Полимерная композиция для изготовления труб
Владельцы патента RU 2375391:
Государственное научное учреждение "Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси" (BY)
Изобретение относится к полимерным композициям и может быть использовано для изготовления полимерных труб, предназначенных для транспортировки воды и прокладки кабелей. Композиция включает сажу, мелкодисперсный диоксид кремния, вторичный полиэтилен высокого давления и вторичный полиэтилен низкого давления. Сочетание компонентов в определенном соотношении позволяет повысить механическую прочность, снизить стоимость полимерной композиции и частично решить проблему утилизации отходов полиэтилена. 2 табл.
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 | - |
Полимерная композиция для изготовления труб, содержащая полиэтилен и сажу, отличающаяся тем, что она 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 |
