EA000705B1

EA000705B1 - Напорная труба и способ её изготовления

Info

Publication number: EA000705B1
Application number: EA199800494A
Authority: EA
Inventors: Карл-Густав Эк; Ларс Хейер
Original assignee: Бореалис А/С
Priority date: 1995-11-30
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 2000-02-28
Also published as: SE9504273L; DE69626406T2; EP0868296A1; DE69626406D1; DK0868296T3; EP0868296B1; ES2193277T3; WO1997019807A1; EA199800494A1; ATE233173T1; US6325959B1; AU1044297A; SE505932C2; SE9504273D0

Description

Настоящее изобретение относится к напорной трубе из, по меньшей мере, частично поперечно связанного, ориентированного по двум осям полиолефинового пластика и к способу изготовления такой трубы.

Под напорной трубой подразумевается труба, которая при ее использовании подвергается избыточному давлению, т.е. давлению внутри или снаружи трубы, большему, чем соответственно давление снаружи или внутри трубы.

В настоящее время трубы из полимерного материала часто используют для разнообразных целей, например, для транспортирования текучей среды, т.е. для транспортирования жидкости или газа, например, воды или природного газа, в процессе которого текучая среда может находиться под давлением. Кроме того, температура транспортируемой текучей среды может изменяться, как правило, не выходя за температурный диапазон примерно от -40 до 100°С. Такие трубы в настоящее время предпочтительно изготавливают из полиолефинового пластика, например этиленового пластика (полиэтилена высокой и средней плотности), из поливинилхлорида, либо, как вариант, из других материалов, которые необязательно основаны на полимере.

Известно, что физические и механические свойства многих полимерных материалов могут быть улучшены посредством ориентации материала и его структуры. Также известно, что свойства, которые посредством ориентации улучшаются в направлении ориентации, понижаются в направлении, перпендикулярном направлению ориентации, а во многих случаях остаются на том же самом уровне, что и свойства неориентированного материала, или становятся хуже. Во многих случаях недопустимо иметь различающиеся свойства в двух разных направлениях, и тогда может быть использована ориентация материала по двум осям. Ориентация по двум осям означает, что полимерный материал ориентирован в двух направлениях, перпендикулярных друг другу. Посредством этого способа физические и механические свойства материала могут быть адаптированы к двум основным направлениям в зависимости от нагрузки, требований в отношении функционирования, процесса изготовления труб и т. д.

В случае конструкции трубы предполагаемого типа, предназначенной для внутреннего избыточного давления, наибольшая нагрузка на ее стенке обычно имеет место в окружном или периферийном направлении и меньшая в осевом направлении.

При обычном изготовлении пластиковых труб посредством экструзии предпочтительно обеспечивается однонаправленная ориентация полимерного материала в осевом направлении трубы благодаря сдвигу, удлинению и т.д., которым расплавленная масса полимера подвергается на своем пути от экструдера через сопло, а также при калибровании и охлаждении до получения трубы готовой формы в твердом состоянии.

Таким образом трубы, изготавливаемые обычной экструзией, как правило, имеют улучшенные физические и механические свойства в осевом направлении трубы по сравнению с ее периферийным направлением, в то время как нагружение или растяжение стенки трубы больше в периферийном, чем в осевом направлении.

Свойства таких обычных пластиковых труб совершенно достаточны для многих целей, однако недостаточны для определенных случаев, например, в случае их применения, когда требуется высокая стойкость к давлению, т.е. когда трубы подвергаются внутреннему давлению текучей среды за продолжительный или короткий период. Для таких труб желательна повышенная прочность на сжатие.

Что касается снижения ограничений в отношении напорных пластиковых труб, то известно, что физические и механические свойства могут быть улучшены посредством ориентации труб по двум осям, т. е. полимерный материал трубы ориентируется в двух направлениях, перпендикулярных друг другу. Одно из этих двух направлений представляет собой осевое направление, т.е. направление (направление экструзии), в котором трубу изготавливают в обычном случае, в то время как другое направление представляет собой окружное или периферийное направление трубы.

Благодаря ориентации по двум осям в значительной степени можно улучшить большое количество свойств трубы, причем особенно следует упомянуть прочность на сжатие как за укороченный, так и за удлиненный периоды.

Повышенная прочность на сжатие означает, что при соответствующих размерах материала трубы можно подвергнуть трубу более высокому внутреннему давлению по сравнению с трубой, которая не ориентирована по двум осям. Как вариант, при одном и том же наддуве можно использовать материал меньшей толщины в случае пластиковой трубы, ориентированной по двум осям.

Другие механические свойства, которые могут быть улучшены посредством ориентации, представляют собой, например, жесткость (модуль упругости), прочность (прочность на растяжение), а также ударную вязкость. Повышенные жесткость и прочность приводят к улучшению кратковременной прочности материала. Повышенная ударная вязкость означает, что труба менее чувствительна к внешним воздействиям в виде ударов, т.е. трубой легче манипулировать. Улучшение свойств также может быть достигнуто, например, в виде повышенной химической стойкости, повышенной стойкости к погодным воздействиям и пониженного коэффициента теплового расширения.

В качестве примеров известных способов ориентации пластиковых труб следует сделать ссылку на статью W.E. Gloor «Почему труба ориентирована по двум осям?». Современные пластики, ноябрь 1960, стр. III-II4, 212, 214, на статью K. Richard, G. Diedrich and E. Gaube, «Упрочненные трубы от Ziegler Polythene», Пластики, декабрь 1961, стр. III-II4, и на публикацию WO 93/19924.

Как упомянуто выше, пластиковые трубы обычно изготавливают посредством экструзии или, в меньшей степени, посредством заливки в форму под давлением методом впрыска. Обычно установка для экструзии пластиковых труб содержит экструдер, сопло, калибровочное устройство, охлаждающее оборудование, тянущее устройство и устройство для резания или свертывание трубы по спирали. За счет того, что расплавленная масса полимера на ее пути из экструдера через сопло и вплоть до калибрования охлаждается и готовая труба подвергается сдвигу и удлинению и т. д. в осевом направлении трубы, по существу, будет обеспечена однонаправленная ориентация трубы в ее осевом направлении. Дополнительная причина, которая способствует ориентации полимерного материала в направлении потока материала, заключается в том, что труба может быть подвергнута напряжениям при изготовлении.

Для обеспечения ориентации в двух направлениях описанная выше установка может быть дополнена далее по ходу от тянущего устройства устройством для управления температурой трубы, чтобы обеспечить такую температуру, которая приемлема для ориентации по двум осям, ориентационным устройством и тянущим устройством, которое подает трубу, ориентированную по двум осям, к режущему устройству или устройству для навивки по спирали.

Ориентация по двум осям также может быть осуществлена в непосредственной связи с первым калиброванием после экструзии, причем в этом случае описанное выше дополнительное оборудование следует за первым калибровочным устройством.

Ориентация трубы по двум осям может быть осуществлена разными путями, например, механически посредством внутренней оправки, либо посредством текучей среды, создающей внутреннее давление, например, воздуха или воды, либо чего-то подобного. Еще один способ представляет собой ориентацию трубы посредством роликов, например, путем расположения трубы на оправке и вращения оправки и трубы относительно одного или более нажимных роликов, входящих во взаимодействие с трубой, либо посредством нажимных роликов, расположенных внутри, которые вращаются относительно трубы напротив расположенных снаружи формы или калибровочного устройства.

В итого следует сказать, что существует несколько известных способов ориентации пластиковых труб по двум осям, причем все эти способы могут быть использованы в настоящем изобретении.

Для всех известных способов ориентации по двум осям кристаллических и не имеющих поперечных связей пластиковых материалов, таких как полиолефиновый пластик, ориентация должна быть осуществлена в пределах заданного ограниченного температурного диапазона, причем труба должна быть охлаждена за ограниченный период времени для предотвращения быстрого возврата к неориентированному состоянию (релаксация). Кроме того, требования в отношении точности температуры трубы/стенки трубы весьма значительны для обеспечения равномерной ориентации как вдоль трубы, так и в ее периферийном направлении, и для обеспечения удовлетворительных допусков на размеры в готовом изделии.

Верхний предел ограниченного температурного диапазона, при котором может быть выполнен процесс, определяется точкой плавления (I'm) кристаллов материала, которая, например, для полиэтилена высокой плотности составляет порядка 128-135°С. Ориентация при температуре выше указанных величин обычно не приводит к повышенной прочности материала и, как правило, не имеет значения.

Нижний предел температурного диапазона определяется свойствами пластика, когда он подвергается процессу деформации, который имеет место, например, при обычных испытаниях пластиковых материалов на растяжение. Когда, например, полиэтилен подобным образом подвергается напряжениям на растяжение при низких температурах, примерно при комнатной температуре (порядка 20°С), кривая напряжение-деформация имеет заметный максимум даже при незначительном удлинении порядка 520% (см. вышеупомянутые ссылки на литературу).

В том случае, когда процесс ориентации трубы происходит посредством использования технологии наддува текучей средой, находящейся внутри нее и создающей давление, это означает, что, если определенные напряжения растяжения превышены, имеет место переход от однородной деформации материала к локальной пластификации (течению) материала, что предполагает сужение, локальное уменьшение толщины стенки и такое поведение, когда происходит местный наддув трубы, подобно баллону, либо по всей ее периферии, либо весьма локально, подобно пузырю в ее стенке, что наблюдается визуально. То же самое относится и к более высоким температурам, однако, заметный максимум кривой напряжение-деформация все более и более уменьшается с увеличением температуры, так что в конце концов полностью исчезает при температуре, которая немного ниже точки плавления кристаллов. Когда максимум кривой деформация-напряжение исчезает, также исчезает локальная пластификация, и труба может расширяться равномерно и однородно для обеспечения ориентации по двум осям. В случае процессов ориентации других типов, которые пригодны для конструкций труб, обычно проявляется эквивалентное влияние температуры и материала на локальный или, как вариант, однородный характер деформации.

Когда ориентация осуществляется посредством вытягивания на оправке, нижний предел температурного диапазона обычно определяется тем, что сила, которая необходима для вытягивания, весьма велика, и что после вытягивания происходит релаксация трубы.

Эксперименты показывают, что температурный диапазон, который ограничен опасностью локального характера пластификации материала с одной стороны, и точкой плавления кристаллов материала с другой стороны, и в пределах которого материал может быть ориентирован по двум осям, весьма узок и лежит между точкой плавления (Тт) кристаллов и значением, находящимся примерно на 10°С ниже от нее. На практике температурный диапазон может быть еще уже и, например, составляет порядка одного или нескольких градусов по Цельсию. Чтобы обеспечить однородную ориентацию, о которой упомянуто выше, и удовлетворительные допуски на размеры, разность температур предполагаемого материала трубы не должна превышать порядка одного или, как вариант, нескольких градусов по Цельсию.

Понятно, что на практике трудно регулировать температуру пластиков с такой точностью, чтобы она находилась в узком температурном диапазоне, в пределах которого возможна ориентация по двум осям, а также с такой равномерностью, чтобы весь пластик имел одну и ту же температуру. Такой точный температурный контроль требует использования сложного и дорогостоящего оборудования для регулирования температуры, чтобы довести температуру трубы до желаемого значения.

Поскольку пластик, как правило, обладает слабой теплопроводностью, а пластиковые трубы часто имеют относительно большую толщину стенки, которая во многих случаях составляет порядка 1/10 диаметра трубы или более, т.е. порядка 25 мм или более при диаметре порядка 250 мм, вышеупомянутый процесс точного температурного контроля требует значительного времени, а это приводит к процессу, на который расходуется значительное время, и к низкой скорости производства.

Растяжение, которое требуется для стенки трубы, чтобы обеспечить ее ориентацию в случае полиолефиновых пластиков, сильно зависит от температуры, что согласно методике ориентации также может привести к более сложному и дорогостоящему оборудованию для контроля за усилием/растяжением.

В этом контексте дополнительный недостаток заключается в том, что, когда температура трубы однажды отрегулирована до надлежащего значения и осуществлена ориентация по двум осям, температура трубы должна быть понижена с такой скоростью, чтобы предотвратить или свести к минимуму релаксацию ориентации по двум осям, т. е. в основном по возможности быстрее. При этом требования в отношении высокой скорости снижения температуры выше при температурах, близких к температуре ориентации, чем при более низких температурах. С целью сохранения ориентации может, например, оказаться необходимым использование процессов быстрого охлаждения, при которых применяется непосредственный контакт с охлаждающим агентом типа жидкого азота или чего-либо подобного. Также может оказаться необходимым использование как внутреннего, так и внешнего охлаждения. Что касается вышеупомянутой слабой теплопроводности пластиков, то на практике трудно обеспечить такое быстрое охлаждение пластиковой трубы, чтобы сохранить достаточную степень ориентации.

Все вышеупомянутые недостатки и ограничения означают, что ориентация по двум осям или периферийная ориентация может иметь место лишь в весьма ограниченных условиях ведения процесса посредством использования дорогостоящего производственного оборудования, причем с низкой производственной скоростью, а это приводит к тому, что способ не представляет интереса с коммерческой точки зрения для его использования в значительных масштабах.

Цель настоящего изобретения заключается в уменьшении или исключении вышеупомянутых недостатков напорных труб, изготовленных из полиолефиновых пластиков.

Согласно изобретению это достигается посредством трубы, ориентированной в осевом и периферийном направлениях, при этом полиолефиновый пластик трубы перед периферийной ориентацией, по меньшей мере, частично обеспечивается поперечными связями.

Дополнительные отличительные признаки изобретения очевидны из прилагаемых пунктов формулы изобретения.

В этом контексте следует заметить, что из совершенно иной области техники известно получение так называемой усадочной пленки и втулки тепловой усадки, см., например, патент WO 89/07077 и патент США US 3265790. Когда образуется усадочная пленка, эта пленка растягивается для ориентации по двум осям, а перед этим пленка обеспечивается поперечными связями, чтобы придать ей «механическую память», т.е. сделать так, чтобы пленка, когда она нагрета выше температуры ориентации, сжималась и возвращалась к своему первоначальному размеру.

Имеется фундаментальное различие между изобретением и усадочной пленкой ввиду того, что в то время как фактическое назначение усадочной пленки состоит в ее по возможности интенсивном возврате в прежнее состояние или усадке при более позднем повторном нагревании, согласно изобретению вообще нежелательны возврат или усадка, а вместо этого предполагается повышение стойкости к давлению. Это также очевидно из того факта, что согласно изобретению можно осуществить последующее обеспечение поперечных связей, чтобы «блокировать» структуру. Такое последующее обеспечение поперечных связей исключено в усадочной пленке, поскольку оно противодействует желаемой усадке. Имеющееся существенное различие между усадочной пленкой и настоящим изобретением также очевидно из того, что, хотя усадочная пленка известна и используется в течение длительного времени, невозможно устранить вышеупомянутые недостатки при ориентации пластиковых труб по двум осям. Даже, если может иметь место сходство между технологией усадочной пленки и изобретением в отношении стадий, предполагающих обеспечение поперечных связей и ориентацию по двум осям, иное сходство отсутствует. Прежде всего, ранее не было известно использование способа обеспечения поперечных связей и ориентации по двум осям, когда напорные трубы изготавливаются из пластика. Следует подчеркнуть, что изобретение позволяет исключить давно известные и создающие неудобства проблемы при изготовлении напорных труб из пластика и обеспечивает значительный прогресс в этой отрасли.

Благодаря использованию при ориентации по двум осям частично поперечно связанного полиолефинового пластика температура периферийной ориентации ограничивается не точкой плавления (Тт) кристаллов материала, а более высокими температурами, которые могут быть использованы для осуществления ориентации. То, что температурный диапазон для осуществления ориентации по двум осям, выполненной согласно изобретению, значительно расширен по отношению к известному уровню техники, обеспечивает значительное преимущество, поскольку при повышенных температурах для ориентации материала требуется меньшее усилие, т.е. может быть использовано менее сложное оборудование и затраты на ориентацию будут уменьшены. Кроме того, нет необходимости в том, чтобы регулирование температуры пластика в процессе ориентации было бы таким же точным, как и в случае известной технологии. Это обусловлено тем, что силы, требуемые для выполнения процесса ориентации, меньше зависят от температуры, если степень поперечных связей и уровни температуры выбраны соответствующим образом и за счет этого ориентация в конструкции трубы происходит однородно, а это означает, что ориентация может быть выполнена быстрее и проще, и в то же время с использованием менее сложного и менее дорогостоящего оборудования. Благодаря образованию поперечных связей материала, которые способствуют блокированию структуры, последующее охлаждение, выполняемое после ориентации по двум осям, также может быть выполнено при менее строгих условиях, чем в случае известной технологии. Это означает, что последующее охлаждение материала не должно выполняться так же быстро, как и ранее, а это, в свою очередь, предполагает, что охлаждение может быть выполнено проще, а, следовательно, и с меньшими затратами.

Как упомянуто выше, настоящее изобретение ограничено полиолефиновым пластиком. Под ним подразумеваются гомополимеры из олефинов, предпочтительно альфа-олефинов или их сополимеров, имеющих, по меньшей мере, один дополнительный сополимеризуемый этиленоненасыщенный мономер. Таким образом, под сополимерами также подразумевают полимеры, которые в дополнение к этилену содержат два (терполимера) или несколько других компонентов. Под полиолефиновым пластиком также подразумевают смеси полимеров, в которых большая часть, т.е., по меньшей мере, 50% веса, состоит из полиолефинового пластика, в то время как остальная часть полиолефиновой смеси состоит из другого полимера, например, термопластичного материала. Полиолефиновый пластик предпочтительно выбирают из этиленового пластика, т.е. пластика на основе полиэтилена или сополимеров этилена, в которых мономер этилена составляет по массе наибольшую часть, пропиленового пластика и бутенового пластика (упомянутые пластики образованы способом, который соответствует способу образования этиленового пластика). В настоящее время большая часть предпочтительных полиолефиновых пластиков представляет собой этиленовые пластики и, в частности, этиленовые пластики средней и высокой плотности. Такие пластики известны сами по себе, поэтому ни они сами, ни их производство не составляет часть настоящего изобретения.

Также сами по себе известны полиолефиновые пластики с поперечными связями, например, этиленовый пластик. Поперечные связи могут быть получены разными способами, например, облучением, перекисным образованием поперечных связей, поперечно связываемыми группами, иономерным образованием поперечных связей, либо сочетанием таких процессов. При образовании поперечных связей облучением они получаются посредством облучения пластика излучением, обладающим высокой энергией, в то время как при перекисном образовании поперечных связей оно происходит путем добавления перекисных соединений, таких как перекись дикумила, которые формируют сво9 бодные радикалы. В случае образования поперечных связей посредством поперечно связываемых групп в пластик вводят реактивные группы, при этом упомянутые группы реагируют с каждой другой группой, развивая при этом ковалентные связи. Характерным примером такой реактивной группы являются силановые группы, которые вводят в пластик посредством привитой полимеризации, либо, что предпочтительно, сополимеризацией и при наличии воды и силанового конденсатного катализатора гидролизуют с отделением спиртов и формированием силановых групп, которые затем реагируют друг с другом посредством реакции конденсации с отделением воды. При иономерном образовании поперечных связей пластик содержит ионизируемые группы, которые реагируют с многовалентными ионными реагентами для образования поперечных связей, с развитием при этом ионных связей.

Изобретение не ограничено конкретным способом образования поперечных связей, поэтому может быть использован любой приемлемый из них, который приводит к образованию поперечных связей в полиолефиновом пластике.

Согласно изобретению важно, чтобы в пластиковой трубе частично были образованы поперечные связи перед осуществлением ориентации по двум осям. Если при выполнении ориентации по двум осям в трубе отсутствуют поперечные связи, она должна происходить при тех же самых условиях, что и в известных технических решениях, т.е. в пределах узкого температурного диапазона, который указан выше, при этом преимуществ согласно изобретению не было бы получено. Если, с другой стороны, при ориентации труба обеспечена поперечными связями, они способствуют получению структуры материала, которая в противном случае сохранила бы все кристаллы материала. Следовательно, благодаря образованию поперечных связей точка плавления кристаллов материала более не составляет критичный верхний предел ориентации, и ориентация может быть осуществлена при температурах выше точки плавления кристаллов. Это означает, что температурный диапазон расширяется вверх, а это приводит к облегчению температурного контроля в процессе ориентации, а также к тому, что материал способен оказывать меньшее сопротивление ориентации, т.е. для выполнения ориентации требуется меньшее усилие. Образование поперечных связей также противодействует характеру проявления локальной деформации, о которой упоминалось выше и примером которой являются сужение или местное вздутие трубы в процессе ориентации, обусловленные внутренним давлением текучей среды, при температурах ниже точки плавления кристаллов, за счет чего температурный диапазон также расширяется и вниз. Образование поперечных связей также позволяет понизить требования к точности температурного контроля с одной стороны выше температуры плавления кристаллов, когда сила, требуемая для выполнения процесса ориентации, обычно в меньшей степени зависит от температуры и, с другой стороны, ниже точки плавления кристаллов, когда подавляется локальная пластификация и деформация, о которых упомянуто выше.

Ширина температурного диапазона, т.е. увеличение температуры выше точки плавления кристаллов и ее уменьшение ниже точки плавления кристаллов, которые возможны при ориентации, зависит от образования поперечных связей в пластике. Ширина температурного диапазона увеличивается при повышенной степени образования поперечных связей вплоть до точки плавления пластика с поперечными связями, но в то же время протяженность температурного диапазона сверх этого не зависит от степени образования поперечных связей при условии, что степень образования поперечных связей превысила характерный уровень, который зависит от типа материала, способа образования поперечных связей и т.д. Степень образования поперечных связей определяется как часть нерастворимого материала в пластике (исключая наполнители, если таковые имеются), измеряемая посредством экстракции декагидронафталином согласно методике ASTM D2765, за исключением того, что экстракция декагидронафталином после 6 ч продолжается еще один час в чистом, кипящем декагидронафталине. По существу пластик может быть образован с поперечными связями при наиболее возможной степени поперечных связей материала в течение ориентации, однако, это может означать, что материал становится хрупким (меньшее удлинение до разрушения), либо будет создаваться нежелательно высокое сопротивление ориентации.

Таким образом необходимо, чтобы материал имел определенное минимальное удлинение до разрушения, с тем, чтобы обеспечить возможность ориентации материала до желаемого уровня. По этой и другим причинам предпочтительно, чтобы в пластике при ориентации происходило лишь частичное образование поперечных связей.

Надлежащая степень ориентации, под которой подразумевается деформация при удлинении (удлинение/первоначальная длина) в периферийном направлении, для обеспечения соответствующего улучшения свойств применяемых труб предпочтительно составляет 25-300%, более предпочтительно 50-200%, а наиболее предпочтительно 75-150%. Поэтому материал должен иметь удлинение до разрушения при температуре ориентации, которое, по меньшей мере, равносильно выбранной степени ориентации. В осевом направлении та же самая степень ориентации обычно не требуется, поскольку нагрузка, обусловленная внутренним избыточ11 ным давлением, обычно ниже в осевом направлении трубы. При этом уровень осевой ориентации определяется таким образом, что физические и механические свойства в осевом направлении не ограничиваются по сравнению с усилением в периферийном направлении, принимая во внимание текущий случай нагружения и тип процесса ориентации.

Перед ориентацией пластик соответственно имеет степень образования поперечных связей, составляющую, по меньшей мере, порядка 10%, а также соответственно самое большее порядка 90%. В этом диапазоне, т.е. порядка 1090%, а предпочтительно порядка 20-50%, приемлемую степень образования поперечных связей выбирают, с одной стороны, на основе вида кривой напряжение-деформация в периферийном направлении и, если приемлемо, в осевом направлении, за счет чего можно избежать заметного максимума, и, с другой стороны, так, чтобы получить удлинение при разрушении, которое достаточно для процесса ориентации.

Когда пластиковая труба ориентирована по двум осям, ориентированная по двум осям структура «блокируется» посредством охлаждения трубы. Поскольку образование поперечных связей способствует блокированию структуры, охлаждение не должно быть таким быстрым, как согласно известной технологии после ориентации при эквивалентных условиях. Таким образом охлаждение, согласно изобретению, может быть изменено с быстрого, например посредством потока сжатого воздуха или распыления воды, на естественное охлаждение на воздухе без иных процессов охлаждения, приводящих к каким-либо заметным различиям в смысле усиления материала. Для того чтобы обеспечить усиление трубы, предполагается, что в ориентированной по двум осям трубе полностью предотвращен возврат к состоянию, имевшему место перед процессом ориентации. Для дополнительного блокирования структуры и противодействия какой-либо опасности релаксации ориентации, например при нагреве пластиковой трубы, согласно изобретению, особенно предпочтительно осуществить дополнительное образование поперечных связей после ориентации по двум осям. Как правило, последующее образование поперечных связей может продолжаться до получения максимальной степени поперечных связей обрабатываемого материала. Предпочтительно, чтобы последующее образование поперечных связей привело к получению трубы с поперечными связями той степени, которая указана в DIN 16892, т.е. для труб с поперечными связями, образованными посредством перекиси, 75%, для труб с силановыми поперечными связями 65%, для труб с поперечными связями, полученными облучением, 60%, и для труб с азопоперечными связями 60%.

Следовательно образование поперечных связей в пластиковой трубе начинается перед ориентацией по двум осям и соответственно после экструзии трубы предпочтительно перед периферийной ориентацией. При этом пост для образования поперечных связей одним из ранее описанных способов располагается между экструдером и устройством для периферийной ориентации трубы. Если последующее образование поперечных связей осуществляется для обеспечения дополнительного блокирования структуры, что особенно предпочтительно в изобретении, пост образования дополнительных поперечных связей располагается после устройства для периферийной ориентации трубы и предпочтительно после или совместно с устройством для последующего охлаждения.

Следует подчеркнуть, что образование поперечных связей также может быть осуществлено в виде непрерывного процесса, причем в этом случае образование поперечных связей начинается перед ориентацией трубы и продолжается в течение фактического выполнения процесса ориентации для завершения только после завершения ориентации.

Следует заметить, что способ, согласно изобретению, может быть осуществлен как прерывистый или периодический способ, но предпочтительно осуществляется как непрерывный способ.

Вышеупомянутая протяженность температурного диапазона при ориентации по двум осям, согласно изобретению, зависит, как упомянуто выше, от степени поперечных связей пластика. Температура при ориентации по двум осям в изобретении обычно составляет примерно на 20°С ниже и на 40°С выше точки плавления (Тт) кристаллов материала. Предпочтительно, чтобы в изобретении ориентация осуществлялась в пределах температурного диапазона от величины примерно на 15°С ниже Тт и до величины примерно на 30°С выше Тm, более предпочтительно от величины, примерно на 10°С ниже Тт, до величины примерно на 20°С выше Тт, а наиболее предпочтительно от величины, примерно на 5°С ниже Тт, до величины, примерно на 10°С выше Тm. Ориентация при температурах выше Тт, т.е. порядка 0-40°С, предпочтительно порядка 0-30°С, более предпочтительно порядка 0-20°С и наиболее предпочтительно порядка 0-1 0°С выше Тт, составляет характерный аспект настоящего изобретения.

В приведенном выше описании изобретения предполагается, что пластиковая труба однородна, т.е. повсеместно состоит из одного и того же материала. Однако изобретение также может быть применено 1 ) к композитным трубам, т. е. к трубам, имеющим многослойную композицию и состоящим из двух или более слоев разных пластиков, при этом, по меньшей мере, один из слоев представляет собой полиолефиновый пластик с частичным образованием поперечных связей, о котором упоминалось выше, 2) к трубам, изготовленным из смешанного материала, основная часть которого представляет собой полиолефиновый пластик, либо, как вариант, 3) к сочетанию 1) и 2).

Для дополнительного облегчения понимания изобретения ниже приведено несколько примеров, в которых, если не указано иначе, все составные части относятся к весу. Понятно, что примеры предназначены лишь для разъяснения изобретения и никак не ограничивают его объем.

Пример 1 .

Трубы с наружным диаметром 63 мм и толщиной стенки 12,3 мм были изготовлены обычным способом из полиэтилена высокой плотности (плотность 940-950 кг/м³) с помощью экструдера. Посредством использования различных известных способов образования поперечных связей в трубах были обеспечены поперечные связи разной степени, которая определялась согласно модифицированному способу ASTM D 2765, о котором упоминалось выше. Разные способы образования поперечных связей определены более подробно согласно табл. 1 . После образования поперечных связей трубы были ориентированы по двум осям при температуре 140°С посредством процесса наддува следующим образом: каждая труба была установлена в одном фиксированном и одном подвижном трубном соединении. Труба была наддута посредством внутреннего избыточного давления до внешней опорной трубы из металла. Это привело к периферийной ориентации. В то же время подвижное соединение было подано в сторону от фиксированного трубного соединения, за счет чего произошло увеличение длины трубы. После перемещения на определенное расстояние подвижное трубное соединение было остановлено. Это привело как к периферийной, так и к осевой ориентации трубы. Сразу же после ориентации сжатый воздух при комнатной температуре (25°C) был подан по трубе, а водяной туман, имеющий температуру порядка 10°С, был распылен поверх наружной опорной трубы. Степень ориентации в периферийном направлении трубы составила 1 07%, а в осевом направлении 18%. Полученное повышение прочности было проанализировано посредством испытаний на растяжение при 23°С в периферийном направлении трубы (способ испытаний по ASTM D 2290) и в осевом направлении трубы (способ испытаний по ISO 527-2). Полученное максимальное напряжение было отмечено на кривой испытаний на растяжение и было вычислено повышение прочности по отношению к неориентированному состоянию. Результаты приведены в табл. 1 .

Таблица 1

Материал	Процесс образования поперечных связей	Степень образования поперечных связей (%)	Полученное повышение прочности
по периферии (%)	в продольном направлении (%)
Полиэтилен высокой плотности	0,3% силана (1)	38	15	-1
II	0,4% силана (1)	50	55	13
I,	0,23% перекиси (2)	30	22	0
I,	0,27% перекиси (2)	42	35	8
I,	0,35% перекиси (2)	60	108	25
I,	облучение 50 kGy (3)	37	18	-3
I,	облучение 75 kGy (3)	42	37	5
I,	облучение 105 kGy (3)	49	45	10
I,	облучение 210 kGy (3)	56	132	27

В таблице (1 ). Силановое образование поперечных связей различной степени было получено посредством разных привитых количеств винилтриметоксилана на материале перед экструзией. После экструзии в трубах, используя водяную ванну, были образованы поперечные связи.

(2) . Перекисное образование поперечных связей различной степени было получено посредством добавления к материалу перед экструзией разных количеств дикумилпероксида. После экструзии в трубах посредством обработки в печи были образованы поперечные связи.

(3) . Радиационное образование поперечных связей различной степени было получено посредством облучения труб после экструзии различными дозами бета-излучения.

Пример 2.

Трубы с наружным диаметром 32 мм и толщиной стенки 5 мм были изготовлены способом, эквивалентным способу согласно примеру 1 , но с использованием смеси этилена высокой плотности/иономерного полимера [70% веса составлял этилен высокой плотности порядка 945 кг/м³ и 30% веса составлял мономер этиленметакриловой кислоты плотностью 930 кг/м³]. Трубы были ориентированы по двум осям таким же образом, как и в примере 1 , при этом ориентация в периферийном направлении составляла 90%, а в осевом направлении 20%.

Повышение прочности было проанализировано посредством испытаний на растяжение при 23°С таким же образом, как и в примере 1 и было измерено в периферийном направлении, составляя 35%, и в осевом направлении, составляя 6%.

Пример 3.

Испытуемые образцы четырех различных материалов для труб были исследованы в отношении мощности, требуемой для ориентации при разных температурах. Испытуемые образцы были получены из следующих трубных материалов:

1) испытуемый образец трубы из этилена высокой плотности без образования поперечных связей [плотность 945 кг/м³], имеющий наружный диаметр 63 мм и толщину стенки 12,3 мм;

2) испытуемый образец трубы из этилена высокой плотности с образованием поперечных связей облучением, имеющий степень образования поперечных связей порядка 49%, измеренную согласно вышеупомянутой модифицированной методике ASTM D 2765. Наружный диаметр трубы составлял 63 мм, а толщина стенки 12,3 мм;

3) испытуемый образец трубы из этилена высокой плотности с поперечными связями, образованными облучением, имеющий степень образования поперечных связей порядка 56%, измеренную согласно вышеупомянутой модифицированной методике ASTM D 2765. Наружный диаметр трубы составлял 63 мм, а толщина стенки 12,3 мм;

4) испытуемый образец трубы из смеси этилена высокой плотности/иономерного полимера [70% веса этилена высокой плотности порядка 945 кг/м³ и 30% веса иономера этиленметакриловой кислоты плотностью 930 кг/м³]. Наружный диаметр трубы составлял 63 мм, а толщина стенки 12,3 мм.

Испытуемые образцы были ориентированы по одной оси посредством использования устройства для испытаний на растяжение и была зарегистрирована мощность, требуемая как функция температуры ориентации и скорости ориентации порядка 0,01 с^-1. На фиг. 1 представлен результат в виде максимальной мощности, как функции температуры ориентации, который был получен вплоть до 100% удлинения. Следует заметить, что масштаб мощности приведен к свойствам материала без поперечных связей при 120°С, т.е. при этих условиях мощность принимается равной 1. Как видно из фиг. 1 , согласно изобретению представляется возможным в полимерных материалах с поперечными связями сориентировать материал при более высоких температурах, чем это возможно в случае материалов без поперечных связей, и, кроме того, ориентация может происходить посредством использования меньшей мощности. Из фиг. 1 также очевидно и то, что только образование поперечных связей полимерного материала влияет при определенной скорости деформации на потребляемую мощность, когда ориентация происходит при температуре выше точки плавления кристаллов полимерного материала.

Пример 4.

Испытуемые образцы были взяты от неориентированной трубы из этилена высокой плотности [плотность 945 кг/м³], в котором посредством облучения были образованы поперечные связи в степени порядка 49%. Посредством устройства для испытаний на растяжение испытуемые образцы были ориентированы по одной оси при 140°С и скорости ориентации порядка 0,01 с^-1 для получения разных степеней ориентации, которые составляли порядка 78, 138 и 222%. Неориентированный испытуемый образец являлся базовым образцом. После этого было определено повышение прочности, измеренное согласно ISO 527-2, при этом результаты приведены в табл. 2. Из табл. 2 следует, что низкие степени ориентации приводят к пониженному пределу текучести и повышенному напряжению разрушения. Сверх определенной степени ориентации как предел текучести, так и напряжение разрушения увеличиваются. Эквивалентные испытания, проведенные на образцах из одного и того же этилена высокой плотности, но имеющего степень образования поперечных связей порядка 56%, продемонстрировали сходное поведение, степень ориентации порядка 244% и повышение прочности порядка 151%.

Пример 5.

Испытуемые образцы были взяты от неориентированной трубы из этилена высокой плотности (плотность 945 кг/м³), в которых посредством облучения были образованы поперечные связи со степенью их образования порядка 49%. Посредством устройства для испытаний на растяжение испытуемые образцы были ориентированы по одной оси при различных температурах до степени ориентации 1 00% и было определено полученное повышение прочности (методика испытаний по ISO 527-2). Скорость ориентации составляла порядка 0,01 с^-1. Результаты приведены в табл. 2. Как видно из результатов, приведенных в табл. 2, ориентация может быть осуществлена в широком температурном диапазоне. Этим продемонстрировано различие между изобретением и известной технологией, при которой ориентация пластиковых труб по двум осям осуществляется в пределах весьма узкого температурного диапазона. Кроме того, в табл. 2 показано, что повышение прочности относительно независимо от температуры ориентации.

Таблица 2

Температура ориентации (°С)	Повышение прочности (%)
130	61
140	62
150	63
160	61
170	59

Пример 6.

Испытуемые образцы были взяты от не имеющей поперечных связей и неориентированной трубы из этилена высокой плотности (плотность 945 кг/м³) с наружным диаметром 63 мм и толщиной стенки 12,3 мм. Испытуемые образцы были обозначены А и В. В испытуемых образцах посредством облучения были образованы поперечные связи в степени примерно 55%. Посредством устройства для испытаний на растяжение испытуемые образцы затем были ориентированы в одном направлении при температуре 140°С до степени ориентации порядка 120%. Скорость ориентации составила порядка 0,01 с^-1. После ориентации испытуемый образец В был подвергнут дополнительному образованию поперечных связей до получения общей степени их образования порядка 80%. Длина испытуемых образцов перед ориентацией составляла 50 мм, а после ориентации 110 мм. Затем посредством помещения образцов на слой талька при температуре 1 40°С за 1 5 мин была определена усадка испытуемых образцов, после чего была измерена их длина. Кроме того, посредством испытаний на растяжение при температуре 23°С согласно ISO 527-2 было проанализировано повышение прочности, причем испытания на растяжение были проведены на тех образцах, которые не испытывались на усадку. Повышение прочности было вычислено на основе полученного максимального напряжения растяжения на кривой напряжение-деформация в отношении ориентированного материала. В табл. 3 указаны результаты испытаний на усадку и повышение прочности.

Таблица 3

Степень образования поперечных связей	Длина до ориентации	Длина после ориентации	Повышение прочности	Длина после испытаний на усадку
А 55%	50 мм	110 мм	128%	51 мм
В 80%	50 мм	110 мм	127%	109 мм

Результаты, приведенные в табл. 3, указывают на улучшенную стабилизацию размеров при повышенной температуре, получаемую при использовании последующего образования поперечных связей. Однако следует подчеркнуть, что температура 1 40°С не является примером нормальной используемой температуры и представляет собой исключительно высокую температуру.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Напорная труба, выполненная из полиолефинового пластика, отличающаяся тем, что пластик ориентирован по двум осям и обеспечен, по меньшей мере, частично поперечными связями.
2. Напорная труба по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена в виде многослойной композиции, при этом, по меньшей мере, один из слоев представляет собой, по меньшей мере, частично поперечно связанный полиолефиновый пластик.
3. Напорная труба по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, частично поперечно связанный полиолефиновый пластик выбран среди этиленового пластика и пропиленового пластика.
4. Напорная труба по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что полиолефиновый пластик полностью поперечно связан.
5. Напорная труба по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она предназначена для транспортирования текучей среды под давлением.
6. Напорная труба по п.5, отличающаяся тем, что текучей средой является вода или природный газ.
7. Способ изготовления напорной трубы, состоящий в том, что полиолефиновый пластик формируют в виде трубы, обеспечивают заданную температуру, ориентируют в осевом и периферийном направлениях и охлаждают, отличающийся тем, что полиолефиновый пластик трубы, по меньшей мере, частично обеспечивают поперечными связями перед периферийной ориентацией.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что периферийную ориентацию осуществляют в температурном диапазоне, верхний предел которого находится выше точки плавления кристаллов полимерного материала.
9. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что полиолефиновый пластик трубы дополнительно обеспечивают поперечными связями после периферийной ориентации.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что дополнительное обеспечение поперечными связями осуществляют при температуре выше точки плавления кристаллов полимерного материала.