Фторполимеры Это группа полимеров, в которой атомы фтора замещают атомы водорода в полимерной цепи. Фтор является самым сильным электроотрицательным элементом среди галогенов и поэтому образует наиболее прочную связь с атомом углерода (намного прочнее, чем связь углерода с водородом в других полимерах), которая ответственна за чрезвычайно инертные свойства всего класса фторполимеров. Свойствами, отличающими фторполимеры от других полимеров и делающих их предпочтительными, являются отсутствие боковых ответвлений и относительно высокая степень кристалличности. В табл. 13.5 представлен перечень торговых марок фторполимеров, выпускаемых промышленностью.
Некоторые фторполимеры полностью фторированы и обладают очень высокой термической и химической стойкостью, превышающей аналогичные свойства частично фторированных полимеров. Последние из двух названных типов полимеров содержат некоторое количество атомов водорода, в присутствии которых возрастают силы межмолекулярного взаимодействия между отдельными длинноцепными молекулами, что повышает механические свойства полимера при комнатной температуре по сравнению с полностью фторированными аналогами.Хотя ПТФЭ обладает относительно низкой прочностью (см. табл. 13.1), он: (а) -имеет чрезвычайно низкий коэффициент трения, (Ь) - имеет исключительно высокую термостойкость, превышающую термостойкость практически любого другого промышленного полимера и (с) - является химически инертным к предельно широкому ассортименту химических веществ, включая агрессивные кислоты, например, HCI, HN03 и H2S04 (некоторое исключение составляют щелочные металлы, треххлористые и трех-фтористые соединения, а также газообразный фтор при повышенных температурах и давлении). ПТФЭ обладает значительно более высокой стойкостью к воздействию широкого спектра как неорганических, так и органических веществ, превышающей химическую стойкость любого упомянутого выше полимера. Он широко применяется как для бытовых и хозяйственных нужд, так и в промышленности. Тем не менее, высокая стоимость ПТФЭ ограничивает его применение только трубопроводами для транспортировки жидкостей высокого качества, например, конечного продукта в системе подготовки сверхчистой воды.
Хотя этот полимер является термопластом, он не может подвергаться обработке традиционными методами плавления, например, обычной экструзией или инжекцион-ным литьем. Общепринятым методом его переработки является сжатие под давлением и спекание композиции (примерно при 330°С), залитой либо в конечную форму, либо в форму, предназначенную для механической обработки. Стержни, трубки и другие длинные изделия можно изготовить экструзией под давлением из гранулированной смеси.
Все эти процессы технически весьма затруднительны, и, несмотря на превосходные свойства ПТФЭ (перечисленные выше), необходимость в разработке фторполимеров, способных перерабатываться в расплаве, существует.
Архив
Сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниповыми эфирами является сополимером на основе линейных молекул ПВДФ, которому таким образом придаются многие свойства, присущие последнему, включая исключительную химическую инертность. При этом облегчается его переработка, например экструзией. Сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловыми эфирами, как уже отмечалось, обладает едва ли не универсальной химической стойкостью при нормальной температуре окружающей среды в сочетании с высокой устойчивостью к растрескиванию под воздействием внешней среды. При высоких температурах он чувствителен к воздействию некоторых внешних факторов, например, жидких щелочных металлов, фтора и некоторых галогенсодер-жащих соединений. Помимо экструзии, сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловыми эфирами поддается переработке с помощью инжекционного литья, соединению с помощью сварки и формованию при нагреве. Хотя сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловыми эфирами обычно эксплуатируется при температурах до 250°С, он обладает более низкой прочностью при обычной температуре окружающей среды по сравнению с другими фторполимерами. Действительно, температура его тепловой деформации самая низкая из всех типов фторполимеров. Так, для использования в системах трубопроводов горячей воды он требует упрочнения или применения трубопроводов с относительно толстыми стенками. Он также существенно дороже, чем ПТФЭ и ПВДФ.Имея высокую точку плавления (240°С) и обычно кристалличность порядка 50%, этиден-хлортрифторэтилен обладает хорошей комбинацией свойств с высокой механической и термической стабильностью при температурах эксплуатации до 135-150°С и, подобно фторполимерам, стойкостью к широкому спектру химических соединений. Он обладает относительно высокой ударной прочностью и, как принято считать, менее хрупок при механической обработке и при других возможных поверхностных воздействиях. Его синтезируют традиционными методами получения термопластов и применяют для футеровки емкостей хранения высокочистой воды.
Этилен-тетрафторэтилен. За исключением ПВДФ этот полимер обладает наибольшей прочностью при разрыве среди всех фторполимеров, но имеет гораздо более низкую химическую стойкость по сравнению с ПТФЭ.
Весьма различные механические и физические свойства полимеров (и особенно термопластичных материалов, используемых для трубопроводов) в сравнении с металлами представляют определенные трудности для проектирования систем пластиковых трубопроводов. Двумя такими характерными свойствами, обсуждающимися ниже, являются относительно высокий коэффициент теплового расширения и низкая прочность (особенно жесткость).Как видно из данных, представленных в табл. 13.6, коэффициенты теплового расширения полимеров, рассматриваемых здесь, превышают коэффициенты теплового расширения металлов более чем в пять раз.
Это свойство полимеров при изменении температурных условий может привести к значительно большему растяжению/сжатию изготовленных из них трубопроводов по сравнению с системами трубопроводов из металлов (хотя низкая теплопроводность полимеров может в какой-то мере уменьшить эффект при увеличении температуры внешней среды или жидкости внутри трубопровода). Вероятно, лучшим способом компенсации влияния эффектов расширения/сжатия трубопроводов из полимерных материалов является проектирование линий с регулярной сменой направлений (т. е. с изгибами). Если это условие не соблюдается, то на длинных участках трубопроводов можно использовать петлевые трубные компенсаторы, а в качестве крайнего средства -расширительные сильфоны.Следствием низкой прочности полимеров является то, что пластиковые трубы требуют более частой установки опор. Во время проведения монтажа при расстановке опор для тонкостенных труб из ПВХ, акрилонитрилбутадиенстирола и ПВДФ, заполненных водой, следует руководствоваться данными, представленными в табл. 13.7.
Подвесные опоры не могут ограничить поперечное перемещение полимерных труб, поэтому трубопроводы склонны к тренцеванию (перемещению). Более подходящий тип крепления показан на рис. 13.2. Для предотвращения деформации труб устанавливаемые на них тяжелые клапаны, измерительное оборудование и т. п. должны иметь свои собственные элементы поддержки. Металлические зажимы, хомуты, кронштейны, опоры и пр. должны иметь закругленные края во избежание повреждений пластиковых трубопроводов.
Хорошо зарекомендовавший себя и общепризнанный метод, способствующий увеличению жесткости и прочности полимеров, заключается во введении в полимерную матрицу волокон из стекла и/или углерода.Существует довольно широкий ассортимент термопластичных материалов и композиций на основе полимерных смол, которые можно армировать таким способом, включая ПВХ непластифицированный и акрилонитрилбутадиенстирол, но наибольшее распространение армирование стекловолокном получило для полиэфиров и эпоксидных смол. В некоторых средах (например, в минеральных кислотах) необходимо защитить стекловолокно от их воздействия с помощью внешнего покрытия на основе чистой смолы. Вполне приемлемые по своим характеристикам полимерные материалы, работающие в диапазоне температур до 150°С и армированные волокном, выпускаются несколькими производителями.Долговечность полимеров, армированных стекловолокном (иначе стеклопластиков, часто обозначаемых GRP - glass reinforced polymer или FRP - fibres reinforced polymer), очевидно определяется сроком службы самой смолы, на который накладывается дополнительный аспект возможного разрушения стекловолокна и разрушения связей между стекловолокном и полимерной матрицей под действием внешних факторов. Воздействие на сам компонент из стекла обычно принимается во внимание только тогда, когда материал находится в контакте с сильными кислотами. В чистой и соленой воде при обычной температуре окружающей среды и при чуть более высоких температурах (примерно до 50-60°С) армированный стекловолокном полиэфир, эпоксид и сложный виниловый эфир претерпевают некоторое уменьшение прочности, но обычно это изменение прочности носит умеренный характер и происходит в первые несколько месяцев эксплуатации, после чего наблюдается стабилизация прочностных свойств. На вопрос о применении таких материалов при более высоких температурах эксплуатации поставщики компонентов из полимеров, армированных стекловолокном, иногда заявляют об удовлетворительном характере поведения таких материалов при температурах эксплуатации вплоть до 100-150°С. Но к этим заявлениям следует относиться с осторожностью, если речь идет о применении армированного стекловолокном полимера на основе традиционных связующих смол, например, полиэфирных или эпоксидных.
Преимущественное назначение полимеров, армированных стекловолокном, в системах транспортировки чистой воды - это конструкции емкостей - накопителей (хранилищ) больших объемов, в которых обычно применяют изофталатные типы полиэфирных смол, часто футерованных ПВДФ для того, чтобы обеспечить большую инертность в контакте с чистой водой с целью минимизации загрязнений, генерируемых в результате процессов выщелачивания компонентов из стеклопластика.