ساختار و خواص لوله های پلیمری

به طور كلی پلیمرها  بعد از جنگ جهانی دوم ، رشد چشمگیری پیدا كردند و اثر خود را در زندگی روزانه نشان دادند پلی پروپیلن در سال 1954، به وسیله پروفسور ناتا دركشور اسپانیا كشف شد.

نهایتا بعد از آن  توسعه فرآیند تولید صنعتی پلی اتیلن و گاز پروپیلن گام برداشت فرآیند تولید تجاری پلی پروپیلن درسال 1957 شروع شد این ماده امروزه یكی از ارزان ترین و پرمصرف ترین ماده پلیمری درجهان است و این مصرف هر ساله گستره بیشتری می یابد .

لوله های پلی پروپیلن را می توان در شبكه های لوله كشی تحت فشار نیز به كاربرد ، ولی دامنه كاربرد آن منحصر به خطوط فشار پایین (مصارف داخل ساختمانی ، لوله كشی آب سرد و گرم بهداشتی) است امرزوه از این لوله ها در مواد شیمیایی و سیستم فاضلاب نیز استفاده فراوان می گردد این لوله ها درسه دسته PP-H و P-B و PP-R طبقه بندی می شوند .این لوله ها دارای كمترین چگالی درمیان همه لوله های گرمانرم می باشد ساختار سمولكولی انواع لوله های پلی پروپیلن سبب گردیده كه مقاومت این نوع لوله ها در برابر سیال های متل بسیار وابسته به نوع سیال اعم ازبازی و یا اسیدی بودن و میزان سختی موجود ر ان و همچنین مقدار دما و شرایط محیطی باشد . این لوله ها به دلیل مقاومت بالایی كه درشرایط گرمایی دارند برای حمل سیالات مختلف با دمای خاص كاربرد فراوانی پیدا كرده اند لوله های پلی پروپیلن را می توان در شبكه های لوله كشی تحت فشار نیز به كار برد .ولی دامنه اكاربرد ان منحصر به خطوط فشار پایین (مصارف داخل ساختمان ، لوله كشی آب سرد و گرم بهداشتی) می گردد امروزه از این لوله های در انتقال مواد شیمیایی و سیستم فاضلاب نیز استفاده فراوان می گردد . بیشترین دمایی را كه این لوله ها می توانند تحمل كنند oC90 می باشد . پلیمرهایی از نوع PP-H به علت استفاده از مواد پلی اتیلن با درصد بالاترنسبت به PP-R باید مقاومت فشار داخلی پایین تری را دارا باشد و همچنین ، آزمایش های دیگری نظیر سختی نشان می دهد كه این نوع مواد دارای سختی بیشتری است . همچنین مدول الاستیسیته  بیشتری در مورد PP-H و تنش تسلیم بالاتر در حدود 35 مگاپاسكگال باعث شده كه این نوع پلی پروپیلن درسیستم های فاضلاب نسبت به سایر نوع های دیگر پلی پروپیلن استفاده شود .

 

طبق ISO15874 و همچنین DIN 4726 به خوبی روشن می كند كه نوع پلیمر PP-R به علت مقاوت گرمایی و تحمل حرارتی (70 درجه سانتی گراد و در فشار كاری 10 اتمسفر در 100 ساعت) میتوان در سیستم گرمایش كفی و رادیاتورا استفاده شود البته به كاربری این نوع پلیمرها در این موارد بایستی شرایط كاربردی مخصوص خود را پس از طی آزمایش هایی نظیر نفوذناپذیری در برابر اكسیژن كه طبق استاندارد فوق در درجه حرارت oC40، d.3m/gr1/0 باشد ، آزمایش دیگری كه می بایست دراین موارد طی كند ، آزمایش Recycle temperature است . همچنین ، در مورد لوله های پلیمری عبور اكسیژن بیشتر باید اسناد محصول تولید شده اطلاعاتی در مورد محافظت در برابر خوردگی ارائه دهد . از جمله این كه انتخاب مواد ضد خوردگی برای كل سیستم و یا بخشی از سیستم كه با آب تماس دارد یا استفاده از فلزات ضد خوردگی (نظیر فولاد ضد زنگ) درسیستم تاسیسات استفاده شود و یا این كه از رزین های اپوكسی یا پلیمر EVOH به عنوان لایه محفاظ گاز اكسیژن استفاده شود . برای استفاده در تاسیسات و سیستم های گرمایش می توان از استاندارد جدید ISO 15874 استفاده كرد . دراین استاندارد ، لوله های پلی پروپیلن دركلاس های كاری 1 و2 و 4 و 5 طبقه بندی شده است و بیانگر این نكته است كه با رعایت شرایط ذكر شده در این استاندارد ، می توان این نوع لوله ها را در تمامی مصارف ساختمانی جایگزین لوله های فلزی كرد .(به جز انتقال بخار).

آنچه طبق این استاندارد اهمیت دارد محاسبه عمر مفید لوله های پلی پروپیلنی در سیستم های گرمایش است كه در این جا برای یك دوره كاری 50 ساله توضیح داده می شود . در یك دوره 50 ساله عملاً 14 سال از این دوره آب درون این لوله ها با دمایی دود 20 درجه سانتیگراد عبور می كند (چرا كه قطعاً 5/3 ماه ازسال پكیج ها خاموش است و تهیه آبگرم برای سیستم شوفاژ معنایی ندارد و این به معنی 14 سال از 50 سال است). در همین دوره 50 ساله ذكر شده ، حداكثر 25 سال آب درون لوله ها با دمای 60 درجه سانتی گراد عبور می كند كه جهت آب موجود برای مصرف استحمام میباشد كه توسط شوفاژ تامین می‌شود . در حداكثر 10 سال از دوره 50 ساله آب با دمای 80 درجه سانتی گراد عبور می كند در نهایت در دوره 50 ساله، به مدت یك‌سال به صورت دایمی می‌توان آب با دمای 90 درجه سانتی‌گراد عبور داد و در همین دوره 100 ساعت آب 100 درجه سانتی گراد را می توان عبور داد .در مورد كلاس های دیگر نظیر كلاس كاری شماره 4 كه برای سیستم گرمایش كفی كاربرد دارد می‌توان یك دوره 50 ساله را بررسی كرد. در مدت 50 سال تنها در 5/2 درجه سانتی‌گراد درلوله ها حركت می كند . درهمین دوره 50 ساله مورد بررسی ، 5/2 سال از آن آب با 70 درجه سانتی گراد و درحداكثر 100 ساعت آب با دمای 100 درجه سانتی گراد می تواند جریان داشته باشد برای دوره های دیگر هم می توان جدول زمانی كاری تعریف كرد .

 

ساختار

ازلحاظ ساختاری پلی پروپیلن یك پلیمر وینیلی بوده و بسیار شبیه به پلی اتیلن است .

پلی پروپیلن دارای مقاومت الكتریكی و شیمیایی خوب در دمای بالاست . اگرچه خواص  پلی پروپیلن خیلی شبیه پلی اتیلن است ولی تفاوت های اساسی با هم دارند . پلی پروپیلن دارای چگالی كمتر و دمای نرم شوندگی بالاتری نسبت به پلی اتیلن است . پلی اتیلن برخلاف سایر پلیمرها، مانند پلی اتیلن كه در دمای c100 مشخص است . پلی پروپیلن از مونومر پروپیلن با روش پلیمریزاسیون زیگلر - ناتا یا به كارگیری كاتالیزور و متالوسین حاصل می شود روش های پلیمریزاسیون پلی پروپیلن منجر به تولید محصولاتی با جرم های مولكولی متفاوت است به طوری كه منحنی توزیع جرم مولكولی پهن می شود و همین امر باعث رفتار ویسكوالاستیك در پلیمر میشود .

در واقع زنجیره غول آسای پلی پروپیلن میتواند به دو شكل ایزوتاكتیك و اتاكتیك ظاهر گردد. درصورتی كه شاخه فرعی متیل تنها دریك سمت این زنجیره قرار گیرد ، ساختارایزوتاكنیك شكل می گیرد و اگر شاخه متیل به صورت تصادفی در دو طرف زنجیره پلیمری قرار گیرد  ساختار اتاكتیك تولید می گردد. درهنگام تولید پلی پروپیلن با استفاده از كاتالیزور متالوسین می توان زنجیره پلی پروپینلی ساخت كه از تلفیق این دو نوع ساختار مذكور تشكیل شود . این پلیمبر یك الاستومر خوب بوده و به دلیل وجود ساختار ایزوتاكتیك به راتی به شكل كریستالی و مشبك درمی آید . اما به دلیل سآنكه ایزوتاكتیك و به ساختار اتاكتیك متصل است، دسته های كریستال ایزوتاكتیك با سختی كم ، با قابلیت لاستیك مانند و ارتجاعی و با پیوندهای اتاكتیكی به هم متصل می گردند . به عبارت دیگر ، بر اثر خاصیت ارتجاعی ساختار اتاكتیك ، این ساختار قدرت تحمل نیروی زیادی را ندارد . برای داشتن ساختمان قوی تر پلیمری باید از درصدهای بالاتری از ایزوتاكتیك استفاده نمود .

خواص لوله های پلیمری

درجدول (1-2) ، خواص فیزیكی ، مكانیكی ، حرارتی و الكتریكی این دسته از مواد پلیمری ذكرگردیده است .

خواص پلی پروپیلن

كدASTM

خواص

نوع به هم فشرده

مسلح شده با شیشه

رزین اصلاح نشده

خواص فیزیكی

D792

چگالی gr/cm3

905/0

24/1-05/1

91/0-85/0

D792

حجم مخصوص in3/ib

8/30-4/30

5/24

8/30-5/30

D570

درصد میزان جذب اب در زمان 24 ساعت درضخامت 1/8in

03/0-01/0

05/0-01/0

03/0-01/0

خواص مكانیكی

D638

مقاومت كششی (psi)

5000

14500-6000

4400-2800

D638

درصد ازدیاد طول

20-10

6/3-0/2

500-350

D638

مدول كششی (psi 10-5)

6/1

0/9-4/5

1/7-0/1

D790

مدول خمشی (psi 10-5)

5/2-7/1

5/8-5/3

8/1-2/1

D256

مقاومت ضربه ، ایزود (ft-ib/inof notch)

5/0-2/2

0/5-0/1

15-0/1

D785

سختی ، راكول (R)

110-80

110

85-50

خواص حرارتی

C177

هدایت حرارتی

8/2

-

0/3-0/4

D696

ضریب انبساط حرارتی (in/in0 F 10-5)

7/5-2/3

9/2-6/1

3/3-7/4

D648

دمای تغییر شكل 0F در psi264

140-124

300-230

135-120

D648

دمای تغییر شكل  0F در psi66

250-200

310

210-160

UL94

قالیت اشتعال

HB

HB

HB

خواص الكتریكی

D149

مقاومت دی الكتریك V/mil كوتاه مدت ضخامت 8/1in

600-500

475

650-500

D150

ثابت دی الكتریك در KHz 1

2/2-2/6

2/36

2/3

D150

فاكتور اتلاف در KHz 1

0018/0-

0005/0

0017/0

0003/0

D257

مقاومت حجمی (Ohm-cm)

17-10

16-10

15-10

D495

مقاومت جرقه (S)

160

100

-

 

 

تركيبات جديد

به منظور تغییر قابلیت های شیمیایی و فیزیكی پلی پروپیلن ، تركیبات جدیدی با مواد پایه پروپیلن با مونومرهای مختلف وجود آمد كه به نام های هوموپلیمر ، رندوم كوپلیمر و بلوك كوپلیمر شناخته می شود .

ساختار فیزیكی  PP-H : -P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P

ساختار فیزیكی PP-B: -P [P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-PC+EPR+PE

و ساختار فیزیكی PP-R:

...-P-P-P-P-E-E-P-P-P-E-E-E-P

می باشد در ساختارهای بالا هر یك از علائم اختصاری ذكر شده بیانگر یك ماده پلیمری است كه درجدول (2-2) این علائم ذكر شده است .

 

جدول 2-2 علائم اختصاری در ساختارهای مختلف پلی پروپیلن

نشان دهنده

علامت اختصاری

Propylene

P

Ethylene

E

Polyethylene

PE

Ethylene Propylene Rubber

ERP

 

مقایسه ساختارهای مختلف پلی پروپیلن

ساختار PP-H همان ساختار تلفیقی ایزوتاكتیكی و اتاكتیك مشخص شده دربالاست . در مورد PP-B می توان عنوان نمود كه این پلیمر از زنجیره اصلی پلیمری پلی پروپیلن همراه با مونومرهای پلی اتیلن (15-5 درصد) و EPR تشكیل شده است . در شكل (6-2) نوع دانه بندی و شبكه بندی این ساختار در زیر میكروسكوپ ذكر گردیده است :

همچنین ساختار رندوم كوپلیمر از زنجیره پلی پروپیلن و مونومرهای مختلفی تشكیل می شود كه اتیلن مونومر اصلی است . وجود این گونه مونومرها باعث تغییر خواص فیزیكی در ساختار اصلی پلی پروپیلن میشود . در مقایسه با ساختار PP-H، رندوم كوپلیمر دارای مقاومت ضربه بیشتر ، انعطاف پذیری بیشترو نقطه ذوب پایین تر است . همچنین ، این دو ساختار دارای خواص مشابه ای نظیر مقاومت شیمیایی بالا ، نغوذپذیری بخار آب پایین و عدم تاثیر در بو و مزه آب است رندوم كوپلیمر از 1 تا 7 درصد وزنی اتیلن و 99 تا 93 درصد وزنی پلی پروپیلن تشكیل شده است مولكول های اتیلن به صورت تصادفی بین مولكول های پلی پروپیلن قرار گرفته است . در حالت تصادفی 75 درصد از اتیلن موجود در بین زنجیره های پلی پروپیلن به صورت گروه سه تایی می آید (0X3) ، یعنی یك مولكول اتیلن در بین دو مولكول پلی پروپیلن قرارمی گیرد. در حدود 25 درصد از اتیلن  نیز به صورت مولكول های تلفیقی ذكر میشود ، یعنی مكن است به صورت گروه پنج متیلنی ، یعنی اتصال دو مولكول اتیلن بین دو مولكول پلی روپیلن ذكر گردد (X5) . نسبت تصادف دو  حالت قبل ، یعنی (X3 / X5) قابل اندازه گیری است .

درجات بالاتر این نسبت معرف كاهش درصد شبكه ای است كه درنهایت روی خواص اصلی PP-R تاثیر می گذارد . در واقع تاثیر افزایش اتیلن در افزایش مشبك شدن ساختار پلی پروپیلن مشابه تاثیر بالا رفتن میزان اتاكتیك در ساختار پلی پروپیلن می‌باشد كاهش درصد شبكه بندی در PP-RC، منجر به تغییرات خواص فیزیكی اعم از كاهش سختی و افزایش مقاومت ضربه می شود . همچنین حضور ایتلن موجود كاهش دمای ذوب این ساختار می شود . عامل ایجاد اصتال عرضی در لوله های پلی پروپیلن توسط پلیمر پلی اتیلنی می‌باشد .

افزایش اتصالات عرضی باعث افزایش فاز بلوری در PP-RC می شود در نتیجه باعث افزایش مدول استحكام كششی می شود . در آزمون های استحكام كششی نیز معلوم شده است كه تنش شكست با افزایش اتصال عرضی تا میزان خاصی افزایش ، در حالی كه افزایش طول تا پارگی كاهش می یابد . از آنجایی كه وزن مولكولی تاثیر عمده ای را در میزان درجه سختی می گذارد ، از دیدگاه خواص فیزیكی ، رندوم كوپلیمرها دارای انعطاف پذیری بیشتر و سختی كمتر نسبت به هموپلی پروپیلن می باشند همچنین PP-R، مقاومت ضربه بیشتری را نسبت به PP-G، تحمل می كند. همچنین PP-R مقاومت شیمیایی بالایی را در مقابل اسیدها ، بازها ، الكل ها و حلال های هیدروكربنی داشته و در آزمایش ESCR مقاومت بالایی را از خود نشان می دهد . در جدول (2-3) مقایسه ای بین خواص مكانیكی مختلف PP-B,PP-H و PP-R ذكر گردیده است .

 

خواص

روش آزمون

واحد

PP-R

PP-H

PP-B

(kg 16/2 ، o230) MFI

1133 ISO

Min10/gr

3/0

3/0

3/0

مدول الاستیسیته

790D ASTM

MPa

900

1500

1500

آزمون ضربه (oc23)

180 ISO

2kj/m

27

7

نمی شكند

آزمون ضربه (oc.)

180 ISO

3kj/m

-

-

9

تنش كششی تا تسلیم

37 ISO

MPa

15

36

35

تنش كششی تا شكست

37 ISO

MPa

32

40

39

درصد ازدیاد طول تا شكست

37 ISO

%

50 >

50 >

50 >