Сшитый полиэтилен

Рулон физически сшитого пенополиэтилена

Сшитый полиэтилен (PE-X или XLPE, ПЭ-С) — полимер этилена с поперечно сшитыми молекулами (PE — PolyEthylene, X — Cross-linked).

Во вспененном виде поперечно-связанная молекулярная структура сшитого полиэтилена обладает высокой прочностью и плотностью, низкой теплопроводностью, низким влагопоглощением, высокой стойкостью к химическим воздействиям и хорошими показателями поглощения ударного шума. Сшитый пенополиэтилен отличается сложной технологией производства, экологической безопасностью. Молекулы сшиваются за счёт химических веществ введённых в полимер или за счёт облучения пучком электронов, поэтому различают химически и физически (радиационно) сшитый полиэтилен.

Пример исполнения трубы из сшитого полиэтилена

При сшивке в молекулярных цепочках, содержащих атомы углерода и водорода, под воздействием определённых факторов (повышенная температура, кислород, облучение электронами высокой энергии), отрываются отдельные атомы водорода. Образовавшаяся свободная связь используется для соединения отдельных цепочек между собой.

Технология производства

Химическая сшивка

На фото изображён химически сшитый пенополиэтилен

1. Смешение и гомогенизация компонентов, основными из которых являются полиэтилен низкой плотности (LDPE). В состав также входят вспениватель, катализаторы вспенивания, стабилизаторы и другие добавки.

   

   Физически сшитый пенополиэтилен

2. Нагрев матрикса, вследствие чего происходит сшивка с одновременным вспениванием материала.

Химически сшитый пенополиэтилен эластичен, имеет мелко пористую структуру (размер пор <1 мм). Пора закрытая (в отличие от поролона) поверхность со значительной шероховатостью.

Физическая сшивка

1. Смешение и гомогенизация компонентов, основными из которых являются полиэтилен низкой плотности (LDPE). В состав также входят вспениватель, катализаторы вспенивания, стабилизаторы и другие добавки;
2. Облучение экструдированного листа быстрыми электронами, которые генерируются ускорителем, содержащим эмиттер электронов и систему их разгона до требуемых уровней энергии;
3. Вспенивание облучённого экструдированного листа в специальной печи вспенивания, содержащей ряд функциональных зон и несколько типов источников нагрева — получение собственно физически сшитого пенополиэтилена.

Физически сшитый пенополиэтилен эластичен, имеет микропористую структуру. Пора закрытая. Поверхность гладкая.

Технологии производства сшитого полиэтилена PE-X для труб

1. Пероксидная (нагрев в присутствии пероксидов), при которой получают материал с обозначением PEX-A. Трубы PEX-A обладают лучшими характеристиками устойчивости к нагрузкам среди всех разновидностей. Сшивание пероксидом позволяет скрепить до 90 % макромолекул. При разматывании бухты они быстро выпрямляются и хорошо держат форму. На изгибах (в пределах допустимых норм и соблюдении технологии) не заламываются;
2. Силановая (обработка влагой, в которую предварительно был имплантирован силан + катализатор), при которой получают материал с обозначением PEX-B. Сшивка силаном даёт около 80% скрепления молекул исходного полимера. Производственный процесс проходит в два этапа. На первом полимер насыщается силаном, на втором – насыщается дополнительной водой (гидратируется). Трубы не уступают по прочности пероксидным, но менее эластичны и хуже восстанавливают первоначальную форму;
3. Электронная (облучение пучком электронов), при которой получают материал PEX-C. Здесь применяется облучение пучком электронов высокой энергии промышленного ускорителя для сшивки полимеров, выход поперечных связей в готовом материале составляет около 60% от общего числа возможных. Выходные характеристики материала зависят от пространственной ориентации при производстве. Трубы получаются не слишком гибкими, склонными к заломам. Заломы устранить можно только с помощью соединительной муфты;
4. Азотная, при которой получают материал с обозначением PEX-D. Полезный выход здесь около 70%, что больше, чем у PEX-C. Однако эта технология самая сложная в практической реализации и производители от её использования постепенно отказываются.

Преимущества сшивки

За счёт сшивки молекул вспененного полиэтилена улучшаются следующие параметры:

• теплостойкость (рабочий температурный интервал сшитых пенополиэтиленов, как правило, на 20-30 °C выше не сшитых);
• физико-механические показатели (разрушающее напряжение при растяжении, предел прочности при сжатии, относительная остаточная деформация при сжатии, динамическая жесткость) при равной плотности и толщине могут быть лучше на 5-15%;
• возможность использования сшитого пенополиэтилена при кратковременных точечных нагрузках (5-20 кг/см² (50-200 тонн/м²), использование «несшитого» пенополиэтилена в данном случае не желательно, так как ячейки могут необратимо деформироваться (лопаться));
• стойкость к ультрафиолету и атмосферостойкость;
• стабильность геометрических размеров;

• Показатели качества:

Показатель	Сшитый полиэтилен	ПЭВД (LDPE)	Пенополиетилен	Пенополиэтилен не сшитый
Доля сшивки. %	60-90	<3	не определяется1	не определяется1
Плотность, кг/м3	940-960	900-930	25-200	17-40
Температура размягчения, °С	130-140	100	нет данных	100
Максимальная рабочая температура, °С	90-95	-	95	85
Удлинение при разрыве, %	350-500	100-800	100-160	100-200
Напряжение на разрыв, МПа В продольном направлении В поперечном направлении	20-25	7-17	>0,25 >0,2	~0,36 ~0,17
Коэффициент теплопроводности ʎ25, Вт/мК	0,35-0,4	0,20-0,36	0,039-0,05	0,039-0,045
Модуль упругости на изгиб, МПа	600-900	118-225	-	-
Динамический модуль упругости, МПа	-	-	0,14-1,80	0,12-0,93
Относительное сжатие, нагрузка 2000 кПа	-	-	0,01-0,1	0,02-0,1
Остаточная деформация, % (после 25% линейной деформации)	-	-	<7	3-6
Срок службы2, лет	3-50	-	50	50

Примечания:

1. Стандартизированная методика ГОСТ Р 57748-2017, не пригодна для определения доли сшивки вспененных материалов.
2. Срок службы для труб нормирует ГОСТ Р 57748-2017. Сроки службы сильно сокращаются при высокой температуре теплоносителя, так при температуре до 70 °С срок службы труб 25 лет и более. При температуре 95 °С срок службы сокращается до 2-3 лет. Срок службы пенополиэтиленов определен по ГОСТ ISO 188-2003. Эта методика даёт не релевантные результаты для полимерных материалов, чей срок службы отличается от срока хранения.

Физически сшитый пенополиэтилен с клеевым слоем, в форме ролика

Пример изделия из физически сшитого пенополиэтилена. Туристические ковры.

Области применения сшитого пенополиэтилена

Пример изделий из сшитого полиэтилена — водяной тёплый пол

• строительно-ремонтная отрасль (теплоизоляция; снижение ударного шума в конструкциях плавающих полов и ступеней, а также в качестве подложки под паркет, доску-ламинат и различные напольные покрытия; звукоизоляция; гидроизоляция);
• кабельная промышленность (изоляция жил и внешняя оболочка кабелей и проводов);
• автомобилестроение (формирование интерьера автомобиля, панелей приборов, дверных карт; тепло- , шумоизоляция, формирование воздуховодов и другое);
• медицина (изготовление пластырей, бандажа, применение в ортопедической обуви);
• обувная промышленность (формование стелек, запятников, мягких вставок);
• спорт, отдых, туризм (применение в виде ковров, матов, плавательных досок, спасательных средств и т. д.);
• авиа и вертолетостроение (теплоизоляция);
• армия, спецподразделения (ковры хаки).

Области применения сшитого полиэтилена

Сшитый полиэтилен обладает уникальными свойствами по прочности и стойкости к различным разрушающим явлениям, исключая высокую температуру.

• Изготовление напорных труб для холодного и горячего водоснабжения;
• Изготовление систем отопления;
• Изготовление изоляции кабелей высокого напряжения;
• Изготовление специальных строительных материалов и как элемент конструкционного назначения.

Литература

• ГОСТ Р 57748-2017 «Композиты полимерные. Метод определения параметров полимерной сетки сшитого сверхвысокомолекулярного полиэтилена в растворителе»
• ГОСТ 32415-2013 «Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления. Общие технические условия»
• В. К. Князев, Н. А. Сидоров. Облучённый полиэтилен в технике. М., «Химия», 1974, 376 с.
• Князев В. К., Сидоров Н. А. Применение облучённого полиэтилена в радиоэлектронике. М., «Энергия», 1972. 64 с.
• Прижижецкий С. И., Самсоненко А. В. «Новый стандарт проектирования тепловой изоляции оборудования и трубопроводов.», Промышленное и Гражданское Строительство 12/2008, Издательство «ПГС», ISSN 0869-7019
• Батраков А. Н., Амплеева И. А., «Сшитые и несшитые пены, их сходство и различие», Промышленное и Гражданское Строительство 9/2005, Издательство «ПГС», ISSN 0869-7019
• А. И. Ларионов, Г. Н. Матюхина, К. А. Чернова, «Пенополиэтилен, его свойства и применение», Ленинградский дом научно-технической пропаганды, г. Ленинград, 1973 г.
• И. В. Кулешов, Р. В. Торнер, «Теплоизоляция из вспененных полимеров», Москва Стройиздат 1987 г.
• Берлин А. А. Основы производства газонаполненных пластмасс и эластомеров. М" Гюсхимиздат, 1954.
• Воробьёв В. А, Андрианов Р А, Федосеев Г П Полимерные теплоизоляционные материалы в строительстве М., ВЗСТ, МВнССО РСФСР, 1964

Ссылки

• ASTM D2765 — 01(2006) Standard Test Methods for Determination of Gel Content and Swell Ratio of Crosslinked Ethylene Plastics