ПОЛИЭТИЛЕНОВАЯ ФОРМОВОЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ СТАЛЬНЫХ ТРУБ С ПОКРЫТИЕМ
POLYETHYLENE MOULDING COMPOSITION FOR COATED STEEL PIPES

Настоящее изобретение относится к полиэтиленовой формовочной, композиции с мультимодальным распределением молярных масс, которая особенно подходит для получения защитных покрытий на трубах, а также к способу получения такой формовочной композиции в присутствии каталитической системы, содержащей катализатор Циглера и сокатализатор, посредством многостадийной последовательности реакций, включающей последовательные этапы полимеризации.
Полиэтилен широко применяется в промышленности, в случаях когда для обеспечения долгого времени жизни даже при повышенных температурах использования требуется материал с высокой механической прочностью и высокой устойчивостью к термоокислительной деградации. Для такого применения является преимуществом, если полиэтиленовая формовочная композиция обладает низкой проницаемостью для паров воды и кислорода, поскольку в этом случае стальные трубы затем эффективно защищены от коррозии при контакте с влагой и воздухом. Кроме того, особенными преимуществами полиэтилена являются хорошая химическая устойчивость, низкая собственная масса и то, что этот материал легко обрабатывать в расплаве.
В WO 97/03139 описана основанная на полиэтилене композиция покрытия, имеющая бимодальное распределение молярных масс, подходящая для получения покрытий на металлических трубах и придающая покрытому субстрату повышенную стойкость по отношению к коррозии, окислительному старению, влиянию погодных условий всех типов и механическому напряжению.
Известные полиэтиленовые формовочные композиции с унимодальным распределением молярных масс характеризуются недостатками в области их технологичности, устойчивости к разрушению при воздействии окружающей среды и механической прочности. Формовочные композиции с бимодальным распределением молярных масс представляют собой техническое усовершенствование по отношению к композициям с унимодальным распределением. Они легче обрабатываются и обладают (на что указывает плотность) повышенным соотношением жесткости/устойчивости к разрушению при действии окружающей среды.
Таким образом, задача настоящего изобретения заключалась в разработке полиэтиленовой формовочной композиции, сохраняющей высокую технологичность, но характеризующейся значительными преимуществами относительно устойчивости к разрушению под действием окружающей среды и устойчивости к механическим нагрузкам, в особенности при температурах ниже 0°С.
Эта задача решается посредством упомянутой в начале формовочной композиции общего типа, отличительной характеристикой которой является то, что она содержит: от 45 до 55 мас.% низкомолекулярного гомополимера этилена А, от 30 до 40 мас.% высокомолекулярного сополимера В этилена и другого олефина, содержащего от 4 до 8 атомов углерода, и от 10 до 20 мас.% ультравысокомолекулярного сополимера этилена С, где все процентные содержания приведены по отношению к общей массе формовочной композиции.
Также изобретение обеспечивает способ получения такой формовочной композиции в процессе каскадной суспензионной полимеризации и бездефектное покрытие стальных труб при помощи этой композиции, обладающее замечательными свойствами механической прочности в комбинации с высокой жесткостью.
3
Полиэтиленовая формовочная композиция по изобретению характеризуется плотностью в диапазоне от 0,94 до 0,95 г/см при 23°С и широким тримодальным распределением масс. Высокомолекулярный сополимер В содержит пропорцию дополнительных единиц олефинового мономера, содержащего от 4 до 8 атомов углерода, а именно - от 5 до 8 мас.%. Примерами таких сомономеров являются 1-бутен, 1-пентен, 1-гексен, 1-октен и 4-метил-1-пентен. Ультравысокомолекулярный сополимер этилена С подобным образом содержит один или более из упомянутых выше сомономеров в количестве в диапазоне от 7 до 11 мас.%.
190/5
overall
3
3
Кроме того, формовочная композиция по изобретению имеет показатель текучести расплава в соответствии с ISO 1133, выражаемый как MFI, в пределах от 1,2 до 2,1 дг/мин и число вязкости VN, измеряемое в соответствии с ISO/R 1191 в декалине при температуре 135°С, в пределах от 260 до 340 см/г, в частности от 280 до 320 см/г.
Тримодальность как меру положения центров тяжести трех индивидуальных распределений молярных масс можно описать с помощью числа вязкости VN в соответствии с ISO/R 1191 полимеров, образованных на стадиях последовательной полимеризации. Ширина полос полимеров, образованных на отдельных стадиях реакции, следующая:
1
A
3
Число вязкости VN, измеренное для полимера после первой стадии полимеризации, идентично числу вязкости VN низкомолекулярного полиэтилена А и согласно изобретению составляет от 70 до 90 см/г.
2
B
2
3
Число вязкости VN, измеренное для полимера после второй стадии полимеризации, не соответствует VN относительно высокомолекулярного полиэтилена В, образованного на второй стадии полимеризации, которое может быть вычислено только математически, но зато соответствует числу вязкости смеси полимера А и полимера В. Согласно изобретению VN находится в пределах от 150 до 180 см/г.
3
C
3
3
3
Число вязкости VN, измеренное для полимера после третьей стадии полимеризации, не соответствует VN ультравысокомолекулярного сополимера С, образованного на третьей стадии полимеризации, которое аналогично может быть вычислено только математически, но зато соответствует числу вязкости смеси полимера А, полимера В и полимера С. Согласно изобретению VN находится в пределах от 260 до 340 см/г, в частности от 280 до 320 см/г.
Полиэтилен получают полимеризацией мономеров в суспензии при температурах в пределах от 70 до 90°С, предпочтительно - от 80 до 90°С, давлении в пределах от 2 до 10 бар и в присутствии высокоактивного катализатора Циглера, состоящего из соединения переходного металла и алюмоорганического соединения. Полимеризация является трехстадийной, т.е. она проводится в три последовательных этапа, причем на каждом этапе молярная масса регулируется добавлением водорода.
Помимо полиэтилена полиэтиленовая формовочная композиция по изобретению может далее содержать дополнительные добавки. К ним относятся, например, термостабилизаторы, антиоксиданты, поглотители УФ, светостабилизаторы, дезактиваторы металла, соединения, разлагающие пероксид, основные состабилизаторы, в количестве от 0 до 10 мас.%, предпочтительно - от 0 до 5 мас.%, а также наполнители, упрочняющие материалы, пластификаторы, смазочные вещества, эмульгаторы, пигменты, оптические отбеливатели, ингибиторы горения, антистатики, пенообразователи, или комбинации этих соединений, в общем количестве от 0 до 50 мас.% по отношению к общей массе смеси.
Формовочная композиция по изобретению особенно применима для получения покрытий на металлических трубах путем экструзии, когда полиэтиленовая формовочная композиция сначала пластифицируется в экструдере при температуре в пределах от 200 до 250°С, а затем экструдируется через подходящее выходное отверстие на поверхность трубы и там охлаждается.
2
Формовочную композицию по изобретению для получения покрытий можно обрабатывать особенно хорошо путем процесса экструзии потому, что она характеризуется ударной вязкостью образца с надрезом (ISO) в пределах от 8 до 14 кДж/м и устойчивостью к растрескиванию при воздействии окружающей среды (ESCR) в пределах >200 ч.
Ударную вязкость образца с надрезом ISO измеряют при -30°С в соответствии с ISO 179-1/leA/DIN 53453. Размер образца составляет 10×4×80 мм, и он имеет V-образный надрез с углом 45°, глубиной 2 мм и радиусом в основании надреза 0,25 мм.
Устойчивость к растрескиванию при воздействии окружающей среды (ESCR) для формовочной композиции по изобретению определяют методом измерения внутреннего состояния и выражают в часах (ч). Этот лабораторный метод описан в M.Fleiβner in Kunststoffe 77 (1987), p.45 ff, и соответствует ISO/CD 16770, который действителен в настоящее время. В публикации сообщается, что существует взаимоотношение между определением медленного роста трещин в испытании на ползучесть на тестируемых стержнях с кольцеобразным надрезом и исследованием хрупкости в анализе внутреннего давления согласно ISO 1167. Сокращение времени до разрушения достигается сокращением времени зарождения трещины путем нанесения надреза (лезвием 1,6 мм) в этиленгликоле в качестве среды, индуцирующей растрескивание при воздействии окружающей среды, при температуре 80°С и напряжении при растяжении 3,5 МПа. Получение образцов осуществляют выпиливанием трех исследуемых образцов размером 10×10×90 мм из прессованной плиты толщиной 10 мм. На центры исследуемых образцов по очереди наносят надрезы при использовании лезвия в аппарате, созданном собственными силами для этой цели (Фиг.5 в публикации). Глубина надреза 1,6 мм.
Пример 1
Полимеризацию этилена осуществляют постоянным процессом в трех последовательно соединенных реакторах. В первый реактор загружают катализатор Циглера, полученный способом, описанным в WO 91/18934, примере 2, обозначенный в указанной заявке 2.2., в количестве 0,08 ммоль/ч, а также достаточное количество среды для суспензии (гексана), триэтилалюминий в качестве сокатализатора в количестве 0,08 ммоль/ч, этилен и водород. Количество этилена (65 кг/ч) и количество водорода (68 г/ч) выбирают таким образом, чтобы пропорции в газовом пространстве первого реактора составляли от 25 до 26 об.% этилена и 65 об.% водорода; остаток составляет смесь азота и испаряющейся суспензионной среды.
Полимеризацию в первом реакторе проводят при температуре 84°С.
2
Затем суспензию из первого реактора направляют во второй реактор, в котором пропорция водорода в газовом пространстве снижена до 7-9 об.%, и в который был добавлен этилен в количестве 48,1 кг/ч и 1-бутен в количестве 2940 г/ч. Снижение количества водорода достигается путем промежуточной разгерметизации Н. Концентрации в газовом пространстве второго реактора составляют 73 об.% для этилена, 8 об.% для водорода и 0,82 об.% для 1-бутена; остаток составляет смесь азота и испаряющейся суспензионной среды. Дополнительно вводят суспензионную среду и триэтилалюминий.
Полимеризацию во втором реакторе проводят при температуре 83°С.
2
Суспензию из второго реактора направляют в третий реактор через следующую промежуточную разгерметизацию H, посредством чего количество водорода в газовом пространстве третьего реактора составляет 2,5 об.%.
В третий реактор вводят этилен в количестве 16,9 кг/ч и 1-бутен в количестве 1500 г/ч. В газовом пространстве третьего реактора пропорции составляют 87 об.% для этилена, 2,5 об.% для водорода и 1,2 об.% для 1-бутена, остаток составляет смесь азота и испаряющейся суспензионной среды. Дополнительно вводят суспензионную среду и триэтилалюминий.
Полимеризацию в третьем реакторе проводят при температуре 83°С.
Долговременную активность катализатора полимеризации, необходимую для описанного выше каскадного способа реакции, обеспечивают специально разработанным катализатором Циглера, состав которого описан в заявке WO, упомянутой в начале. Мерой применимости этого катализатора является его необычно чрезвычайно высокий ответ на водород и его высокая активность, остающаяся постоянной в течение длительного периода от 1 до 8 часов.
Суспензионную среду отделяют от полимерной суспензии, выходящей из третьего реактора, порошок высушивают и отправляют на гранулирование.
A
B
C
Числа вязкости и пропорции W, W и W полимеров А, В и С для полиэтиленовой формовочной композиции, полученной согласно примеру 1, приведены ниже в таблице 1.
Пример
1
W<sub>A</sub> [мас.%]
50
W<sub>B</sub> [мас.%]
37
W<sub>C</sub> [мас.%]
13
VN<sub>1</sub> [см<sup>3</sup>/г]
80
VN<sub>2</sub> [см<sup>3</sup>/г]
165
VN<sub>overall</sub> [см<sup>3</sup>/г]
304
FNCT [ч]
220
AFM (-30°C)
3,8 кДж/м<sup>2</sup>
ACN (+23°C)
13 кДж/м<sup>2</sup>
Аббревиатуры физических свойств из таблицы 1 имеют следующие значения:
FNCT - устойчивость к растрескиванию при воздействии окружающей среды (Full Notch Creep Test, испытание на ползучесть с полным надрезом) определенная методом измерения внутреннего состояния, описанным M.Fleiβner, в [ч], условия: 95°С, 3,5 МПа, вода/2% Arkopal.
2
AFM (-30°C) - ударная вязкость образца с надрезом, определенная согласно ISO 179-1/leA/DIN 53453 в [кДж/м] при -30°C.
2
ACN (+23°C) - ударная вязкость образца с надрезом, определенная согласно ISO 179-1/leA/DIN 53453 в [кДж/м] при +23°С.