Предел прочности полиэтилена при растяжении

Свойства полиэтилена (ПЭ) имеют широкое многообразие, но особо можно выделить два: высокую химическую стойкость и неспособность вступать в электрохимические реакции, благодаря чему исключается возможность появления коррозии, присущей стали. Далее приведены Свойства полиэтилена, наиболее полно характеризующие полиэтилен как материал, применяемый для изготовления труб и соединительных деталей.

Свойства полиэтилена – Плотность

Свойства полиэтилена во многом определяются его плотностью. В российских и международных стандартах принята следующая классификация ПЭ по группам плотности, кг/м3:

– ПНП (ПВД) – полиэтилен низкой плотности (полиэтилен высокого давления) – 910-925;
– ПСП (ПСД) – полиэтилен средней плотности (полиэтилен среднего давления) – 926-940;
– ПВП (ПНД) – полиэтилен высокой плотности (поли-этилен низкого давления) – 941-965.

Полимеризацией при высоком давлении получают разветвленный ПНП. Полимеризацией при низком давлении различными методами (газофазный, суспензионный, в растворе) получают линейный полиэтилен. При этом за счет введения сополимеров может быть получен ПЭ различной плотности – от 920 до 960 кг/м3.

Гранулы полиэтилена

Отечественные трубные марки ПНД производятся газофазным методом с использованием бутена-1 в качестве сополимера. Полимеризацией при низком давлении может быть получен ПСП. Внешне трубы из ПНД и ПВД ничем не отличаются, поэтому при отсутствии маркировки или паспорта (документа о качестве) на трубы отличить их довольно трудно.

Если имеются два отрезка трубы – из ПНД и ПВД – одного наружного диаметра с одинаковой толщиной стенки, то при приложении равных нагрузок труба из ПНД сплющивается в меньшей степени. Труба из ПНД более твердая, чем труба из ПВД, при проведении по ней ногтем обычно остается малозаметная царапина, тогда как на поверхности трубы из ПВД она более заметна. При ударе о твердую поверхность детали из ПВД издают глухой звук, а детали из ПНД – относительно звонкий звук.

Высокая плотность и монолитность соединения могут быть получены только при сварке деталей из одного вида и марки термопласта. Трубы из ПЭ, ПП или ПБ, сваренные между собой, не образуют прочного соединения и легко разрушаются при механическом воздействии.

Стойкость к климатическому (атмосферному) старению

Полиэтилен чувствителен к ультрафиолетовым лучам и теплу. Под их воздействием изменяются его цвет и механические характеристики, т.е. он становится более твердым и хрупким. Эти изменения происходят не сразу и становятся заметными только после года хранения труб на открытом воздухе, на солнце и в неблагоприятных климатических условиях. Так как трубы укладываются в траншеи, то опасность атмосферного старения полиэтилена становится минимальной.

Свойства полиэтилена – Стойкость к температурным воздействиям

При температурном воздействии, особенно длительном,  полиэтилен в изделии становится более «эластичным», т.е. легко поддающимся деформированию при приложении к нему механических нагрузок. Обычно ПЭ трубы рассчитываются исходя из прочности материала при температуре 20 °С. Если температура ниже этого значения, то проность, как правило, повышается. Это повышение прочности, чаще всего, не учитывается при назначении эксплуатационных параметров трубопровода, но сам факт повышения прочности ПЭ увеличивает коэффициент запаса прочности трубы.

Температура плавления полиэтилена, при которой он переходит из твердого состояния в расплавленное, составляет от 115 до 130 °С. Температура начала размягчения – 110 °С. Температура хрупкости – минус 70 °С.

Свойства полиэтилена – Прочность при растяжении

Значение предела текучести при одноосном растяжении является весьма важной характеристикой ПЭ, т.к. оно указывает о том предельном состоянии материала, по достижении которого в термопласте возникают необратимые деформации. Среднее значение предела текучести ПНП, ПСП и ПВП составляет от 11,0 до 28,0 МПа. Относительное удлинение полиэтилена при пределе текучести составляет 16 %. Разрушающее напряжение – предел прочности при растяжении, составляет более 30,0 МПа.

Относительное удлинение полиэтилена при разрыве

Свойства полиэтилена, значение относительного удлинения при разрыве полиэтилена составляет от 300 до 1000 % при скорости растяжения от 50 до 100 мм/мин и температуре 20 °С. Конкретное значение удлинения при разрыве зависит от скорости растяжения и температуры.

Линейное расширение

Коэффициент линейного расширения полиэтилена в десять раз превышает соответствующий коэффициент для стали. Для полиэтилена он составляет 0,12-0,20 мм/(м-°С), тогда как у стали – 0,011 мм/(м-°С). Это следует учитывать при прокладке трубопроводов из ПЭ труб и соблюдать меры предосторожности.

Релаксационные Свойства полиэтилена

Если ПЭ подвергнуть длительному внешнему воздействию, то со временем внутреннее напряжение ПЭ в изделии уменьшается, т.к. материал как бы адаптируется к новому состоянию – более равновесному.

Свойства полиэтилена – Диффузионная проницаемость

Полиэтилен не является абсолютно герметичным по отношению к диффузионной проницаемости, особенно газов, которая повышается с увеличением температуры. Однако диффузионная проницаемость ПЭ чрезвычайно мала и составляет для газа при давлении до 0,3 МПа – 0,6 м3 на один километр в течение года.

Теплоизоляционные свойства полиэтилена

ППолиэтилен обладает хорошими теплоизоляционными свойствами. Тем не менее, для подземных трубопроводов теплоизоляционные характеристики грунта не менее значимы, чем аналогичные свойства самой полиэтиленовой трубы. Коэффициент теплопроводности полиэтилена составляет в среднем 0,22-0,4 Вт/(м-°С).

Стойкость к химическим веществам полиэтилена

Полиэтилен в изделии обладает хорошей стойкостью к воздействию различных агрессивных химических веществ: азотной кислоты различной концентрации, аммиака (газообразного, сухого, 100%-го, чистого, водного раствора, насыщенного на холоде), технического ацетона, бензина, винной кислоты, любого вина, воды (дистиллированной, деминерализованной, обессоленной, минеральной, морской), солей калия, сжатого воздуха, содержащего масла, солей меди и магния, отходящих газов систем канализации и др., содержащих диоксид углерода, соляную кислоту, диоксид серы, ртуть, сероводород, серу, мочевину, мыльный раствор и пр.

Обладает относительной стойкостью в концентрированной (более 50%) азотной кислоте, бензоле и некоторых других ароматических углеводородах.

Свойства полиэтилена – Горючесть

Свойства полиэтилена при контакте с огнем полиэтилен быстро загорается, плавится и стекает каплями. Пламя при горении – синее, слабосветящееся, с запахом затухающей свечи.

Наиболее опасными токсичными газами, образующимися при сгорании полиэтилена, являются углерода оксид (СО), водорода хлорид (HCI) и углерода диоксид (СО2). Количество СО, выделяющегося при термическом разложении полиэтилена, составляет 9-12 %.

Диоксид углерода в малых концентрациях не представляет большой опасности: его концентрацию 1,5 % в воздухе человек переносит без вреда для организма, но при концентрациях 3,0-4,5 % этот газ становится опасным для жизни человека при получасовом вдыхании. В настоящее время в нашей стране отсутствуют нормативные документы, регламентирующие критические концентрации СО, СО2, HCI и О2 при пожаре. В связи с этим для оценки пожарной опасности пластмассовых трубопроводов литературными источниками рекомендуются следующие критические концентрации: СО – 0,1 %, СО2 – б %, HCI – 5 % и О2 – 17 %.

В качестве замедлителей горения полиэтилена применяются хлор- и бромсодержащие органические соединения. В качестве средств пожаротушения применяются: тонко распыленная вода, вода с добавками поверхностно-активных веществ, пена, огнетушащие порошки, асбестовое полотно и др.

Санитарно-гигиенические свойства

Из полиэтилена в воду могут выделяться некоторые химические вещества в концентрациях, не превышающих предельно допустимую (ПДК). Мигрирующие соединения, как правило, не придают воде привкусов и запахов, но могут вызывать образование быстроисчезающей пены при взбалтывании водных вытяжек.

Для светостабилизации полиэтилена применяют различные сорта сажи, содержащие до 0,5 мг/кг бензопирена. Количество сажи в полиэтилене не должно превышать 2,5 %. Исследования показали допустимость использования труб из ПЭ для транспортирования хлорированной воды. При этом не отмечено значительного увеличения хлоропоглощаемости.

ПНД может выделять в воду те же вещества, что и ПВД, но кроме того – остатки комплексных металлоорганических катализаторов и растворителей. Трубы из ПЭ, облученные дозами ускоренных электронов или лучами, не изменяют вкуса и запаха соприкасающейся с ними воды и не повышают ее окисляемость.

Установлено, что увеличение числа бактерий в стоячей воде, находящейся в ПЭ трубах, вызвано их размножением вследствие органических загрязнений, имеющихся в воде, а не влиянием полимерного материала. Посев бактериальных культур, выделенных из водопроводной воды, в минеральную среду с полиэтиленом порошками различной молекулярной массы в качестве единственного источника углерода доказал, что эти микроорганизмы не в состоянии употреблять полиэтилен. ПВД не влияет на выживаемость в воде кишечной палочки. Таким образом, основным ограничением при использовании полиэтилена в контакте с питьевой водой является опасность изменения ее органолептических Свойства полиэтилена, в основном запаха.