Емкости: полиэтиленовые, полипропиленовые и из стеклопластика

Резервуары и емкости из полипропилена, полиэтилена, полистирола, политетрафторэтилена, полиамидов и т.д. – аморфных и двухфазных частично-кристаллических термопластов, а также стеклопластиковые емкости и резервуары (из полимерных композиционных материалов), в том числе емкости из стеклопластика, гетерогенного и по структуре (размерам макрочастиц) и по конструктивному исполнению (резервуары из двухслойных ламинатов) – впечатляюще емкий ассортимент изделий из конструкционных пластических масс (синтетических пластических масс на базе углеродно-водородных составов - полимеров и композитов на их основе), объединенный общим целевым назначением – хранения (аккумулирования и/или перераспределения) жидких, газообразных и сыпучих сред.

Применение полимерных и/или полимерных композиционных материалов для изготовления емкостей разной вместительности и назначения, а особенно для резервуаров вместо традиционных металла, армированного бетона обусловлено уникальным пакетом эксплуатационных свойств синтетических пластмасс и экономической целесообразностью, поскольку:

• полимерные (полипропиленовые, полиэтиленовые) емкости и емкости из полимерных композитных материалов (емкости из стеклопластика) при сравнимой с металлами конструктивной прочности имеют меньшую массу, обладают демпфирующей способностью, могут работать в техническом вакууме, в химически активной, слабоагрессивной и инертной средах, в условиях криогенных и повышенных температур (см. полиэтиленовые емкости и резервуары/емкости из полипропилена и полипропилена со стеклопластиком ниже);

Таблица. Пределы прочности на растяжение для конструкционной стали и полимеров.

• емкости из полипропилена, полиэтилена, стеклопластика имеют меньшую теплопроводность и большую теплоемкость, чем резервуары и емкости из металла;

Таблица. Теплопроводности и теплоемкости твердых тел и полимеров

Важно: Коэффициент теплопроводности и аморфных и частично-кристаллических полимеров в условиях постоянной температуры увеличивается линейно-пропорционально увеличению давления, что связано с уменьшением свободного объема в структуре полимеров при росте давления. Поэтому емкости из полипропилена, полиэтилена и отчасти емкости из стеклопластика нужно проектировать с учетом этой зависимости.

Справка: Синтетические пластмассы из углеродно-водородных составов (согласно ГОСТ 24888 «пластические массы» – это композиция полимера (или олигомера) с различными модифицирующими ингредиентами, имеющая в период эксплуатации стеклообразное или кристаллическое состояние) условно формируют разные характеру изменения состояния и свойств при воздействии температуры (нагреве) группы - термопласты (термопластические смолы), реактопласты (термореактивные смолы) и эластомеры (каучукоподобные полимеры или синтетические каучуки).

Эластомеры (каучукоподобные полимеры) из-за малой прочности не используются для изготовления емкостей или резервуаров. В свою очередь реактопласты (термореактивные полимеры) после охлаждения хрупкие, а также имеют большую усадку (до 10-15 % по объему), что делает их использование в чистом виде технически нецелесообразным, хотя термореактивные полимеры пока остаются базовым сегментом связующих при изготовлении композиционных материалов, в том числе стеклопластиков.

Термопласты (термопластические полимеры) – аморфные и кристаллические, а по факту – частично кристаллические полиэфины (полиэтилен, полипропилен, полибутилен), фторопласты на базе политетрафторэтилена, полиформальдегид, алифатические полиамиды, частично аморфные поливинилхлорид разного типа, поликарбонаты и двухфазные на базе смесей полимеров и привитых сополимеров пока остаются лучшими по свойствам конструкционными синтетическими пластмассами. В свою очередь в сравнении с частично аморфными и двухфазными термопластами частично кристаллические термопласты имеют меньшие твердость, температуру плавления, модуль Юнга, но более высокие ударную вязкость, теплостойкость и относительное удлинение при температурном расширении, что определяет их лучшую технологичность.

Вместе с тем, основной проблемой всех термопластов остаются высокие значения температурного расширения, в частности линейного расширения, из-за чего, по сути, сегодня находятся на пике популярности изделия из полимерных композитных материалов, имеющие небольшое температурное расширения наряду с высокой конструктивной прочностью.

Таблица. Коэффициенты линейного расширения различных материалов

• коэффициент использования материала (отношение массы готового изделия к массе использованного материала) при изготовлении емкости из полипропилена или полиэтилена 0.85-0.95, емкости из стеклопластика – меньше 0.75-0.9, в то время, как коэффициент использования материала при изготовлении емкости/резервуара из металла 0.5-0.6, а трудоемкость процесса изготовления резервуара/емкости из полипропилена или полиэтилена меньше трудоемкости резервуара/емкости аналогичных параметров из металла в 5…6 раз, из железобетона – в 10…11 раз;

• при строительстве резервуаров из стали учитываются припуск на коррозию для элементов резервуара (ГОСТ Р 52910-2008), резервуары и емкости из полипропилена, полиэтилена, стеклопластика инертны к нейтральным и слабоагрессивным средам;
• себестоимость емкости из полипропилена, полиэтилена, а также емкости из стеклопластика меньше себестоимости емкости из металла в 4…9 раз.

Справка: На выбор полимера при изготовлении емкости или резервуара влияет не только его структура и базовые характеристики, но и стоимость материала и стоимость термообработки, являющейся обязательным этапом в изготовлении любого изделия из полимеров и позволяющей в целом повысить плотность и твердость, молекулярную массу, предел прочности при растяжении/сжатии и ударную вязкость, износостойкость и стабильность геометрической формы изделия в эксплуатационный период.

К дорогим полимерам относят полиформальдегид, полиамиды, фторопласты на базе политетрафторэтилена, к экономически целесообразным – термопластичные полиэфины (полиэтилен, полипропилен). Наиболее дорогой термической обработкой полимерных изделий (по энергоресурсам и трудоемкости) остается закалка (нагрев изделия до 80-90 % oт температуры плавления полимера с последующим охлаждением в холодной воде (температура 5-8 °С), в масле или на воздухе), а затем по возрастанию экономической целесообразности следуют отпуск (нагрев изделия в инертной среде до температуры ниже критической точки полимера (для полипропилена 60-65 °С) с выдержкой и последующим медленным охлаждением), отжиг (нагрев изделия до температуры 75-90 % от температуры плавления полимера с последующим медленным охлаждением) и нормализация (нагрев изделия на 20 –30 °С выше температуры стеклования полимера с последующим медленным охлаждением).

Таблица. Рекомендуемые виды термообработки кристаллических термопластов.

Полиэтиленовые емкости

На текущий момент в России и за рубежом изготавливают: емкости из полиэтилена высокого давления (ПЭВД) (или полиэтилена низкой плотности), получаемого при давлении 100…300 МПа и температуре порядка 160 °С; емкости из полиэтилена среднего давления (ПЭСД) (или полиэтилена средней плотности) с полимеризацией проводится в среде разбавителя при давлении 3,5…4,0 МПа и температуре 125…150 °С; емкости из полиэтилена низкого давления (ПЭНД) (или полиэтилена высокой плотности) с полимеризацией в среде органического растворителя при давлении до 0,5 МПа и температуре 80 °С.

Несмотря на факт, что ПЭВД, ПЭСД или ПЭНД получают из одного мономера эти материалы, по сути, разные по свойствам, что в конечном счете делегируется в полиэтиленовые емкости.

Таблица. Свойства полиэтиленов.

Наиболее «мягкий» - ПЭВД, что определяет его использование для изготовления полиэтиленовых емкостей – потребительской тары по ГОСТ Р 51760-2001 «Тара потребительская полимерная» и ГОСТ 28116-95 «Емкости функциональные для предприятий общественного питания». Емкости из полиэтилена средней плотности могут эксплуатироваться при очень низких температурах (до -120 градусов), имеют самую высокую теплостойкость и прочность при растяжении, однако снятия внутренних напряжений изделий из ПЭСД осуществляют при температуре 90-100 °С с выдержкой в течение 5-6 часов, в то время, как нивелировать внутренние напряжения в изделиях из ПЭНД можно при выдержке в течение 12-18 часов при температуре, на 10-15 °С превышающей температуру эксплуатации, что довольно удобно для крупногабаритных емкостей и резервуаров.

Ключевым недостатком полиэтилена, как конструкционного материала, является его быстрое и интенсивное старение, для частичного устранения которого в полимер добавляют анти-старители (противо-старители) - фенолы, амины, газовую сажу.

Полипропиленовые емкости

Из-за хорошей способности к химико-физическому сплавлению и сравнительно небольшой себестоимости полипропилен широко используют для изготовления емкостей, в том числе крупногабаритных резервуаров, однако при низких температурах подобно всем термопластам полипропилен очень твердый и жесткий, но хрупкий материал, а с повышением температуры становится мягким, гибким и вязким, что обуславливает необходимость использования закалки для упрочнения изделия, а в резервуарах и емкостях из полипропилена больших размеров – проведения дополнительных мероприятий по усилению стойкости к деформациям при сжимающих (от воздействия грунта для подземных резервуаров/емкостей из полипропилена) и растягивающих (от воздействия массы и давления аккумулируемой среды) напряжениях.

Полипропиленовые емкости с определенными допустимыми пределами деформаций могут стабилизироваться (по форме и свойствам) и упрочняться отжигом (нагрев до 130 °С с последующим медленным охлаждением до 40 °С) или отпуском (нагрев и выдержка в течение 30 минут при 90 °С, обычно за счет заполнения нагретой средой), однако чаще всего для емкостей и почтии всегда для резервуаров используют упрочнение за счет многослойной конструкции полипропиленовой емкости с наружным слоем – гофрированной формы или слоем стеклопластика (двухслойные ламинаты – базовый слой полипропилена с наружным упрочняющим из стеклопластика на базе стекловолокна и отверждающихся олигомеров (или смол)- полиэфирных, фенолоформальдегидных (фенольных), меламиноформальдегидных (меламиновых), эпоксидных или кремнийорганических смол).

Отверждающиеся олигомеры для емкости из стеклопластика (наружного слоя двухслойных ламинатов) подбирают в зависимости от преимущественного назначения, свойств и стоимости термореактивных смол.

Таблица. Характеристика и область применения термореактивных смол.