Системы термостабилизаторов для пероксидно-сшитого полиэтилена высокой плотности и оптимизированная технология получения труб

На правах рукописиГОРБУНОВА ТАТЬЯНА ЛЕОНИДОВНАСИСТЕМЫ ТЕРМОСТАБИЛИЗАТОРОВ ДЛЯ ПЕРОКСИДНОСШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ ИОПТИМИЗИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТРУБ ДЛЯГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ05.17.06 - Технология и переработка полимеров и композитовАВТОРЕФЕРАТДиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМОСКВА - 2010Работа выполнена в Московской государственной академии тонкой химической технологииим. М. В.

Ломоносова на кафедре химии и технологии переработки пластмасс и полимерныхкомпозитов и в ЗАО «НПП «Полипластик».Научный руководитель:Доктор химических наукКалугина Елена ВладимировнаОфициальные оппоненты:Доктор технических наук, профессорКоврига Владислав ВитальевичКандидат химических наукЛомакин Сергей МодестовичВиталичВедущая организация: ОАО «Межотраслевой институт переработки пластмасс – НПО«Пластик»Защита диссертации состоится 28 июня 2010 г. в 15 часов на заседании Диссертационногосовета Д 212.120.07 при МИТХТ им. М. В. Ломоносова по адресу: 119831, г.

Москва, ул. М.Пироговская, дом 1.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М. В. Ломоносова.Автореферат диссертации размещен на сайте www.mitht.ruАвтореферат диссертации разослан «___» _________ 2010 г.Отзывы и замечания просим направлять по адресу: 117571, г. Москва, пр.

Вернадского, дом86, МИТХТ им. М. В. Ломоносова. Ученому секретарю.Ученый секретарьдиссертационного совета Д212.120.07,доктор физ.-мат. наук, профессорВ. В. Шевелев2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.В течение последних десятилетий в области горячего водоснабжения полимерные трубыуверенновытесняютдешевизна,металлическиенадежность,благодарядолговечность,своимминимальныеочевиднымпреимуществам:эксплуатационныезатраты.Основными преимуществами труб из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) являютсяустойчивость к низким температурам и отсутствие коррозии.

Однако для транспортировкиводы с высокой температурой обычный ПЭВП не используется, поскольку при эксплуатациив условиях повышенных температур и давлений резко снижаются его прочностные свойства.В 70-е годы для целей горячего водоснабжения стали использовать трубы из сшитогополиэтилена (PEX). Развитие технологии производства труб из РЕХ является насегодняшний день весьма перспективным.В ЗАО «Завод АНД Газтрубпласт» трубы горячего водоснабжения изготавливают изпероксидно-сшитого ПЭВП (РЕХ-а) методом плунжерной экструзии.

Для обеспечениятермоокислительной стабильности материала как в процессе переработки, так и в процесседальнейшей эксплуатации, в полимер вводят термостабилизаторы (антиоксиданты). Однако,действиеорганическихпероксидов,являющихсяинициаторамипроцессасшивки,направлено на образование в ПЭВП свободных радикалов, в то время как антиоксидантывводятся в полимер для их нейтрализации. Поэтому важными критериями при выборетермостабилизаторов для РЕХ-а являются отсутствие заметного ингибирования свободныхрадикалов, образующихся в результате взаимодействия полимера с пероксидом, а такжеотсутствие реакционной способности термостабилизаторов в отношении пероксида.

Внаучно-технической литературе данные вопросы освещены недостаточно.Всевышеизложенноепоказывает,чтопредставленнаяработа,посвященнаясовершенствованию рецептур термостабилизации пероксидно-сшитого ПЭВП в процессепроизводства труб горячего водоснабжения, на сегодняшний день является весьмаактуальной и востребованной промышленностью.Цель работы.Цельюданнойработыявляетсянаучно-обоснованныйвыбориоптимизациятермостабилизирующей системы для пероксидно-сшитого ПЭВП, применяемого дляпроизводстватрубгорячеговодоснабжения,обеспечивающейтермостабильности материала в процессе переработки и эксплуатации.3высокийуровеньЗадачи работы:1. Исследование химического взаимодействия между ди-трет-бутилпероксидом и тремяразличными классами антиоксидантов (фенольными, серусодержащими фенольными ифосфорсодержащими)втемпературно-временномдиапазоне,моделирующемрежимполучения труб из РЕХ-а.

Изучение влияния данных классов антиоксидантов на кинетикупероксидной сшивки ПЭВП.2. Оптимизация качественного и количественного состава термостабилизирующейсистемы для РЕХ-а с целью обеспечения оптимальных технологических свойств(термостабильность, скорость сшивки, конечная степень сшивки).3. Разработка технологии приготовления смеси ПЭВП с модифицирующими добавками,включающими оптимизированную систему термостабилизации, для производства труб РЕХа для горячего водоснабжения.4.

Изготовлениеобразцовтруб,содержащихновуюоптимизированнуютермостабилизирующую систему. Оценка физико-механических свойств, испытания надолговечность при постоянном внутреннем гидростатическом давлении согласно ГОСТ24157.5. Разработка методик для контроля технологических параметров (качество смешения,реакционная способность композиции) производства труб из РЕХ-а с оптимизированнойсистемой термостабилизации.6.

Обоснование возможности использования труб из РЕХ-а, изготовленных по новойрецептуре, в сетях горячего водоснабжения: исследование миграции низкомолекулярныхвеществ из РЕХ-а в горячую воду, изучение влияния дезинфицирующего вещества(гипохлорита натрия), содержащегося в питьевой воде, на физико-химические свойства РЕХа.7. Проведение согласно ГОСТ 9.707 испытаний по ускоренному старению труб из РЕХ-а,изготовленных с использованием оптимизированной системы стабилизации, с последующимпрогнозированием их работоспособности в условиях эксплуатации при повышенныхтемпературах, а также в условиях долговременного складского хранения.Научная новизна работы.Впервые проведено комплексное исследование влияния трех различных классовантиоксидантов (фенольных, фосфорсодержащих и серусодержащих фенольных) накинетику пероксидной сшивки ПЭВП.

Установлено, что в температурно-временномдиапазоне,моделирующемрежимпроцессапереработки,происходитхимическоевзаимодействие между ди-трет-бутилпероксидом и фенольными антиоксидантами, а также4между ди-трет-бутилпероксидом и серусодержащими фенольными антиоксидантами, собразованием хиноидных структур, спиртов и сложных эфиров. Предложен механизмреакций, приводящих к дополнительному нецелевому расходованию сырья - антиоксидантови пероксида.Оптимизирован состав термостабилизирующей системы, обладающей минимальнойспособностьюингибироватьсвободныерадикалы,образующиесяврезультатевзаимодействия полимера с пероксидом, и обеспечивающей необходимый уровеньтехнологических и эксплуатационных свойств РЕХ-а.Установлена корреляционная зависимость между значениями изменения крутящегомомента виброреометра и содержания гель-фракции в ПЭВП при пероксидном сшивании,которая позволяет за короткий срок определять основной показатель работоспособностиизделия (степень сшивки).ПоказаноотсутствиемиграцииизРЕХ-аантиоксидантов,используемыхвоптимизированной системе, в горячую проточную воду трубопровода.С помощью современных физико-химических методов анализа показано отсутствиехимического взаимодействия РЕХ-а с хлором, находящимся в водопроводной горячей воде, винтервале концентраций, в 20 раз превышающих стандартные значения согласно нормамхлорирования питьевой воды (СанПин 2.1.4.1074-01), что доказывает экологическуюбезопасность применения РЕХ-а труб в области питьевого водоснабжения.Практическая значимость работы.На основании проведенных исследований разработана новая система термостабилизациидляпероксидно-сшитогоПЭВП,применяемогодляпроизводстватрубгорячеговодоснабжения.Предложен принципиально новый способ введения и равномерного распределения малыхколичеств добавок при получении рабочей композиции, который позволил спроектироватьузел смешения порошкообразного ПЭВП с ди-трет-бутилпероксидом и антиоксидантамипроизводительностью 6 т/сутки.Разработан комплекс методик для контроля технологических параметров процессапроизводства труб из РЕХ-а:1.Методика оценки реакционной способности рабочей смеси РЕХ-а с помощьювиброреометрии;2.Методика по определению концентрации ди-трет-бутилпероксида в смеси ПЭВП сантиоксидантамиметодомФурье-ИК-спектроскопиидиффузного отражения.5сиспользованиемприставкиНаучно-технические разработки внедрены в технологический процесс производства ЗАО«Завод АНД Газтрубпласт».

Результаты работы подтверждены соответствующими актами ипротоколами испытаний, приведенными в разделе диссертации Приложения.Апробация работы.Основные результаты работы были доложены на XIX международном симпозиуме"Современная химическая физика" (22 сентября – 3 октября 2007 г., г. Туапсе),Всероссийском молодежном конкурсе научных работ по теме «Чистая вода» (1 октября 2008г. – 26 марта 2009 г., г. Москва).Публикации.По теме диссертации опубликовано 6 статей в рецензируемых журналах, 1 тезисы докладак XIX международному симпозиуму "Современная химическая физика" (22 сентября – 3октября 2007 г., г.

Туапсе).На защиту выносятся следующие основные положения:1. Оптимизация термостабилизирующей системы для пероксидно-сшитого ПЭВП приполучении труб горячего водоснабдения методом плунжерной экструзии.2. Технология приготовления смеси ПЭВП с малыми добавками для производства из РЕХ-атруб горячего водоснабжения.3. Исследование влияния рецептуры термостабилизирующей системы на стойкость труб изРЕХ-а при постоянном внутреннем гидростатическом давлении.4. Изучение миграции из РЕХ-а антиоксидантов, входящих в состав различных системтермостабилизации, в горячую проточную воду трубопровода.5. Исследование влияния хлорированной воды на физико-химические свойства образцовтруб, изготовленных из РЕХ-а по оптимизированной технологии.6.

Исследование влияния термоокислительного старения на структуру и деформационнопрочностные свойства РЕХ-а.Структура и объем диссертации.Диссертация изложена на 195 страницах (184 стр. и 11 стр. приложений) и состоит из 7основных глав: введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждениярезультатов, заключения, выводов, списка литературы и 11 приложений.