Антидиффузионный слой что это
Диффузия кислорода в полимерных трубах
Запись дневника создана пользователем evraz, 28.09.13
Просмотров: 21.697, Комментариев: 11
Кислородопроиницаемость однослойных и многослойных полимерных труб PEX, PPR, PEX-EVON, PPR-FG-PPR, PERT-AL-PERT, PPR-AL-PPR
Кислородопроиницаемость однослойных и многослойных полимерных труб PEX, PPR, PEX-EVON, PPR-FG-PPR, PERT-AL-PERT, PPR-AL-PPRВыдержки:
«.
ДИФФУЗИЯ КИСЛОРОДА В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СИСТЕМАХ РАДИАТОРНОГО ОТОПЛЕНИЯ
Влияние диффузии кислорода в полимерных трубах на замкнутую высокотемпературную систему (радиаторное отопление) хорошо известно. Проникающий через стенки трубы кислород насыщает разогретый до высокой температуры теплоноситель пузырьками кислорода, порождая кавитационные процессы в насосах (Рис.2), вентилях (Рис.3), во всех других металлических элементах трубопроводной системы:
Рис. 2. Разрушение водяного насоса, и скан поверхности ротора насоса (Сканирующий мультмикроском СММ-2000) в результате насыщения теплоносителя кислородом
.
ДИФФУЗИЯ КИСЛОРОДА В ЗАМКНУТЫХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СИСТЕМАХ ОТОПЛЕНИЯ (ТЕПЛЫЕ ПОЛЫ, ПАНЕЛЬНОЕ ОТОПЛЕНИЕ)
До недавнего времени считалось, что диффузия кислорода создает проблемы только в высокотемпературных системах, но в конце 2011 года авторитетная шведская лаборатория EXOVA (ранее Bodycote Polymer) завершила 12-ти летние испытания полимерных труб в замкнутых низкотемпературных системах отопления (теплых полах, панельном отоплении). Результаты оказались несколько неожиданными, Рис. 4.
Рис. 4. Заиливание стенок однослойной трубы в низкотемпературной системе отопления (Exova, 2011)
В низкотемпературных замкнутых системах отопления в кислородопроницаемых трубах (PEX, PPR, PPR-FG-PPR, PP-GF-PP, PPR-GF) проникающий через стенки трубы в теплоноситель кислород провоцирует развитие аэробных микроорганизмов, в результате стенки трубы заиливаются продуктами жизнедеятельности аэробных бактерий, и трубопроводная система со временем выходит их строя, теряя свою пропускную способность.
. Для того, что бы подорожавшая система отопления и водоснабжения не стала постоянной головной болью при выборе труб, будет необходимо учитывать все факторы влияющие на надежность системы: термостойкость, термостабильность, кислородопроницаемость, и разумеется, репутацию производителя. «
Дополнено
Еще одна статья, выдержки
valtec_expert
EVOH: зачем он нужен
В пункте 6.4.1 СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» указывается: «Полимерные трубы, применяемые в системах отопления совместно с металлическими трубами (в том числе в наружных системах теплоснабжения) или с приборами и оборудованием, имеющим ограничения по содержанию растворенного кислорода в теплоносителе, должны иметь кислородопроницаемость не более 0,1 г/(м3∙сут)». Соблюдение этого условия обеспечивает применение пластиковых труб с антидиффузионным слоем – металлическим или полимерным (EVOH). А что будет, если использовать однослойные трубы?
Инженеры VALTEC количественно оценили, какой вред способно принести использование в системе отопления пластиковой трубы без антидиффузионного слоя. Для расчета была взята система с трубами из сшитого полиэтилена без кислородного барьера размером 16 х 2 мм. Протяженность трубопровода – 100 м. Коэффициент кислородопроницаемости такой PEX-трубы – 650 г/(м3∙сут). За год эксплуатации такой системы через стенки трубы в воду попадёт 3,416 кг молекулярного кислорода. Этого его количества достаточно для окисления 11,956 кг двухвалентного железа (2FeO) c последующим доокислением до трехвалентного железа (2Fe2O3) 7,97 кг. (Цифры получены на основе стехиометрического расчёта уравнений реакций окисления).
Таким образом, почти 12 кг железа перейдет в ржавый налет на внутренней поверхности стальных элементов системы и почти 4 кг (11,956 – 7,970 = 3,986 кг) продуктов окисления попадут в теплоноситель!
Даже с учетом того, что не весь попавший в трубу кислород вступит в реакцию с железом (часть окислителя будет взаимодействовать с примесями в теплоносителе, часть может достигнуть станции деаэрации быть удалена из теплоносителя), опасность присутствия кислорода в системе весьма значительна и отнюдь не преувеличена.
Так что наличие антидиффузионного слоя у труб PEX-EVOH – совсем не маркетинговая уловка.
На фото: стенка трубы VALTEC PEX-EVOH под микроскопом.
Posted on Aug. 5th, 2013 at 04:07 pm | Link | Leave a comment | Share | Flag
Кислородонепроницаемость пластиковых труб
Например, если для создания отопительной системы используются трубы с высокой кислородопроницаемостью, то кислород проникает сквозь стенки трубопровода и насыщает горячий теплоноситель. Рабочая среда с пузырьками кислорода, проходит через металлические элементы трубопровода и способствует развитию в них кавитационных процессов, усиливающих образование слабых кислот. При высокой кислородной проницаемости полимерных трубопроводов наблюдается быстрое разрушение металлических деталей, которые в этом случае смогут прослужить не более 3-5 лет, а замена их несет за собой финансовые затраты.
Нормы кислородонепроницаемости
В соответствии с требованиями СНиП 41-01-2003 при монтаже систем отопления нельзя использовать полимерные трубы без антидиффузионного слоя, который предотвращает проникновение внутрь кислорода.
Согласно нормативному документу DIN 4726, показатель кислородной герметичности не может быть ниже, чем 0,1 г/м3 в сутки. Газ, проникающий в отопительную сеть на участках трубопровода без антидиффузионного слоя, попадает в теплоноситель и при контакте с металлическими узлами приводит к образованию ржавчины. В результате этого ускоряется износ металлического оборудования (элементов насоса, радиаторов и т.д.).
Антидиффузионный слой исключает попадание кислорода из воздуха в воду, которая в большинстве случаев используется в качестве теплоносителя.
Подтверждение параметра кислородонепроницаемости
Специалисты спорят о достоверности параметра диффузии кислорода, а некоторые намекают на невозможность проверки данного параметра имеющимися средствами лабораторных испытаний. Однако, все весьма прозрачно.
Существует стандарт ИСО 17455, который является международным. Он называется: «Трубопроводы из пластмасс – Многослойные трубы – Определение кислородопроницаемости трубы с барьерным слоем», в котором описываются два способа – статический способ проверки на кислородонепроницаемость, а также динамический способ. Данными образом определяется сколько кислорода попадает в рабочую среду в определенное время и при определенной температуре. Выбор метода не принципиален, поскольку результаты показываются одинаковые.
Высоко и низкотемпературные системы замкнутого типа
Ещё не так давно полагали, что кислородная диффузия оказывает негативное влияние в сетях только с высокими рабочими температурами. Однако шведские учёные после многолетних испытаний установили, что кислород, проникая в теплоноситель низкотемпературной коммуникации, способствует развитию бактерий, продукты жизнедеятельности которых заиливают внутренние поверхности трубопровода. В результате снижается пропускная способность и система становиться непригодной для дальнейшей эксплуатации. Итог – замена всей системы и серьезные финансовые затраты.
Как показывает практика, в России для монтажа систем отопления используются самые разные трубы и комплектующие к ним. Но создать по-настоящему надёжную систему можно только с помощью труб, характеризующихся кислородной непроницаемостью и термической стабильностью. Всем этим требованиям отвечают трубопроводные системы «aquatherm».
Что касается ПП труб с армированным внешним слоем из алюминиевой фольги, то они не подходят для устройства данных систем в виду плохой адгезии фольги и полипропилена. Это негативно сказывается на термической стабильности и грозит преждевременным расслоением. Если армированный слой создан из дырчатой фольги, то это чревато проникновением кислорода в теплоноситель.
Кислородная коррозия: особенности
Как кислород из окружающего воздуха при давлении 0 атм. проникает в отопительную систему, в которой поддерживается давление 1,5 атм. и больше? В этом случае имеется ввиду парциальное давление, которое не зависит от абсолютного. Проникновение газа через поверхность труб без антидиффузного слоя будет происходить в том случае, если давление кислорода, который растворён в теплоносителе, будет ниже, чем во внешней среде.
Согласно действующим нормативам, концентрация кислорода в подпиточной воде теплосетей ограничивается 50 мкг/л. В неочищенной воде содержание кислорода в 100 раз больше. Даже небольшой переизбыток газа (сверх нормы) грозит развитием коррозионных процессов на металлических поверхностях. Постоянное насыщение воды кислородом обеспечивает непрерывные процессы коррозии, способные привести к появлению дыр. Кислород попадает в теплоноситель через трубы с высокой кислородопроницаемостью и во время подпитки сети неподготовленной водой.
Другой вариант, если теплосеть изготовлена из труб с низкой кислородопроницаемостью, а для подпитки используется подготовленная вода. В этом случае концентрация газа, растворённого в ней, постепенно уменьшается, при этом наблюдается частичное «недоокисление» и на поверхности внутренних стенок появляется плёнка, представляющая собой магнитный железняк и защищающая трубы от коррозии.
Производство труб с низкой диффузией кислорода
К сожалению, многие производители полимерных труб больше внимания уделяют снижению теплового удлинения изделий и при этом забывают о таком важном параметре, как кислородопроницаемость. Ведь минимизировать тепловое расширение можно благодаря использованию компенсаторов, а предотвратить диффузию кислорода можно лишь за счёт конструктивных изменений при изготовлении трубопроводных изделий.
Компания «aquatherm GmbH» на протяжении 40 лет занимается изготовлением трубопроводной продукции из модифицированного пластика. Данный материал является собственной разработкой и запатентован под торговой маркой «Fusiolen». В отличие от многих других полимеров, он обладает однородной структурой и низкой кислородопроницаемостью, поэтому идеально подходит для производства систем отопления. Трубы «aquatherm» соответствуют всем действующим СНиП и DIN.
Преимущества использования труб с низкой кислородной проницаемостью
При разработке проектной документации на отопительные сети и другие трубопроводы важно учесть не только первоначальную стоимость, но и эксплуатационное обслуживание, которое при неправильном выборе труб может оказаться скорым и затратным, вплоть до полной замены системы. Конечно, создать вечную коммуникацию не удастся, но при правильном выборе труб можно продлить эксплуатационный период с 5-ти до 50-ти лет.
Кислородопроницаемость полимерных труб
Нормативная база кислородопроницаемости полимерных труб
Требования к качеству полимерных труб, применяемых на территории Российской Федерации в системах водоснабжения и высокотемпературного отопления, сформулированы как общие технические условия в следующих Государственных Стандартах: – ГОСТ 32415-2013 «Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления»; – ГОСТ 53630-2015 «Трубы напорные многослойные для систем водоснабжения и отопления»;
В пункте «Введение» ГОСТа 32415-2013 указана сфера регулирования данного документа:
ГОСТ 32415-2013 распространяет свои требования и на трубы имеющие тонкий наружный барьерный слой, служащий для уменьшения диффузионной проницаемости газов (п. 3.17 Стандарта), но тем не менее, при всей свой фундаментальности, данный ГОСТ вопрос кислородопроницаемости полимерных труб не рассматривает и не нормирует.
«8.13 Кислородопроницаемость труб определяется по ГОСТ Р 55911».
ГОСТ Р 55911-2013 (ISO 17455:2005) «Многослойные трубы. Определение кислородопроницаемости труб с барьерным слоем» устанавливает два метода определения кислородопроницаемости многослойных пластмассовых труб: динамический и статический, при температурах воды 40°С или 80°С. Сущность обоих методов заключается в оценке количества диффундирующего кислорода через площадь наружной поверхности барьерного слоя трубы в транспортируемую воду в замкнутой системе за единицу времени.
В сфере строительства два Свода Правил (СП) регламентируют применение полимерных труб с учетом требований к их кислородопроницаемости: – СП 60.13330.2012 (СНиП 41-01-2003) «Отопление, вентиляция и кондиционирование»
– СП 41-109-2005 «Проектирование и монтаж внутренних систем водоснабжения и отопления зданий с использованием труб из «сшитого» полиэтилена»
«3.1.4 Трубы для систем отопления должны иметь антидиффузионный слой для защиты от проникновения кислорода.»
Ниже по тексту приведены данные реальных замеров количества растворенного кислорода в замкнутой системе отопления высотного многоквартирного дома, которые сводят к нулю не только всю «антикоррозийную» борьбу разработчиков этих, в целом, нужных Правил, но и усилия изготовителей затратного EVOH для полимерных труб.
Реальное положение дел с кислородопроницаемостью полимерных труб представленных на Российском рынке
1. Компания Nippon Gohse предлагает EVOH под собственной торговой маркой SOARNOL® и как следует из рекомендаций этого изготовителя, для обеспечения необходимых и гарантированных защитных свойств в качестве барьера к кислородопроницаемости полимерных труб, толщина данного слоя в составе трубы должна быть не менее 80 мкм (0,08 мм).
Оптическая микроскопия Фурье-ИКС поперечное сечение трубы с барьерным и адгезионным слоями
Вывод первый — не всё то, что изготовитель указывает на своей трубе, а заодно и в паспорте к ней, например упомянутый слой EVOH, действительно работает, как полноценный антидиффузионный барьер к газам, проникающим через полимер!
2. В вопросах объективного анализа качества полимерных труб, на основе жестких требований и методик испытаний подтверждающих их выполнение изготовителем, изложенных в стандарте, ГОСТ 32415-2013 трудно переоценить, он хорошо известен потребителю трубной продукции, потребитель ему оправданно доверяет и поэтому, подавляющее большинство поставщиков на Российский рынок напорных труб из термопластов, для успешной их реализации, проходят добровольную сертификацию на соответствие этому стандарту.
Это касается как труб с барьерным слоем так и без него, на фото представлена труба с указанием наличия слоя EVOH и соответствия этой трубы ГОСТ 32415-2013, но как отмечалось выше, указанный ГОСТ не нормирует такой показатель как «кислородопроницаемость труб» и не предлагает, соответственно, никакой методики испытаний для численного подтверждения эффективности работы нанесенного на трубу барьера, т.е. при получении Сертификата соответствия требованиям ГОСТ 32415-2013 аккредитованная Испытательная лаборатория (ИЛ) не занимается анализом того, что же такое блестящее нанесено на сертифицируемую трубу и как это работает в паре с кислородом, в данном случае это не интересует ни ГОСТ ни ИЛ, вопрос диффузии кислорода через стенку полимерной трубы выходит за рамки данного Сертификата и его наличием не подтверждается.
Вывод второй — наличие у поставщика Сертификата соответствия требованиям ГОСТ 32415-2013 на предлагаемые им трубы напорные «с барьерным слоем», ни как и ни в какой мере не гарантирует потребителю, что указанное на трубе буквосочетание «EVOH» имеет хоть какое то отношение к газопроницаемости в целом и к диффузии кислорода в частности!
— ни как не учитывает требование п. 5.1.9 ГОСТ 53630-2015 и предлагает потребителю оценивать кислородопроницаемость труб в своих единицах, в своих численных значениях и при неизвестной температуре!
Вывод третий — на данный момент ни один изготовитель или поставщик полимерной трубы не может подтвердить соответствие своей трубной продукции требованию по кислородопроницаемости, изложенному в п. 6.3.1 СП 60.13330.2012, т. к. в этом документе отсутствует ссылка на какую-либо существующую методику испытаний, изложенную в каком- либо из действующих ГОСТов.
4. Авторы другого Свода Правил — СП 41-109-2005 «Проектирование и монтаж внутренних систем водоснабжения и отопления зданий с использованием труб из «сшитого» полиэтилена», пошли другим более простым и более безответственным путём — не стали вовсе указывать численные значения кислородопроницаемости, а ограничились только констатацией факта наличия (со слов изготовителя или продавца) антидиффузного слоя в составе трубы: «3.1.4 Трубы для систем отопления должны иметь антидиффузионный слой для защиты от проникновения кислорода.»
По всей видимости, авторов этих СП совершенно не волнует сам вопрос кислородопроницаемости полимерных труб и как следствие насыщение транспортируемой воды кислородом, для авторов вполне достаточно «честного слова» поставщика о наличии барьера на предлагаемой трубе, а эффективность работы этого барьера это тема второстепенная, не интересная и мало понятная!
Реальное положение дел с качеством воды в системе теплоснабжения
В январе, в середине отопительного сезона, в г. Химки МО, в стандартной многоквартирной высотке были произведены замеры количества растворенного кислорода в замкнутой системе отопления дома.
В течении трёх дней были взяты девять проб воды, измерения производились поверенным прибором «Анализатор Кислорода Промышленный Многофункциональный» АКПМ-1-01.
Вывод шестой, заключительный — ничего не стоят усилия: разработчиков ГОСТов и СП, нормирующих требования к кислородопроницаемости защитных слоёв полимерных труб; изобретателей барьерного сополимера EVOH, отвечающего этим требованиям; изготовителей трубы, его наносящих; ничего не стоят надежды простых потребителей на эти трубы, если в масштабах тепловой сети котельной, города и страны не осуществляются затратные работы по водоподготовке в соответствии с обязательными требованиями и конкретными показателями качества транспортируемой воды, не контролируется дорогими приборами значение пресловутого растворенного кислорода ни у поставщиков теплоснабжения ни у конечного его потребителя, не принимается никаких мер в случае завышения этих значений; если никому из ответственных лиц неинтересно какая вода в конечном итоге циркулирует по этим самым полимерным трубам, то чего стоит эта бумажная борьба с надуманной проблемой, априори обреченной на нулевой результат!?
Мифы о трубах из сшитого полиэтилена
На сегодняшний день, к сожалению, маркетинговые ходы и рекламные уловки всё чаще влияют на различные технические решения и выбор в проект того или иного материала и оборудования. Всё чаще у проектировщиков вместо полноценного технического паспорта или каталога на оборудование на столе оказывается рекламные буклеты и брошюры, по которым он и производит подбор. То, что недопустимо писать в серьёзной технической литературе, перекочевывает на страницы таких буклетов. Зачастую маркетологи присваивают своему товару завышенные или вовсе несуществующие показатели, вводя инженеров в заблуждение. Как правило, незаурядные технические особенности оборудования в буклетах представляются как неоспоримые преимущества. И наоборот, любая техническая информация о конкурентной продукции представляется в виде существенных и неисправимых недостатков.
В этой статье приведены основные маркетинговые уловки и мифы, распространяемые производителями труб из сшитого полиэтилена (PEX).
1-я группа мифов – о превосходстве одного способа сшивки над другим
Практически любой производитель труб из PEX утверждает, что именно способ сшивки их труб самый лучший, а прочие никуда не годятся. Только полиэтилен, сшитый по их методике, будет обладать повышенными прочностными характеристиками и показателями надёжности.
Для начала хотелось бы напомнить некоторые сведения о сшивке полиэтилена. Под сшивкой подразумевается создание пространственной решётки в полиэтилене высокой плотности за счёт образования объёмных поперечных связей между макромолекулами полимера. Относительное количество образующихся поперечных связей в единице объёма полиэтилена определяется показателем «степени сшивки». Степень сшивки – это отношение массы полиэтилена, охваченного трёхмерными связями к общей массе полиэтилена. Всего известно четыре промышленных способа сшивки полиэтилена, в зависимости от которых сшитый полиэтилен индексируется соответствующей литерой.
Таблица 1. Виды сшивки полиэтилена
Минимальная степень сшивки рабочего слоя
Вид способа по методу воздействия
Сшивка органическими пероксидами или гидропероксидами
Сшивка органическими силанидами (силанами)
Сшивка потоком элементарных частиц
Пероксидная сшивка (метод «a»)
Метод «a» является химическим способом сшивки полиэтилена при помощи органических пероксидов и гидропероксидов.
Органические пероксиды представляют из себя производные перекиси водорода (HOOH), в которых один или два атома водорода заменены органическими радикалами (HOOR или ROOR). Самый популярный пероксид, применяемый при производстве труб – dimethyl-2.5-di-(bytylperoxy)hexane. Пероксиды относятся к особо опасным веществам. Их получение – технологически сложный и дорогостоящий процесс.
Для получения PEX по методу «а» полиэтилен перед экструдированием расплавляется вместе с антиокислителями и пероксидами (процесс Томаса Энгеля), рис. 1.1. С повышением температуры до 180–220 ºС пероксид разлагается, образуя свободные радикалы (молекулы со свободной связью), рис. 1.2. Радикалы пероксидов забирают у атомов полиэтилена по одному атому водорода, что приводит к образованию свободной связи у атома углерода (рис. 1.3). В соседних макромолекулах полиэтилена атомы углерода, имеющие свободные связи, объединяются (рис. 1.4). Количество межмолекулярных связей составляет 2–3 на 1000 атомов углерода. Процесс требует жесткого контроля за температурным режимом в процессе экструзии, когда происходит предварительная сшивка, и в ходе дальнейшего нагревания трубы.
Метод «а» самый дорогой. Он гарантирует полный объёмный охват массы материала воздействием пероксидов, так как они добавляются в исходный расплав. Однако этот метод требует того, чтобы сшивка была не ниже 75 % (по российским нормам – не ниже 70 %), что делает трубы из данного материала более жёсткими по сравнению с другими способами сшивки.
Силановая сшивка (метод «b»)
Метод «b» является химическим способом сшивки полиэтилена при помощи органосиланидов. Органосиланиды представляют соединения кремния с органическими радикалами. Силаниды – ядовитые вещества.
В настоящее время для производства PEX-труб по методу «b» в основном используется винилтриметаксилоксан (H2C=CH)Si(OR)3 (рис. 2.1). При нагревании связи винильной группы разрушаются, превращая его молекулы в активные радикалы (рис. 2.2). Эти радикалы замещают атом водорода в макромолекулах полиэтилена (рис. 2.3). Затем полиэтилен обрабатывают водой либо водяным паром, органические радикалы при этом присоединяют молекулу водорода из воды и образуют стабильную гидроокись (органический спирт). Соседние радикалы полимера замыкаются через связь Si-O, формируя пространственную решётку (рис. 2.4). Вытеснение воды из PEX ускоряется при помощи оловянного катализатора. Процесс окончательной сшивки происходит уже в твёрдой стадии изделия.
Радиационная сшивка (метод «c»)
Метод «c» заключается в воздействии на группу C-H потоком заряженных частиц (рис. 3.1). Это может быть поток электронов или гамма-лучей. При таком воздействии часть связей C-H разрушается. Атомы углерода соседних макромолекул, у которых был выбит атом водорода, объединяются друг с другом (рис. 3.3). Облучение полиэтилена потоком частиц происходит уже после его формования, то есть в твёрдом состоянии. К недостаткам данного метода можно отнести неизбежную неравномерность сшивки.
Невозможно расположить электрод так, чтобы он был равноудалён ото всех участков облучаемого изделия. Поэтому полученная труба будет иметь неравномерную сшивку по длине и по толщине.
В качестве источника облучения чаще всего используется циклический ускоритель электронов (бетатрон), который относительно безопасен как в производстве, так и в применении готовой трубы.
Несмотря на это во многих европейских странах производство труб сшитых методом «с» запрещено.
Для удешевления процесса сшивки иногда используют в качестве источника излучения радиоактивный кобальт (Co60). Данный метод безусловно дешевле, так как труба просто помещается в камеру с кобальтом, однако безопасность использования таких труб весьма сомнительна.
Заблуждение № 1: «Сшивка перекидным способом (PEX-a) по прочности получаемого материала лучше прочих, потому что регламентированная минимальная степень сшивки для данного метода больше, нежели для остальных метолов. А чем больше степень сшивки PEX, тем прочнее материал»
Действительно, ГОСТ Р 52134 регламентирует различную минимальную допустимую степень сшивки труб из PEX для разных способов изготовления (табл. 1), и правда то, что при увеличении степени сшивки увеличивается прочность труб.
Однако сравнивать степени сшивки PEX-a, PEX-b и PEX-c недопустимо, так как образованные в результате сшивки молекулярные связи данных материалов имеют различную прочность, а следовательно даже сшитые до одной и той же степени данные виды полиэтилена будут иметь различную прочность. Энергия связи типа С-С, которая образуется в полиэтилене, сшитом методом «a» и «c» составляет порядка 630 Дж/моль, в то время как энергия связи типа Si-C, которая образуется в полиэтилене, сшитом методом «b» составляет 780 Дж/моль. На физико-химические и технические свойства влияет и взаимодействие макромолекул за счет водородных связей, возникающих в полимере вследствие наличия полярных групп и активных атомов, а также образование ассоциатов в результате взаимодействия самих поперечных связей. Это в первую очередь характерно для силанольносшитого полимера, где имеется большое число силанольных групп, способных образовывать дополнительные узлы зацепления в аморфных областях, повышающие плотность структурной сетки (которая на 30 % больше, чем при пероксидом, и в 2,5 раза – чем при радиационном сшивании) и уменьшающие деформируемость при высоких температурах.
Стендовые испытания труб из сшитых полиэтиленов показывают некоторое прочностное преимущество силановой сшивки. Так, при температуре испытания 90 °C для труб диаметром 25 мм и длиной 400 мм давление разрушения труб из РЕХ-а, PEX-b и РЕХ-с составило соответственно 1,72, 2,28 и 1,55 МПа (В.С. Осипчик, Е.Д. Лебедева, «Сравнительный анализ эксплуатационных свойств сшитых различными методами полиолефинов и улучшение физико-химических характеристик силанольносшитого полиэтилена», 24 мая 2011 г.).
Таким образом, заявления о том, что PEX-a является самым прочным материалом из-за большей степени сшивки, не соответствуют действительности. Данный фактор является скорее недостатком, нежели достоинством этого метода сшивки.
Метод сшивки – это не самый важный показатель трубы при её выборе. В первую очередь следует убедиться, что полиэтилен, из которого сделана труба, действительно сшит. Некоторые производители недосшивают или вовсе не сшивают трубу, при этом указывают на ней те же характеристики что и на качественные PEX трубы.
Например, в мае 2013 г. на территории Украины были выведены из оборота трубы фирмы GROSS. Под этой маркой распространялись трубы из сшитого полиэтилена, на самих трубах была маркировка PEX (рис. 4), но по факту эти трубы состояли из обычного несшитого полиэтилена, стоит ли говорить об их эксплуатационных характеристиках? Есть несложный способ определить, что перед вами – сшитый полиэтилен или подделка из обычного полиэтилена. Для этого кусочек трубы нужно нагреть до температуры 150–180 ºС, обычный полиэтилен при такой температуре теряет свою форму, а сшитый за счёт межмолекулярных связей сохраняет свою форму даже при таких высоких температурах (рис. 5).
Рис. 4. Маркировка на трубе Gross
Рис. 5. Трубы Gross (образец 7) и VALTEC PEX-EVOH (образец 6) поле прогрева в печи в течение 30 мин при температуре 180 ºС
Заблуждение № 2: «Только полиэтилен, сшитый по методу «a», обладает свойствами температурной памяти, полиэтилены сшитые другими способами данным свойством не обладают».
Что в данном случае подразумевается под «эффектом температурной памяти»? Суть данного эффекта заключается в том, что предварительно деформированная труба после прогрева восстанавливает свою исходную форму, которую она имела до деформации. Это свойство проявляется из-за того, что при изгибе и деформации молекулярно-связанные участки сжимаются или растягиваются, при этом накапливая внутреннее напряжение. После прогрева в местах деформации упругость материала снижается. Внутренние напряжения, накопленные в процессе деформации, создают в толще «размягшего» материала усилия, направленные в сторону исходной формы трубы. Под воздействием этих усилий трубы стремится восстановиться.
Рис. 6.1. Излом трубы VALTEC PEX—EVOH (способ сшивки – PEX-b) и ее восстановление после прогрева до 100 °С
Рис. 6.2. Излом трубы из PEX-а с антидиффузионным слоем и ее восстановление после прогрева до 100 °С
Рис. 6.3. Излом трубы из PEX—c без антидиффузионного слоя и ее восстановление после прогрева до 100 °С (неокрашенный сшитый полиэтилен при высоких температурах становиться прозрачным)
На рисунках 6.1–6.3 показано восстановление труб с различными способами сшивки после залома. При всех способах сшивки трубы восстановили свою первоначальную форму. На трубах, покрытых антидиффузионным слоем, после восстановления образовались складки. В этих местах антидиффузионный слой отслоился от слоя PEX. Это не влияет на характеристики трубы, так как рабочим слоем является слой PEX, который полностью восстановился.
Эффект памяти присущ любому сшитому полиэтилену. Отличие PEX-a в технике восстановления заключается лишь в том, что PEX-a сшивается во время экструзии, и первоначальная форма, которую стремится вернуть трубопровод, – прямая. PEX-b и PEX-с, как правило, сшиваются уже после формирования в бухты, и, соответственно, форма, к которой будут стремиться трубопроводы, – круг с радиусом, равным радиусу бухты.
Заблуждение № 3: «Сшивка методом «b» не обеспечивает требуемую гигиеничность труб, так как силаниды, применяемые при производстве данных труб, токсичны».
Действительно, кремневодороды (SiH4 – Si8H18), применяемые для получения PEX-b, крайне ядовиты. Однако кремневодороды для сшивки полиэтилена применяют только в кабельной промышленности. Для производства труб используется органосиланиды, которые тоже ядовиты, но их отличительной особенностью является то, что при сшивке они либо полностью переходят в химически связанное состояние, либо превращаются в химически нейтральный органический спирт, который вымывается при гидратации трубопроводов. На сегодняшний день самым распространённым реагентом для сшивки полиэтилена методом «b» является винилтриметаксилан (упрощенная формула: С2Н4Si (OR)3).
Основным показателем безопасности трубопровода и фитингов является гигиенический сертификат. Только трубы и фитинги, на которые есть данный сертификат, допустимы к установке в системах питьевого водоснабжения.
Заблуждение № 4: «Только у труб PEX-a степень сшивки равномерна по всему сечению, в то время как у других труб сшивка не равномерна».
Основным преимуществом сшивки методом «а» является то, что пероксиды добавляются в расплавленный полиэтилен до его экструзии в трубу, и сшивка трубы при должном внимании к температурам и дозировкам пероксидов будет равномерна.
Когда трубопроводы из сшитого полиэтилена массово не применялись, у сшивок методом «b» и «c» действительно существовал недостаток, заключающийся в неравномерности сшивки по длине и ширине трубопровода. Однако, когда объём производства труб достиг нескольких километров в неделю, возник вопрос о повышении качества и автоматизации данных видов сшивки. Силановым методом можно равномерно сшить трубопровод, подобрав правильную дозировку реактивов, точно поддерживая температурные и временные параметры обработки трубы, а также используя катализаторы (олово).
К тому же современный метод ввода силана отличается от первоначального, если раньше силан добавлялся в расплав полиэтилена при экструзии (метод В-SIOPLAST), то сейчас, как правило, силан предварительно смешивается с пероксидом и некоторым количеством полиэтилена и только потом добавляется в экструдер (метод В-MONOSIL).
Заводы, производящие большие объёмы труб, давно методом проб и ошибок вышли на идеальную технологию сшивки, а автоматизация производства позволила получать трубы со стабильными характеристиками. Таким образом, проблема неравномерной сшивки трубопровода остаётся только у мелких, неавтоматизированных производств.
Заблуждение № 5: «PERT является одним из видов сшитого полиэтилена, и не уступает ему по характеристикам».
Термостойкий полиэтилен PERT является сравнительно новым материалом, применяемым для производства труб. В отличие от обычного полиэтилена, у которого в качестве сополимера используется бутен, в PERT сополимером является октен (октилен С8H16). Молекула октена имеет протяжённую и разветвленную пространственную структуру. Образуя боковые ветви основного полимера, сополимер создаёт вокруг главной цепи область взаимопереплетённых цепочек сополимера. Эти ветви соседних макромолекул образуют пространственное сцепление не за счёт образования межатомных связей как у PEX, а за счёт сцепления и переплетения своих «ветвей»
Термоустойчивый полиэтилен обладает рядом свойств сшитого полиэтилена: стойкость к высоким температурам и ультрафиолетовым лучам. Однако данный материал не обладает долговременной стойкостью к высоким температурам и давлению, а также является менее кислотостойким, чем PEX. На рис. 7 представлены графики длительной прочности сшитого полиэтилена PEX и высокотемпературного полиэтилена PERT, взятые из ГОСТ Р 52134-2003 с изменением № 1. Как видно из графиков, сшитый полиэтилен со временем мало теряет в своей прочности, даже при высоких температурах. При этом график падения прочности прямой и легкопрогнозируемый. У PERT график имеет излом, причём при высоких температурах этот излом наступает уже через два года эксплуатации. Точка излома называется критической, при достижении этой точки материал начинает активно ускорять потерю прочности. Всё это приводит к тому, что труба, которая достигла критической точки, очень быстро выходит из строя.
Рис. 7. Эталонные кривые длительной прочности труб из PEX (слева) и PERT (справа)
К тому же из-за отсутствия связей между макромолекулами PERT не обладает свойствами температурной памяти.
Заблуждение № 6: «PEX-трубы безоговорочно можно использовать для систем радиаторного отопления».
Условия применимости пластиковых и металлопластиковых трубопроводов на территории Российской Федерации регламентируются ГОСТ 52134-2003. Так как на прочность пластиковых трубопроводов довольно ощутимо влияет время воздействия на них теплоносителя с определённой температурой, то для них установлены классы эксплуатации (табл. 2), которые отражают характер воздействия определённых температур на трубу в течение всего срока эксплуатации.
Таблица 2. Классы эксплуатации полимерных трубопроводов