X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Задача улучшения качества полимерных материалов является актуальной для производств, которые заинтересованы в увеличении долговечности и эксплуатационных характеристик пластмассовых изделий. Для усиления полимерных материалов используют такие наполнители как технический углерод, мел, тальк, диоксид кремния (аэросил). Однако, в настоящее время появляется уникальная возможность создания новых материалов с использованием наноуглерода. Современное развитие материаловедения привело к синтезу новой формы углерода – фуллерена. Фуллерен служит модификатором полимерной цепи, обладает химической активностью, позволяет упрочнять материал.

На основе сравнительного анализа нормативной документации, можно сделать вывод о том, что основное отличие требований нормативных документов ТУ 2248-018-40270293-2002 «Трубы из полиэтилена ПЭ 80 и ПЭ 100 для газопроводов», ГОСТ Р50838-95 «Трубы из полиэтилена для газопроводов. Технические условия» и ISO 4437:1996 Трубы полиэтиленовые для газоснабжения. Технические условия» заключается в регламентировании значений показателей качества, таких как относительное удлинение при разрыве, стойкость при постоянном внутреннем давлении. Для повышения требований к показателям качества отечественных полиэтиленовых труб необходимо внести коррективы в процесс производства, чтобы готовые изделия обладали улучшенными техническими характеристиками.

Оценка числовых характеристик закона распределения параметра «стойкость при постоянном внутреннем давлении при 80 °С» показала, что не все значения полученного диапазона удовлетворяют заданным требованиям к качеству труб ( должна быть не менее 1000 ч). Таким образом, по показателю «стойкость при постоянном внутреннем давлении при 80 °С» и наблюдается несоответствие в размере 3%. Качество труб контролируют с целью предупреждения брака. Существенно важные дефекты труб определены при помощи диаграммы Парето (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма Парето

Анализируя диаграмму Парето, можно сделать вывод, что наиболее существенными дефектами труб являются несоответствие материала техническим характеристикам и разнотолщинность стенки труб. Для выявления основных причин данного дефекта использовалась диаграмма Исикавы. Таким образом, установлено, что основной причиной появления такого дефекта как, низкая стойкость при постоянном внутреннем давлении при 80 °С, в большей степени является сырье, а именно, использование вторичного сырья более 20%, использование сырья с истёкшим сроком годности, смешение нескольких марок материала, использование несоответствующей марки материала. Анализ данных показал, что при увеличении содержания фуллереновой сажи (ФС) в полиэтилене, помимо уменьшения значения ПТР, наблюдается заметное увеличение физико-механических показателей. Это позволяет корректировать величину внутреннего диаметра оболочки при одном и том же значении наружного диаметра с сохранением необходимых конструкционных свойств изделия, используя один и тот же тип сырья.

Толщина стенки определяется по формуле:

 (1)

где - толщина стенки, мм; PN– основное давление, МПа; d – внешний диаметр трубы, мм; σ – растягивающее напряжение, МПа.

Так как растягивающее напряжение зависит от коэффициента надежности, то этот коэффициент также необходимо учитывать при вычислениях:

 (2)

где MRS - минимальная длительная прочность, МПа; C - коэффициент запаса прочности.

Исходя из полученных данных минимальная длительная прочность полиэтилена имеет следующую зависимость:

(3)

где С_ф- содержание ФС, масс.ч.

Подставляя (3) в (2) получаем:

 (4)

На основе диаграммы рассеяния установлено, что между параметрами существует линейная прямопропорциональная взаимосвязь, то есть с увеличением концентрации фуллереновой сажи в полиэтилене прочность при разрыве увеличивается (рис. 2). Одновременно с увеличением прочности при разрыве увеличивается стойкость при постоянном внутреннем давлении при 80 °С (рис. 3). Таким образом, в результате введения фуллереновой сажи в полиэтилен можно спрогнозировать увеличение срока эксплуатации полиэтиленовых труб. Так как стойкость увеличивается в 1,5 раза, соответственно, и срок эксплуатации увеличится в 1,5 раза.

Рис. 2. Зависимость прочности при разрыве от концентрации фуллереновой сажи	Рис. 3. Зависимость стойкости от прочности при разрыве

Таким образом, использование ФС позволит сократить долю бракованных изделий, выпускаемых на предприятиях по переработке полиэтилена, а также позволит увеличить срок эксплуатации полиэтиленовых труб, либо выпускать трубы с облегченной стенкой, что в свою очередь сократит затраты на производство одного погонного метра.

Список литературы

1. Окатова, Г.П. Изменение кристаллической структуры и свойств полимерных материалов при микролегировании фуллереном С₆₀ / Г.П. Окатова, Н.А. Свидунович // Рос. хим. журн. – 2006. – Т. L, № 1. – С. 68-70.

2. Игуменова, Т.И. Применение фуллеренсодержащего технического углерода для модификации свойств полиэтилена / Т.И. Игуменова, Н.Л. Клейменова, Е.С. Акатов, Г.В. Попов // Вестник ТГТУ. – 2011. – Т. 17, № 4. – С. 1071-1076.

Код для цитирования: Скопировать