ТРУБКА НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНОГО КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА

Область техники
Техническое решение преимущественно касается трубок, изготовленных на основе термопластичного композита, в частности, из полипропилена и его сополимеров с этиленом и неорганическими наполнителями и/или армированием.
Состояние техники
Термопластичные композиты производятся с различными органическими наполнителями, например, древесной мукой, но, главное, с неорганическими наполнителями, из которых наиболее часто применяется карбонат кальция, и/или армирование, которое главным образом состоит из стекловолокна и талька.
3
3
Применение неорганических наполнителей и армирование в термопластичных композитах в настоящее время является распространенной технологией. Но, если наполнители должны быть действительной эффективными и должны существенно повлиять на механические и прочие физические свойства, то их необходимо использовать с концентрацией минимально 20-30% массы. Это может быть накладным с финансовой стороны, особенно если рассматривать повышенную плотность материала, заполняемого или укрепляемого неорганическими веществами. Плотность полиолефинов, особенно полипропилена и полиэтилена, как типичных представителей, обычно находится в пределах 890-960 кг/м и плотность неорганических заполнителей и армирований, обычно находится в пределах 2250-2600 кг/м.
У термопластических композитов в большинстве случаев имеется стремление улучшить механические свойства материала. Менее обычным является стремление к улучшению и/или получению желаемого изменения других физических свойств. Речь, например, может идти также об изменении электрических свойств. В этом случае действия направлены к уменьшению поверхностного и/или объемного электрического сопротивления. Для этого обычно применяется одна из форм алюминия - электропроводная сажа. Из термопластичных композитов с сажей, и не только электропроводящей, благодаря повышенному поглощению теплового излучения или передачи содержащегося в почве, воде или воздухе тепла изготавливаются теплообменные элементы, обычно в форме трубок или мешков. По этим теплообменным элементам протекает жидкость, чаще всего вода, которая передает энергию для последующего ее использования, например, для нагрева зданий и технической воды.
Из прочих форм углерода во внимание приходит углеродное волокно. Его применение в качестве армирования для пластиков обычно направлено на улучшение механических свойств результатного композита.
Существо технического решения
Задачей технического решения является создание трубок с уменьшенным коэффициентом теплового расширения (в следующем тексте применяется сокращение CLTE - Coefficient of Linear Thermal Expansion). Задача решается тем, что для изготовления таких трубок в соответствии с техническим решением предлагается использовать термопластичный композит из полипропилена и его статических сополимеров с этиленом и армированием, содержащий 3-15 мас. % углеродного волокна.
С точки зрения дозировки выгодным будет, когда применяется молотое углеродное волокно.
С точки зрения возможности обработки выгодным будет, когда применяется рубленое углеродное волокно.
С функциональной точки выгодным будет, когда термопластичный композит содержит до 5% массы вяжущегося средства на основе полипропилена и его сополимеров с этиленом и полярными сомономерами.
С учетом уменьшения CLTE целесообразно, чтобы трубка содержала минимально в одном слое углеродное волокно, которое у двухслойной трубки является внутренним слоем, а у трехслойной трубки средним слоем.
Преимуществом трубок, изготовленных из термопластичного композита, согласно техническому решению, является экономия расходов на создание трубопроводных систем. Эта экономия достигается уменьшением CLTE трубок, и тем самым уменьшение количества компенсаторов теплового расширения в трубопроводной системе и количества соединительных фитингов.
Пояснение чертежей
Техническое решение будет более подробно объяснено с применением чертежей, на фиг. 1 показан поперечный разрез однослойной трубки; на фиг. 2 поперечный разрез двухслойной трубки, и на фиг. 3 поперечный разрез трехслойной трубки.
Примеры исполнения технического решения
В первую очередь рассматриваются термопластичные композиты на основе полипропилена и его статических сополимеров с этиленом и неорганическими наполнителями и армированием.
Под наполнителями в следующем тексте упоминаются неорганические или органические частицы примерно с шарообразной симметрией, например, мелкий порошок карбоната кальция, древесная мука или стеклянные шарики. В следующем тексте упоминаются неорганические или органические частицы, применяемые в обычном количестве, с примерно плоской или волокнистой формой, например, стекловолокно, базальтовое волокно, углеродные волокна, волластонит, слюда или тальк. Также, если не будет указано иначе, в обычно указанных количествах также, как добавки, под которыми в следующем тексте подразумеваются термоокисляющие стабилизаторы, стабилизаторы против воздействия УФ излучения, смазки, пигменты и красители, добавки против образования наплавов на насадке, нейтрализаторы кислотности, диспергаторы наполнителей и армирования (например, ребристые сополимеры и модифицированные воски), средства для связи наполнителей и/или армирования с матрицей термопластика (например, силаны) и прочее.
Примененный метод оценки коэффициента линейного теплового расширения
Образцы в форме трубок измерялись в направлении изготовления трубки, т.е. в продольном направлении.
0
Измерение было предложено в стандартном исполнении на испытываемом теле длиной 15 мм, изготовленном из рабочей части впрыскиваемого многоцелевого испытываемого тела, размеры которого были стабилизированы подогреванием в течение 7 дней при температуре 95°С. Примененное оборудование DMA DXT04 (фирма RMI Чешская Республика) позволяет осуществлять измерение так, что испытываемое тело расположено в давящем приспособлении и подвергается воздействию постоянного давления 4 кПа. Во время температурных сканирований измерялось изменение Δh начальной высоты тела h.
Условия измерения выбирались, после изменения на основании опыта в измерении в 2010 году, следующим образом:
нагревание до температуры 95°С со скоростью 3°С/мин., выдерживание 20 мин.
охлаждение до 20°С со скоростью 1°С/мин, запись каждые 0,5°, выдерживание 20 мин.
нагревание до температуры 95°С со скоростью 1°С/мин., без выдерживания
охлаждение до 20°С со скоростью 10°С/мин, ОСТАНОВКА
0
график температурной зависимости Δh=h-h аппроксимируется прямой:
0
h=h * [1+α * (Т - 23°С)].
Оценка выполнялась как для первого охлаждения образца, так и для второго нагрева. Значения сравнивались, и далее для каждого материала рассчитывалось среднее значение.
Оценивалось изменение длины 1 испытываемых тел в зависимости от температуры. По результатам этих измерений был рассчитан местный коэффициент теплового расширения:
,
где расчет производной был заменен местной интерполяцией прямой через пять идущих друг за другом исправленных точки. Расчеты были выполнены как для первого охлаждения образца, так и для второго нагрева.
Значения сравнивались, и далее для каждого материала рассчитывалось среднее значение.
Пример 1 - исполнение технического решения в соответствии с состоянием техники
В качестве термопластичной матрицы применен статический сополимер пропилена и этилена со следующими характеристиками:
- индекс потока расплава 0,25 (г/10 минут), (230°С, 2,16 кг), (ISO 1133)
- содержание этилена 5% масс.,
3
- плотность 902 кг/м (ISO 1183/А).
была подготовлена таблица с размерами, указанными в таблице 1.
-6
Вышеуказанным способом был измерен коэффициент линейного теплового расширения (CLTE) с результатом α[10/°С]=178.
Схематический поперечный разрез этой трубки показан на фиг. 1.
Пример 2 - изготовление трубки согласно предложенному техническому решению
В качестве термопластичной матрицы применен статический сополимер пропилена и этилена со следующими характеристиками:
- индекс потока расплава 0,25 (г/10 минут), (230°С, 2,16 кг), (ISO 1133)
- содержание этилена 5% масс.,
3
- плотность 902 кг/м (ISO 1183/А).
был приготовлен термопластичный композит, содержащий 3 мас. % углеродного волокна с параметрами, указанными в таблице 2. В качестве вяжущего средства между волокнами и полимерной матрицей был добавлен полипропилен, обработанный малеиновым ангидридом в количестве 1 мас. %.
Из термопластического композита, содержащего 3 мас. % углеродного волокна согласно таблице 2, была изготовлена трубка с такими же размерами, как указано в таблице 1. Схематически поперечный разрез такой трубки показан на фиг. 1, где только в один слой 1 выполнен из термопластичного композита согласно предложенной полезной модели.
-6
Измеренный коэффициент линейного теплового расширения (CLTE) трубки, выполненной из термопластического композита, содержащего 3 мас. % углеродного волокна, достиг α[10/°С]=96.
Пример 3 - изготовление трубки согласно предложенному техническому решению
В качестве термопластичной матрицы использован статический сополимер пропилена и этилена со следующими характеристиками:
- индекс потока расплава 0,25 (г/10 минут), (230°С, 2,16 кг), (ISO 1133)
- содержание этилена 5% масс.,
3
- плотность 902 кг/м (ISO 1183/А).
Был приготовлен термопластичный композит, содержащий 7 мас. % углеродного волокна с параметрами, указанными в таблице 2.
Из этого композита, содержащего 7 мас. % углеродного волокна и имеющего свойства согласно таблице 2 была изготовлена трубка с такими же размерами, как указано в таблице 1. Схематический поперечный разрез такой трубки показан на фиг. 1, с термопластичным композитом в одном слое 1. В качестве вяжущего средства между волокнами и полимерной матрицей был добавлен полипропилен, обработанный малеиновым ангидридом в количестве 2,1 мас. %.
-6
Описанным выше методом был измерен коэффициент линейного теплового расширения (CLTE), он достиг α[10/°С]=37.
Пример 4 - изготовление трубки согласно предложенному техническому решению
Была изготовлена трубка согласно фиг. 2, состоящая из двух слоев.
В качестве термопластичной матрицы применен статический сополимер пропилена и этилена со следующими характеристиками:
- индекс потока расплава 0,25 (г/10 минут), (230°С, 2,16 кг), (ISO 1133)
- содержание этилена 5% масс.,
3
- плотность 902 кг/м (ISO 1183/А).
Был приготовлен термопластичный композит, содержащий 10 мас. % углеродного волокна с параметрами, указанными в таблице 2, и далее в тексте обозначенный как КОМПОЗИТ PPR4. В качестве вяжущего средства между волокнами и полимерной матрицей был добавлен полипропилен, обработанный малеиновым ангидридом в количестве 3 мас. %. Вторым материалом был основной статический сополимер пропилена и этилена со следующими характеристиками:
- индекс потока расплава 0,25 (г/10 минут), (230°С, 2,16 кг), (ISO 1133)
- содержание этилена 5% масс.,
3
- плотность 902 кг/м (ISO 1183/А).
Была изготовлена трубка с размерами, указанными в таблице 1. Схематический поперечный разрез такой трубки показан на фиг. 2, на нем из композита PPR4 изготовлен внутренний слой 2, а из основного статического сополимера пропилена и этилена - внешний слой 3. Размеры трубки указаны в таблице 2.
Была изготовлена коэкструдированная трубка, имеющая два слоя, см. таблицу 3.
-6
Описанным выше методом был измерен коэффициент линейного теплового расширения (CLTE), он достиг α[10/°С]=28.
Пример 5 - изготовление трубки согласно предложенному техническому решению
В качестве термопластичной матрицы применен статический сополимер пропилена и этилена со следующими характеристиками:
- индекс потока расплава 0,25 (г/10 минут), (230°С, 2,16 кг), (ISO 1133)
- содержание этилена 5% масс.,
- плотность 902 кг/м3 (ISO 1183/А).
Из него был приготовлен термопластичный композит, содержащий 15 мас. % углеродного волокна. В качестве вяжущего средства между волокнами и полимерной матрицей был добавлен полипропилен, обработанный малеиновым ангидридом в количестве 5 мас. %, имеющий параметры, указанные в таблице 2, и далее в тексте обозначенный как КОМПОЗИТ PPR5. Была изготовлена трехслойная рубка с размерами, указанными в таблице 4. Схематический поперечный разрез такой трубки показан на фиг. 3, причем из композита PPR5 выполнен средний слой 4, а внешний слой 3 и внутренний слой 2 - выполнены из статического сополимера пропилена и этилена со следующими характеристиками:
- индекс потока расплава 0,25 (г/10 минут), (230°С, 2,16 кг), (ISO 1133)
- содержание этилена 5% масс.,
3
- плотность 902 кг/м (ISO 1183/А).
-6
Описанным выше методом был измерен коэффициент линейного теплового расширения (CLTE), он достиг α[10/°С]=18.
Пример 6 - изготовление трубки согласно предложенному техническому решению
В качестве термопластичной матрицы применен статический сополимер пропилена и этилена со следующими характеристиками:
- индекс потока расплава 0,25 (г/10 минут), (230°С, 2,16 кг), (ISO 1133)
- содержание этилена 5 мас. %,
3
- плотность 902 кг/м (ISO 1183/А).
Из него был приготовлен термопластичный композит, содержащий 15 мас. % молотого углеродного волокна с параметрами, указанными в таблице 5, и далее в тексте обозначенный как КОМПОЗИТ PPR5. В качестве вяжущего средства между волокнами и полимерной матрицей был добавлен полипропилен, обработанный малеиновым ангидридом в количестве 5 мас. %.
Была изготовлена трехслойная рубка с размерами, указанными в таблице 6. Схематический поперечный разрез такой трубки показан на фиг. 3, причем из композита PPR5 выполнен средний слой 4, а внешний слой 3 и внутренний слой 2 - из статического сополимера пропилена и этилена со следующими характеристиками:
- индекс потока расплава 0,25 (г/10 минут), (230°С, 2,16 кг), (ISO 1133)
- содержание этилена 5 мас. %,
3
- плотность 902 кг/м (ISO 1183/А).
-6
Описанным выше методом был измерен коэффициент линейного теплового расширения (CLTE), он достиг α[10/°С]=18.
Пример 7 - изготовление трубки согласно предложенному техническому решению
В качестве термопластичной матрицы использован статический сополимер пропилена и этилена со следующими характеристиками:
- индекс потока расплава 0,30 (г/10 минут), (230°С, 2,16 кг), (ISO 1133)
3
- плотность 905 кг/м (ISO 1183/А).
Был приготовлен термопластичный композит, содержащий 7 мас. % углеродного волокна с параметрами, указанными в таблице 2.
Из этого композита, содержащего 7 мас. % углеродного волокна со свойствами согласно таблице 2, была изготовлена трубка с такими же размерами, как указано в таблице 1. Схематический поперечный разрез такой трубки показан на фиг. 1, с термопластичным композитом в одном слое 1. В качестве вяжущего вещества между волокнами и полимерной матрицей был добавлен полипропилен, обработанный малеиновым ангидридом в количестве 2,1 мас. %.
-6
Описанным выше методом был измерен коэффициент линейного теплового расширения (CLTE), он достиг α[10/°С]=32.
Возможности для применения в промышленности
Пластиковые трубки, выполненные согласно предложенного технического решения, также как и прочие элементы трубопроводов из полипропилена и его статических сополимеров с этиленом, выполненные согласно предложенного технического решения, имеют уменьшенный коэффициент теплового расширения. Композитный материал, описанный в настоящей заявке, можно применять и для производства коэкструдированных трубок для применения под давлением и без давления. Также его можно применять для изготовления плит или пленок, особенно коэкструдированных (два-три слоя) плит.