ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБ
POLYMER COMPOSITION FOR MAKING PIPES

Изобретение относится к полимерным композициям и может быть использовано для изготовления полимерных труб, предназначенных для транспортировки воды и прокладки кабелей.
Известна полимерная композиция для производства конструкционно-облицовочных изделий, включающая, мас.%: полиэтилен 7,0-15,0, сажу 0,3-1,5, окислитель 0,1-0,3, синтетический каучук или полиэтиленовый воск 0,2-5,0, малеиновый ангидрид 0,2-2,0, пигмент 0,2-10,0 и минеральный наполнитель [Патент РФ №2090529, МПК С04 В26/00, 1997]. Композиция обладает высокой механической прочностью, но может перерабатываться в изделия только прессованием, что исключает возможность изготовления изделий сложной конфигурации и труб.
Известна полимерная композиция для изготовления труб, включающая 92-99 мас.% бимодального полиэтилена и 1-8 мас.% сажи [Патент РФ №2271373, МПК C08L 23/04, C08L 23/06, F16L 9/12, 2006]. Композиция позволяет получить трубы с высоким (не менее 9,0 МПа) напряжением и стойкостью к распространению трещин. Недостатком композиции является сложность получения бимодального полиэтилена (полиэтилена с заданным молекулярно-массовым распределением), это исключает широкое использование данной полимерной композиции и сильно удорожает готовую продукцию.
Известна смесь для получения изделий из композиционных материалов, включающая, мас.%: кварцевый песок 30-40, отходы полиэтилентерефталата 60-50, отходы полиэтилена 5-10, мел 2,5-3,5 и высокодисперсный оксид кремния 2,0-2,5 [Патент РФ №2270817, МПК С04В 26/02, 2006]. Композиция позволяет получить изделия с высокой механической прочностью, но имеет сложную технологию изготовления: полимерные отходы совместно с мелом сначала подвергаются термомеханической обработке на вальцах, а полученная смесь подвергается обработке совместно с высокодисперсным диоксидом кремния в молотковой мельнице.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является полимерная композиция, включающая, мас.ч.: полиэтилен 20-99,4, газовую сажу 0,5-79,5, перекись (α,α,α',α'-тетраметилизофталилдитретбутилбисперекись и/или α,α,α',α'-тетраметилизофталилдикумилбисперекись) 0,5-10 и антиокислитель (2,6-ди(1-метилгептадецил)-4-метил(или этил)-фенол) 0,005-4,0 [Патент СССР №673182, МПК C08L 23/06, С08К 5/13, 1979]. Композиция хорошо перерабатывается в изделия прессованием, литьем под давлением и экструзией и обладает высокой стойкостью к термоокислительной деструкции. Недостатком композиции являются сравнительно невысокая механическая прочность, а также дефицитность и дороговизна компонентов (перекись и антиокислитель).
Задача изобретения - повышение механической прочности, снижение стоимости полимерной композиции и утилизация отходов полиэтилена.
Поставленная задача решается тем, что полимерная композиция для изготовления труб, содержащая полиэтилен и сажу, согласно изобретению дополнительно содержит мелкодисперсный диоксид кремния, а в качестве полиэтилена - вторичный полиэтилен высокого давления (ПЭВД) и вторичный полиэтилен низкого давления (ПЭНД) при следующем содержании компонентов, мас.%:
сажа
0,1-0,5
диоксид кремния
0,5-3,0
ПЭВД вторичный
40-72
ПЭНД вторичный
остальное
Сущность изобретения заключается в следующем. Смесь ПЭВД и ПЭНД в заявленных соотношениях позволяет получить термопластичное связующее с максимальной механической прочностью, что компенсирует снижение механической прочности ПЭНД и ПЭВД при их вторичной переработке. Одновременно решается задача утилизации отходов этих полимеров. Кроме того, заявляемое соотношение между ПЭВД и ПЭНД обеспечивает оптимальные технологические параметры расплава (в первую очередь текучесть), необходимые при переработке композиций в изделия (трубы) методом экструзии.
Сажа обеспечивает повышение механической прочности и атмосферостойкости полиэтилена. При содержании сажи менее 0,1 мас.% эффект от ее введения малозаметен, а при содержании более 0,5 мас.% возникают технологические трудности при переработке композиции методом экструзии.
Мелкодисперсный диоксид кремния, введенный в композицию, позволяет значительно повысить механическую прочность и теплостойкость материала. При содержании диоксида кремния менее 0,5 мас.% уменьшается механическая прочность и теплостойкость композиции, а при содержании более 3,0 мас.% появляется хрупкость.
Композицию готовят следующим образом. Измельченные отходы ПЭВД и ПЭНД (размер частиц до 5 мм) смешивают в лопастном смесителе с дисперсной сажей и диоксидом кремния до получения однородной массы. Из полученной композиции изготавливают трубы методом экструзии.
Образцы для испытаний (ленту толщиной 0,5 мм) изготавливали методом экструзии при температуре по зонам: I - 120°С, II - 140°С, III - 160°С, IV - 180°С.
Конкретные составы полимерных композиций приведены в таблице 1. Сравнительные свойства предлагаемой композиции и известной приведены в таблице 2.
Как следует из данных таблицы 2, предлагаемая композиция обладает значительно более высокой механической прочностью, чем композиция по прототипу. При этом она состоит на 99,5-99,4% из вторичных полимерных материалов и не содержит в своем составе дефицитных и дорогостоящих компонентов, что значительно снижает ее стоимость и решает проблему утилизации отходов полимеров. Композиция обладает низким коэффициентом трения, что облегчает ее переработку и монтажные работы с готовым изделием (трубами).
Контрольные примеры 1 и 7 показывают, что выход за заявленные пределы содержания компонентов приводит к снижению механической прочности. Контрольный пример 8 показывает, что замена в композиции диоксида кремния на диоксид титана приводит к резкому снижению механической прочности материала. Таким образом, только полное сочетание отличительных признаков приводит к достижению положительного результата.
Разрушающее напряжение при растяжении определяем по ГОСТ 11262-80. Коэффициент трения определяем на машине трения СМТ-1 по схеме вал-вкладыш при скорости скольжения 0,5 м/с и номинальном контактном давлении 2 МПа. В качестве вала использовали ролик диаметром 40 мм, изготовленный из стали 45. В качестве вкладыша применяли сектор, вырезанный из стального кольца шириной 10 мм, внутренним диаметром 40 мм и длиной рабочей поверхности 20 мм. На рабочей поверхности вкладыша закрепляли ленту из испытываемой композиции толщиной 0,5 и шириной 10 мм.
Предлагаемая композиция была испытана при изготовлении партии труб для мелиорации и прокладки телефонных кабелей на РУП СКТБ «Металлополимер» (г. Гомель), что подтверждает соответствие заявленного технического решения критерию «промышленная применимость».
Таблица 1
Состав композиций, мас.%
Компонент
1
Заявленный состав
7
8
2
3
4
5
6
Сажа газовая (ГОСТ 7885-88) марки:
-П-234
0,05
0,1
-
0,3
-
0,5
0,6
0,3
-ДГ-100
-
-
0,2
-
0,4
-
-
-
Диоксид кремния (ГОСТ 18307-78) марки:
-БС-50
0,4
0,5
-
1,5
-
3,0
3,5
-
-БС-100
-
-
1,0
-
2,2
-
-
-
Полиэтилен высокого давления вторичный:
- измельченная пленка марки М (ГОСТ 10354-85)
35
40
-
56
-
72
75
56
- измельченная пленка марки СТ (ГОСТ 10354-85)
-
-
48
-
64
-
-
-
Полиэтилен низкого давления вторичный
(ТУ РБ 800017526.003-2004)
64,55
59,4
50,8
42,2
33,4
24,5
20,9
42,2
Диоксид титана (ТУ 6-10-727-78)
-
-
-
-
-
-
-
1,5
Таблица 2
Сравнительные свойства композиций
Показатель
1
Заявляемый состав
7
8
Прототип: патент СССР №637182
2
3
4
5
6
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа
18,6
20,0
23,0
32,2
24,2
21,2
15,5
16,5
16,4-18,9
Коэффициент трения при нагрузке 2 МПа и скорости 0,5 м/с
0,20
0,20
0,20
0,18
0,18
0,16
0,16
0,18
-