспененный полиэтилен доступен в многообразных формах и размерах. Чаще всего он выпускается в виде листа или плит, а также в виде трубок.
Тонкие листы могут быть собраны в более толстые слоистые конструкции. Полиэтиленовые пены чаще всего доступны в черном, белом и синем цветовом варианте, но существуют также и экзотические расцветки пен, например, розовый.
Рулоны полиэтилена изготавливаются из очень тонких листов материала. Эта гибкость позволяет использовать его в качестве теплоизоляции, обернутой вокруг трубы, уплотнения между основаниями и порогами в зданиях. Теплоизоляция труб с помощью вспененного полиэтилена может осуществляться и в другом варианте – в виде «скорлупы», изготовленной под определенный типоразмер трубы.
Полиэтиленовые стержни используются в строительстве в качестве уплотняющего шнура между бетонными плитами или в конструкциях остекления.
Водоотталкивающий шнур из вспененного полиэтилена формирует экономичный наполнитель, уменьшая затраты на дорогие герметизирующие материалы, при этом обеспечивая гибкую связь между плитами.
Упругие свойства уплотняющего шнура допускают расширение и сжатие герметизируемого щелевого пространства вследствие погодных и температурных изменений.
Основные преимущества вспененного полиэтилена заключаются в следующем:
1 Хорошие амортизационные свойства.
2 Устойчивость к погодным и химическим воздействиям, в то числе резистентность к маслам и различным видам топлива.
3 Хорошие звуко- и теплоизоляционные свойства.
4 Плавучесть с низким водопоглощением.
5 Пригодность для термоформования.
6 Простота монтажа, низкая стоимость.
Помимо строительства, вспененный полиэтилен успешно используется в медицине для изготовления ортопедической обуви, шин, стелек; для упаковки; в производстве инвентаря для спорта и отдыха (батуты, плавсредства, доски для серфинга, спортивные маты, защита тела от травм, каноэ, различные игрушки)
в технике — для прокладок и амортизационных колодок; в индустрии развлечений для создания сценических костюмов и реквизита; в автомобилестроении — для прокладок и покрытий; в мореплавании — для протекторов палуб, спасательных кругов и жилетов; и многое другое.
xn—–7kcbiaqb5akjkjooffije6agi.xn--p1ai
Что такое “сшитый” полиэтилен? Как “сшивают” полиэтилен? Для чего сшивают полиэтилен?
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”.
“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!
www.gradiant.ru
Что использовать сшитый полиэтилен или пропилен, отличие свойств 2019
В процессе создания проекта для устройства коммуникаций вновь построенного либо реконструируемого здания как жилого, так и промышленного назначения вам могут предложить установку труб полипропиленовых или PEX – из сшитого полиэтилена. Выступая альтернативой металлическим изделиям, оба эти материала обладают прочностью, неплохой стойкостью к нагрузкам и долговечностью, превышающей этот показатель даже для металла. Однако они, являясь полимерами разных органических соединений, имеют существенные различия и поэтому более предпочтительны в различных строительных назначениях.
Внутренние различия
Попробуем разобраться в различии свойств сшитого полиэтилена и полипропилена, обратившись к особенностям их строения:
- Полиэтилен PEX получают методом поперечной «сшивки» линейных макромолекул полимеризованного этилена до получения трехмерной сетчато-ячеистой структуры:
- Образованные в этом процессе прочные межмолекулярные связи дают материалу высокую стойкость к нагрузкам механического, химического и термического характера.
- Такие связи еще на этапе отливки изделия дают ему форму, которую затем будет очень сложно изменить.
- PEX является самым плотным из всех видов полиэтилена с показателем 940 кг/м3.
- Полипропилен – это полимер углеводорода пропилена, имеющий нестабильное кристаллическое строение, что дает ему как большую прочность на растяжение и разрыв, так и высокую пластичность. Он:
- Может быть трех типов в зависимости от пространственной направленности ответвлений молекул (метильных групп),
- Имеет «дышащую» структуру, способную пропускать газообразные вещества,
- Является гораздо менее плотным материалом, чем любой другой вид пластмасс, с показателем плотности от 850-ти до 900 кг/м3.
Свойства ПП и PEX
Прочность
Прочностные характеристики этих двух материалов примерно равны, показатели их растяжения до предельного положения (разрыва) составляют диапазон от 250-ти до 800 %. Но при этом:
- Полипропилен обладает большей стойкостью к растрескиванию, даже при воздействии возможных неблагоприятных факторов,
- Сшитый полиэтилен более прочен при резком перепаде нагрузок: повышение скорости растяжения значительно снижает механические свойства ПП.
Температурная стойкость
Максимально высокие температуры эксплуатации изделий из обоих пластмасс не превышают значение в 140 0C, но плавятся и горят они немного в разных температурных режимах:
- ПП плавится при t0=176 0C,
- PEX – при t0 от 190 до 200 0C.
А вот «нижний» предел использования материалов сильно отличается. Если сшитый полиэтилен сохраняет свои прочностные и эластичные свойства до -50 0C, то полипропилен становится хрупким уже при -15 0C (для некоторых модификаций даже при -5 0C).
ИНТЕРЕСНО! Сшитый полиэтилен более стоек к временному повышению температур до очень высоких значений, а полипропилен – материал длительной стойкости. Это означает, что низкотемпературные отопительные системы с возможностью резких скачков температур лучше изготавливать из PEX, а постоянно горячие трубопроводы дольше прослужат из ПП.
Химические свойства
Химически полипропилен уступает сшитому полиэтилену:
- Стойкость его к органическим и неорганическим реагентам и растворителям хотя и высока по сравнению с неполимерными материалами, но слабее, чем у PEX.
- Стойкость к явлениям среды также намного ниже: в чистом виде он намного быстрее стареет под воздействием кислорода воздуха и солнечного света, особенно при повышении температур.
ВНИМАНИЕ! Для увеличения срока службы ПП-полимеров в сырьё на этапе производства изделий добавляются стабилизаторы, улучшающие стойкость к ультрафиолету и кислороду, а PEX-трубы обычно имеют защитное антидиффузное покрытие.
Физические свойства
Несмотря на значительно большую, чем у полипропилена, плотность и практически аналогичную текучесть, PEX является более мягким материалом, а еще обладает следующими возможностями:
- Из-за высокой плотности не пропускает сквозь себя жидкости и даже газы, что позволяет изготавливать из него безопасные напорные газопроводы и технические трубопроводы,
- Благодаря эластичности трубы из него намного лучше гнутся с образованием более крутых поворотов, за счет чего из сшитого полиэтилена получается намного более качественный контур для систем теплого пола.
propolyethylene.ru