مقایسه رفتار فیزیکی ، شیمیایی و مکانیکی لوله پلی اتیلن LDPE

پیش‌گفتار

در این مقاله سعی شده تا فارغ از نام تولیدکننده و تأمین‌کنندگان مواد اولیه، یک مقایسه اجمالی با انجام آزمون‌های تحقیقاتی روی چند نمونه از مواد پلیمری تولید داخل انجام پذیرد و نتایج آن نیز به صورت کاملاً مستند به این مقاله پیوست می‌شود.

مقدمه

لوله‌های LDPE که با عناوین مختلف مثل لوله‌های نرم، لوله‌های سبک، لوله آبیاری قطره‌ای یا جانبی و لوله‌های باغبانی شناخته می‌شوند، عمدتاً برای مصارف کشاورزی و به صورت قطره‌ای استفاده می‌شود.

فرایند تولید این نوع لوله‌ها در کارخانه‌های تولید لوله به دو صورت مورد تأیید و قابل انجام است:

 

تولید لوله‌های LDPE

1-با مواداولیه COMPAND

2-  با مواد اولیه ترکیبی ( فرمولاسیون داخل سازمان)

مواد اولیه COMPAND  عمدتاً به موادی  گفته می‌شود که در شرکت‌های کامپاندساز مثل پتروشیمی‌ها یا صنایع پایین‌دستی، توسط خطوط کامپاندر تولید می‌گردد.

در کامپاندینگ ترموپلاستیک‌ها، عمدتاً از پودر مواد اولیه در جهت تولید گرانول استفاده می‌شود.

منظور از مواد اولیه ترکیبی (فرمولاسیون داخل سازمان) ترکیبی است که در آن چند نوع مواد اولیه متفاوت به صورت گرانول با هم ترکیب و جهت تولید لوله LDPE وارد اکسترودر می‌شوند.

شرح

در این مقاله از اینجا به بعد، تولید شده با کامپاند را  لوله C و لوله تولید شده با فرمولاسیون را لوله F نام‌گذاری می‌نماییم.

ترکیب (1)  مواد اولیه لوله C ( کامپاند شرکت X است) و تولید داخل کشور است.

ترکیب (2)  مواد اولیه لوله ترکیبی است که به صورت زیر می باشد:

59.4% LDPE   (0075  پتروشیمی امیر کبیر)

LLDPE    30% (0209  پتروشیمی امیر کبیر)

4.7%  HDPE (EX3 پتروشیمی امیر کبیر)

0.5%   oxidant     Anti

5.4%   MB (مستربچ کیمیا جاوید)

تمامی اجزای مواد اولیه لوله  Fنیز از پتروشیمی‌ها و تولیدکنندگان معتبر داخل کشور تأمین شده است.

مرحله اول

از دو نوع ترکیب ذکر شده، دو لوله یکسان سایز16 mm PE 40 (LDPE) با رده فشاری  6 اتمسفر  توسط یک خط تولید و با شرایط کاملاً مشابه و همانند تولید شد که شامل اجزای فرایندی یکسان و شرایط فرایندی کاملاً مشابه است.

منظور از شرایط فرایند و اجزای فرایندی یکسان، طرح فرایند و کنترل مشابه است که شامل دای هد یکسان، ماتریس و سوزنی یکسان، دماهای مذاب یکسان، سرعت خطی و خنک‌کاری، نشانه‌گذاری و کویل یکسان است.

توضیح این‌که فرکانس کشنده در هر دو لوله یکی بوده و جهت جبران اختلاف جزیی در ضخامت و یکی شدن سرعت خطی دو لوله فقط از موتور اصلی استفاده شده است (کاهش یا افزایش خروجی و دبی مواد).

با توجه به اینکه هر دو لوله از جنس LDPE (نرم) و با ضخامت پایین است، جهت جلوگیری از هر نوع آسیب و تنش حاصل از فشار و حرارت به دیواره  بیرونی لوله، نشانه‌گذاری توسط مارک زن لیزری انجام شد. آزمون‌های انتخابی جهت انجام مقایسات روی این دو محصول به صورت زیر است:

1-آزمون ESCR (Enviromental stress cracking Resistance) مقاومت در برابر رشد ترک

شرایط آزمون:

1000 ساعت =t

T= 50⁰ C

100% =  EGYPAL محلول

ISIRI 7175-8    استاندارد آزمون

2- آزمونESCR  حساسیت در برابر ترک‌خوردگی بر اثر تنش‌های محیطی ناشی از اتصالات  فرورونده (Suscepti biliti to environmental stress cracking induced by insert – type fitting) مطابق با استاندارد (ISIRI 8988) – (ISO 8796)

شرایط آزمون

t=1 hr

T=70 ⁰ C

محلول 10% EGYPAL

3- آزمون نرخ ودرجه پراکنش دوده ( پخش وتوزیع ) (Dispertion And Distribution)

استاندارد آزمون INSO 20059 (3)   ISO 18553

4- آزمون درصد دوده ( مطابق با استاندارد ISO 6964)

5-  آزمون MFI (melt flow Index) شاخص جریان مذاب مطابق با استاندارد -1 INSO 6980  استاندارد مرجع برای تمام روش آزمون‌های ذکر شده INSO 7607 است.

نتایچ آزمون‌ها روی دو نوع لوله C  و F به شرح زیر است:

1- آزمون ESCR (1000 ساعته) طولانی مدت

لازم به ذکر است اصل این آزمون برای مواد اولیه ( به‌صورت sheet) است که به‌دلیل انجام کار تحقیقاتی روی لوله انجام گرفت. هر دو لوله C و F پس از آماده سازی در تاریخ 12/11/98 ساعت 9.43 دقیقه داخل حمام بن ماری قرار داده شده و از هر کدام ده نمونه، دمای حمام  50⁰C مجهز به همزن و نمونه‌ها به‌طور کامل داخل محلول 100% EGYPAL که یک نوع دترجنت یا شوینده قوی است، قرار داده شدند (دمای محیط 22⁰ C و رطوبت 35 %) تا اتمام آزمون و در فواصل زمانی 24 ساعت یک بار نمونه‌ها به صورت دقیق مورد بررسی قرار گرفتند.

نتیجه لوله  ترکیبی (F) بعد از 871 ساعت (حدوداً 37 روز) دچار ترک‌های ریز عمود برناچ ایجاد شده در دو مورد از 10 نمونه داخل کانل برنجی شد (مردود).

ولی در نمونه لوله C با گذشت 1021ساعت از آزمون که دستگاه را OFF کردیم، هیچ نوع نقیصه‌ای مشاهده نشد (قبول). حداقل دما 50⁰C و حداکثر 50.7⁰ C ثبت شده است. طبق استاندارد نباید بیشتر از 10 درصد نمونه ها دچار نقص گردد.

2- آزمون ESCR  یک ساعته (کوتاه مدت)

در آزمون ESCR یک ساعته هر دو نمونه تحت شرایط آزمون

 T=70 ⁰ C

t=1h

در محلول 10 درصد EGYPAL (دترجنت قوی) قرار داده شده و پس از رساندن دما به70 درجه توسط Heater sterer مجهز به همزن برقی، داخل آون قرار داده شدند و به مدت یک ساعت در دمای 70 درجه تحت تنش قرار گرفتند.

نتیجه

بعد از گذشت 1 ساعت در هیچ کدام از نمونه‌های لوله C  و F نقیصه‌ای مشاهده نشد و در واقع، نتیجه آزمون  ESCR  کوتاه مدت هر دو لوله قابل قبول و منطبق با استاندارد بود.

3- آزمون نرخ ودرجه پراکنش دوده (Dispertion And Distribution)  

نتیجه بررسی توزیع و پراکنش دوده روی دو نمونه لوله C  و F  به صورت زیر بود:

هر دو نمونه با میکروسکوپ متصل به نرم‌افزار و با  بزرگ‌نمایی 100 بررسی شدند.

نتیجه نمونه لوله C   از مجموع   8   نمونه قرص   1.41  و A₁  ( قبول با نمره عالی)

نتیجه نمونه لوله F   از مجموع   8   نمونه قرص  2.87 و A₃  ( قبول با نمره بد)

شرایط آزمون و نمونه‌سازی هر دو لوله به صورت زیر انجام شد:

T=200⁰ C

t=10 min  شرایط packet در آون

S_C =22 µm               ضخامت فیلم  C

S_F=19 µm                ضخامت فیلم F

توضیح اینکه مطابق استاندارد ISO 18533  نتیجه قابل قبول برای درجه پراکنش گرید کوچک‌تر از  3 باید باشد  و برای نرخ پراکنش به ترتیب از بهترین به بدترینB,A3,A2,A1  حالات قابل قبول است.

4-آزمون درصد دوده با انجام آزمون دوده (درصد کربن) روی قسمت‌های مختلف از 5 رول 500 متری از لوله‌های C و F نتایج تکرارپذیری به صورت زیر است:

محصول C	2.24	2.2	2.19	2.23	2.2
محصول F	2.29	2.11	2.56	1.92	2.38

طبق استاندارد، درصد دوده باید بین 2 الی 2.5 درصد وزنی باشد.

5- آزمون MFI  روی لوله C و F:

                         لوله C   –    MFI         0.6271    gr/10min

                         لوله F   –    MFI         0.6182    gr/10min

شرایط هر دو نمونه (190 ⁰ C – 2.160 Kg)

نتیجه گیری و تحلیل نتایج

با توجه به اینکه مواد اولیه کامپاند در صنایع پتروشیمی یا صنایع پایین‌دستی به صورت پودر استفاده می‌شود و اختلاط و اکستروژن آن نیز در کامپاندرهای دارای دو مارپیچ (همسوگرد یا غیر همسوگرد) انجام می‌شود؛ در نتیجه گرانول تولید شده از کامپاندینگ این نوع مواد اولیه دارای مشخصه‌های فنی  و عملکرد رفتاری بهتری نسبت به کامپاندینگ واحدهای تولید لوله است که چندین نوع مواد را به صورت گرانول وارد سیلندرهای تک ماردون کرده و اکستروژن می‌نمایند.

در آزمون ارزیابی درجه پراکنش دوده که از طریق اندازه‌گیری ذرات پخش شده و درجه‌بندی گرید آنها می‌باشد، کیفیت پراکنش دوده در پلیمرها برای مقاومت در برابر اشعه ماورای خورشید بسیار حائز اهمیت است.

شرط لازم جهت محافظت پلیمر در برابر UV-Ray (اشعه ماورای بنفش خورشید) مناسب بودن دوده و به اندازه بودن آن است، ولی کافی نیست. ذرات دوده به دلیل ساختار شیمیایی خاص خود تمایل به خوشه‌ای شدن و به هم چسبیدن دارند؛ لذا فرایند پخت و اختلاط باید به گونه‌ای انجام گیرد که ذرات، علاوه بر خرد و پخش شدن (Dispertion)، به شکلی مناسب در زمینه پلی‌اتیلن توزیع گردند (Distribution) تا بتواند اثر بخشی مطلوبی در محافظت کامل پلیمر داشته باشند که این فرایند در دستگاه‌های کامپاندر به دلیل استفاده مواد اولیه به صورت پودر و نیز طراحی و مهندسی و هندسه خاص سیلندر و اکسترودر به راحتی انجام می پذیرد ( نوعC)؛ در صورتی‌که در مواد ترکیبی در کارخانه‌های تولیدکننده لوله به دلیل ترکیب مواد مختلف و ادتیوها با هم (به صورت دانه) و نیز تولید در اکسترودرهای  مخصوص لوله، شاخصه‌های رفتاری محصول دچار افت کیفی می‌شود؛ به همین دلیل، ذرات دوده در تمام سطوح پلیمر پراکنش و توزیع نمی‌شوند؛ در جایی که ذرات دوده به‌صورت کلوخه‌های درشت تجمع‌های نقطه‌ای زیاد وجود دارند، همان نقاط می‌تواند به عنوان مرکز تنش عمل کنند و باعث شکست و بروز نقیصه در لوله شوند؛ همچنین چنانچه ذرات دوده در سراسر سطوح پلیمر خوب و یکسان توزیع نشود، محصول در برابر محافظت کامل اشعه مخرب ماورای بنفش آسیب‌پذیر خواهد بود.

از شاخص‌ترین آزمون‌های طولانی‌مدت روی لوله‌های LDPE، آزمون ESCR است که معیار مهمی برای تعیین عمر لوله نیز محسوب می‌شود.

از مهم‌ترین فرایندها و پارامترهای تأثیرگذار روی آزمون 1000 ساعته ESCR  می‌توان به مرغوبیت مواد اولیه یا فرمولاسیون و همچنین خنک‌کاری خوب در زمان تولید اشاره کرد. بنابراین سعی شد تا فرمولاسیون اولیه لوله F هم به گونه‌ای اعمال گردد  که MFR محصول علاوه بر قابل قبول بودن در محدوده استاندارد 0.7 ≤ MFI   < 0.2  به MFI محصول C نیز نزدیک باشد.

لوله‌های LDPE برخلاف لوله‌های تحت فشار HDPE که عموماً زیر خاک مدفون هستند، عمدتاً در سطح زمین نصب و بهره‌برداری می‌شوند؛ بنابراین بیشتر از لوله‌های HDPE تحت تنش‌های مکانیکی، محیطی و شیمیایی قرار دارند. به همین دلیل، روی این لوله‌ها آزمون ESCR یک ساعته و 1000 ساعته، تحت شرایط آزمایشگاهی انجام می‌گیرد که در واقع بازسازی مقاومت این نوع لوله‌ها در برابر تمامی این تنش‌هاست؛ به عنوان مثال، در لوله‌های به کاربرده شده در مزرعه با توجه به تماس لوله‌ها با انواع کودهای شیمیایی – ضد آفت‌ها – مواد شوینده، مواد شیمیایی و… باید لوله در برابر این نوع مواد، مقاومت لازم را نشان دهد که به همین دلیل، در آزمایشگاه لوله را در معرض یک دترجنت فوق‌العاده قوی به نام EGYPAL قرار می‌دهند و تحت تنش می‌گذارند و با توجه به احتمال عبور و برخورد انسان‌ها، انواع جانوران، حیوانات و پرندگان با لوله، آن را تحت خمش و ترک، به همراه حرارت و مواد شیمیایی قرار می‌دهند و با تلفیق تمامی این‌ها با هم، یک بازسازی واقعی در مقیاس کوچک از آسیب‌های میدانی در مزرعه را اجرا می‌کنند.

در رابطه با مبحث میزان درصد دوده با توجه به این‌که در لوله‌های ترکیبی (نوعF) مواد مختلف با دانسیته و گرانروی و اندازه‌های متفاوت با هم اختلاط می‌شوند، میکس و اختلاط ترکیب نمی‌تواند به صورت یکنواخت انجام پذیرد و مواد مختلف با توجه به چگالی‌های متفاوت از همان ابتدا و از لحظه میکسینگ تا محل پاتیل و قیف خوراک‌دهی، تجمع، ترکیب و یکنواختی متفاوتی دارند و به صورت یکسان وارد سیلندر نمی‌شوند؛ بنابراین تکرارپذیری دوده در محل‌های متفاوت یک محصول نمی‌تواند یکسان و برابر باشد. در رابطه با شاخص جریان مذاب (MFI) نیز شرایط اعلام شده به همین میزان مصداق دارد.

در نتیجه اینکه لوله‌های تولیدی با مواد کامپاند با اختلاف می‌توانند عملکرد بهتری نسبت به لوله‌های ترکیبی داشته باشند. این فرایند در رابطه با لوله‌های HDPE تولید شده با کامپاند و لوله‌های تولید شده با مواد نچرال و افزودنی مستربچ نیز کاملاً مصداق دارد. با توجه به اینکه افزودنی مستربچ برای تولید لوله، باعث افت بسیاری از خواص مکانیکی و هیدرولیکی لوله‌ها می‌گردد، امید است پتروشیمی‌های کشور در راستای ارائه و تولید مواد مشکی (خودرنگ) به جای مواد نچرال (سفید) تلاش کنند و در جهت بهینه‌سازی و بهبود بیشتر کیفیت مواد اولیه گام بردارند.

با توجه به اینکه با رعایت شرایط کاری و متعارف لوله‌هایLDPE  مثل کنترل حداکثر فشار کاری، دمای کاری و جلوگیری از ایجاد تنش‌های مکانیکی و سایش‌های بیرونی بر لوله و کارکرد میانگین 1500ساعت در سال عمر لوله‌های لودن 10 سال برآورد می‌شود، این احتمال پیش‌بینی می‌گردد که عمر لوله‌های تولید شده با مواد ترکیبی در خوش‌بینانه‌ترین حالت، کمتر از 9 سال و حداکثر 5/8 سال باشد.

 

شهریور99-سال41-شماره489-ص34