Упрочненная труба из пластмассы и способ изготовления такой трубы

1 Настоящее изобретение относится к трубе из пластмассы, упрочненной для выдерживания механических нагрузок. Трубы, которые должны выдерживать значительные механические нагрузки, такие как трубы большого диаметра и/или трубы, подвергающиеся высокому внутреннему давлению,могут производиться экономичным способом из ковкого чугуна. В то же время в ряде случаев пластмассовые трубы предпочтительней чугуна,благодаря их большей легкости и их коррозионной стойкости. Чтобы так же хорошо, как чугун, выдерживать значительные механические нагрузки,традиционные трубы из пластмассы должны иметь повышенную толщину стенок, что по стоимости и рентабельности делает их менее конкурентоспособными, чем трубы из ковкого чугуна. Кроме того, трубы из пластмассы часто имеют слабое сопротивление текучести при длительных нагрузках. Между тем очень важно,чтобы в определенных областях использования прочность этих труб, например стойкость к растрескиванию, не снижалась до конца длительного периода использования, который может растянуться на несколько десятков лет. Чтобы разрешить эту проблему, было рассмотрено много решений. Первое решение состояло в изготовлении труб, пластмасса которых ориентирована в двух направлениях, в параллельном и перпендикулярном к оси трубы. Операция ориентирования в двух направлениях может, однако, быть осуществлена только на трубе, предварительно образованной экструзией, что делает этот способ не непрерывным и дорогостоящим. Кроме того, сохранение ориентирования в двух направлениях вещества при установке соединительных элементов требует соблюдения особых предосторожностей, предполагая использование многочисленных специальных соединений. Кроме того, упрочнение,полученное этим методом, эффективно главным образом для продольного ориентирования и только частично решает проблему сопротивления радиальным усилиям, которые представляют максимальные напряжения в определенных применениях, например при транспортировке жидкостей под давлением. Попытки, предпринятые до настоящего времени, получить способ постоянного ориентирования в двух направлениях не были в полной мере плодотворными изза технологических ограничений и значительных дополнительных издержек, при том, что выигрыш в прочности, который был получен,еще недостаточен. Другое решение состояло в том, чтобы размещать на пластмассовых трубах упрочнения, как например, сплошную обмотку из волокна (например, стекла), пропитанного термопластичной или термоотверждаемой смолой("COFITS"). Однако это решение тоже не без 2 недостатков, так как такие обмотки обычно хрупкие и сильно увеличивают удельный вес упрочненной трубы, и, результате, также ее стоимость. Кроме того, эффективность этих упрочнений не остается стабильной во времени, и переработка трубы в конце срока службы часто затруднена из-за проникновения в полимер трубы посторонних веществ, трудных для выделения. В патенте США US-A-4,093,004 описан метод упрочнения стержня из различных материалов (картон, бумага, каучук, дерево или пластмасса) с помощью полос из ориентированного полиолефина. Полученная упрочненная труба не является, однако, достаточной прочной, в частности стойкой к растрескиванию, чтобы быть гарантированно использованной в течение длительных сроков для транспортировки жидкостей под давлением. Задачей изобретения является устранение недостатков в известных системах упрочнения,обеспечивая стоимость производства в приемлемых границах и способных конкурировать с трубами из ковкого чугуна. Таким образом, изобретение относится к упрочненной многослойной пластмассовой трубе, состоящей из трубчатого стержня на основе полимерного состава, на которую намотаны упрочняющие полосы, содержащие состав из ориентированного полимера, согласно которому полосы выбираются из тех, которые удовлетворяют следующему соотношению: где IR - коэффициент сопротивления упрочняющей полосы, рассчитываемый следующим образом: гдепредставляет максимальное значение напряжения, полученного в эксперименте по растяжению полос в направлении ориентирования,для удлинения, соответствующего точке текучести стержня или, при отсутствии таковой, точке разрыва полосы, если удлинение в этой точке разрыва ниже удлинения в точке текучести стержня,Е - модуль эластичности при растяжении ориентированных полос;- коэффициент сопротивления стержня; 0 и Ео - соответственно напряжение в точке текучести и модуль эластичности при растяжении стержня; в котором , Е, 0 и Е 0 выражены в одних и тех же произвольных единицах напряжения,при этом по крайней мере два слоя полос намотаны на стержень, причем каждый слой состоит из полосы, составляющей относительно направления трубы угол, близкий и противоположный по знаку углу полосы другого слоя. 3 В этом определении термин "близкий угол" означает угол, не меньший чем данный угол минус 5 угловых градусов. Под термином"близкий угол" понимается также угол, не больший чем данный угол плюс 5 угловых градусов. Предпочтительно этот термин означает угол не меньше чем данный угол минус 2 угловых градуса. Также предпочтительно он относится к углу, превышающему данный не более чем на 2 угловых градуса. Точка текучести означает точку кривой испытания на растяжение(напряжениеудлинение) рассматриваемой пластмассы, начиная с которой напряжение, которое необходимо приложить, чтобы получить дополнительное удлинение, начинает снижаться по сравнению с напряжениями, необходимыми для получения меньших удлинений, чем то, которое соответствуют этой точке. Упрочненная труба означает трубу, механические свойства которой, присущие составу основного вещества, которое ее составляет, модифицированы присутствием дополнительного материала, отличающегося от этого основного материала, который вносит дополнительный вклад в механическую прочность. Состав основного вещества является полимерной композицией, которая составляет по крайней мере 40% от веса всей упрочненной трубы. Стержень состоит из основного полимерного состава. Состав дополнительного материала воспроизводится упрочняющими полосами. Под пластмассой понимаются все материалы, содержащие по крайней мере один полимер из синтетической смолы. При этом подходят все виды пластмасс. Подходящие пластмассы относятся к категории термопластичных материалов. Термопластичные материалы означают все термопластичные полимеры, в том числе термопластичные эластомеры, а также их смеси. Термин "полимер" означает как гомополимеры, так и сополимеры (особенно двух- или трехкомпонентные). Примерами таким полимеров являются, без ограничений: статистические сополимеры, блочные сополимеры и привитые сополимеры. Подходят все типы термопластичных полимеров или сополимеров, температура плавления которых ниже температуры разложения. Особенно подходят синтетические термопластичные материалы, интервал плавления которых растянут по крайней мере на 10 С. Примером таких веществ являются те, молекулярная масса которых полидисперсна. В частности, можно использовать полиолефины, поливинилгалогениды, термопластичные полиэфиры, поликетоны, полиамиды и их сополимеры. Может быть использована смесь полимеров или сополимеров, а также смесь полимерных веществ с неорганическими, органическими и/или натуральными навесками, как 4 например, но без ограничений, углерод, соли и другие производные неорганические продукты,натуральные или полимерные волокна. Равным образом можно применять многослойные структуры, состоящие из уложенных друг на друга и действующих совместно слоев, которые содержат по крайней мере один из полимеров или сополимеров, описанных выше. Часто используемым полимером является полиэтилен. Прекрасные результаты были получены с полиэтиленом высокой плотности(HDPE). Основным компонентом упрочненной трубы является, согласно изобретению, трубчатый стержень, то есть полый объект в виде трубы. Он состоит, по крайней мере частично, из полимерного состава. Другим компонентом упрочненной трубы согласно изобретению являются упрочняющие полосы, которые содержат состав дополнительных веществ, вносящих дополнительную механическую прочность, чтобы придать упрочненной трубе механические свойства, соответствующие тому ее использованию, для которого она предназначена. Дополнительный материал, присутствующий в упрочняющих полосах трубы, согласно изобретению содержит по крайней мере один состав ориентированного полимера. Он может содержать только один состав ориентированного полимера. Альтернативно, он может также содержать смесь нескольких полимерных составов и, при необходимости, неполимерные добавки, из которых по крайней мере один из полимеров ориентирован. Полимером может быть любой термопластичный полимер, способный находиться в полосе в ориентированном виде,то есть, имеющий по крайней мере 20% по весу молекулярных цепей, которые выстроены в одинаковом направлении. Предпочтительно направление ориентирования - это продольное направление полосы. В качестве ориентированного полимера можно выбрать любой тип термопластичных полимеров, которые хорошо растягиваются в направлении его молекулярных цепей. Как правило, применяют ориентированный полимер той же природы, что и полимер,использующийся обычно для получения труб,которые должны противостоять давлению. Примерами таких полимеров в случае стержня из полиэтилена высокой плотности (HDPE) являются, без ограничений, мультимодальные смолы HDPE и сетчатые смолы. Мультимодальные смолы - это смолы, молекулярно-массовое распределение которых имеет несколько экстремумов. Предпочтительны бимодальные смолы изHDPE, имеющие два экстремума. Сетчатыми смолами HDPE являются смолы из HDPE, которые в течение всего времени использования ведут себя как традиционные термопластичные смолы из HDPE и которые 5 затем могут быть, после помещения в форму,сшиты и отверждены каким-либо способом (под действием перекисей, облучения,). Если присутствует несколько ориентированных полимеров, они разделяют то же направление ориентирования. Ориентированный полимер полос может иметь ту же природу, что и один из полимеров полимерного состава основного компонента стержня. Он может также,наоборот, быть полимером, отсутствующим в этом полимерном составе основного компонента, если этого требуют условия использования,или если они являются плохо совместимыми с использованием идентичного полимера. Предпочтительно, когда упрочненная труба согласно изобретению содержит четное число слоев упрочняющих полос, намотанных на стержень. Предпочтительно между стержнем и соседним слоем полосы, а также между каждым слоем полосы введено по одному слою адгезива. Под адгезивом понимаются все адгезивы,совместимые с составом стержня и составом упрочняющих полос. Наиболее часто используемым адгезивом обычно является полимерный адгезив, который может присутствовать в виде полиуретана или функционализированного полиолефина. Под функционализированным полиолефином понимаются все полиолефины,содержащие, кроме звеньев, образованных из олефина, звенья функциональных мономеров. Они могут быть включены или в главные цепи полиолефина или в боковые цепи. Они могут равным образом быть введены непосредственно в скелет этих главных и боковых цепей, например, путем сополимеризации одного или нескольких функциональных мономеров с одним или несколькими олефиновыми мономерами,или могут быть получены в результате прививки одного или нескольких функциональных мономеров на указанные цепи уже после получения полиолефина. Некоторые функциональные полиолефины могут также применяться в смеси. Звенья функциональных мономеров функционализированных полиолефинов выбирают из карбоновых кислот, бикарбоновых кислот и ангидридов, соответствующих этим двухосновным кислотам. Эти мономерные звенья обычно получают сополимеризацией или прививкой по крайней мере одного ненасыщенного мономера,обладающего теми же функциями. Примерами используемых мономеров являются, без ограничения, акриловая кислота, метакриловая кислота, малеиновая кислота, фумаровая кислота,итаконовая кислота, малеиновый ангидрид, фумаровый ангидрид и итаконовый ангидрид. Предпочтительно, звенья функциональных мономеров получают сополимеризацией или прививкой малеинового ангидрида. Предпочтительно число слоев и углы упрочняющих полос выбирают таким образом,чтобы придать готовой трубе прочность по 6 крайней мере достаточную, для того чтобы выдерживать приложенные напряжения в течение длительного срока. Упрочненная труба содержит, как правило,по крайней мере два слоя упрочняющих полос. Если подразумеваются два слоя полос, они составляют между собой, относительно направления трубы, угол близкий, но противоположный по знаку. Термин "близкий" здесь имеет тот же смысл, что и поясненный выше. Если упрочненная труба содержит более двух слоев упрочняющих полос, два какие-либо соседних слоя этой трубы составляют предпочтительно близкий и противоположный по знаку угол относительно направления трубы. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, упрочняющие полосы трубы намотаны примыкающими встык витками. Более предпочтительно, эти упрочняющие полосы также защищены двумя слоями неориентированного полимера. Термин"защищены" понимается здесь в смысле механической защиты от всех изменений механического типа, возникающих в результате нагрузки со стороны среды, внешней по отношению к упрочненной трубе. Предпочтительно, полимерный состав этих защитных слоев совместим с составом ориентированного полимера слоя упрочнения. Также предпочтительно, когда первый из этих слоев, тот, что более внутренний,образован из полос, намотанных также витками. Предпочтительно, чтобы второй защитный слой, находящийся на внешней поверхности упрочненной трубы, был слоем, выполненным в форме трубы из цельного куска и служащим отделочным слоем. Под полимерным составом,совместимым с составом ориентированного полимера, понимают все полимерные составы,смешиваемые в расплавленном состоянии с этим ориентированным составом, которые не вызывают нежелательных физических или химических реакций, способных воздействовать на ориентирование по крайней мере одного полимера из этого последнего состава. Также предпочтительно, чтобы природа каждого компонента трубы выбиралась, исходя из возможности его рецикла и его повторного использования в смеси в одном из слоев новой трубы. Эта способность должна в этом случае быть гарантированной как при изготовлении новой трубы (использование производственного брака) так и для изношенной трубы, в конце периода использования. Изобретение относится также к способу получения упрочненной пластмассовой трубы,включающему наматывание вокруг трубчатого стержня на основе полимерного состава упрочняющих полос, содержащих ориентированный полимерный состав, при этом полосы выбирают из тех, которые удовлетворяют следующему соотношению: где IR - коэффициент сопротивления упрочняющей полосы, рассчитываемый следующим образом: гдепредставляет максимальное значение напряжения, полученного в эксперименте по растяжению полос в направлении ориентирования,для удлинения, соответствующего точке текучести стержня или, при отсутствии таковой, точке разрыва полосы, если удлинение в этой точке разрыва ниже удлинения в точке текучести стержня,Е - модуль эластичности при растяжении ориентированных полос;- коэффициент сопротивления стержня; 0 и Е 0 - соответственно напряжение в точке текучести и модуль эластичности при растяжении стержня; в котором , Е, 0 и Е 0 выражены в одних и тех же произвольных единицах напряжения,при этом по крайней мере два слоя полос намотаны на стержень, причем каждый слой состоит из полосы, составляющей относительно направления трубы угол, близкий и противоположный по знаку углу полосы другого слоя. Точка текучести и термин "близкий" имеют здесь те же значения, которые уже были разъяснены выше для упрочненной трубы. Упрочняющие полосы могут быть приклеены к стержню и/или на слой нижележащей полосы с помощью адгезива. Применяемые адгезивы являются теми же, что и описанные выше для упрочненной трубы. Согласно одному варианту осуществления способа согласно изобретению используемые упрочняющие полосы склеивают с помощью адгезива, активируемого нагреванием. Использование адгезива такого типа обеспечивает возможность ограничить длительность нагрева упрочняющих полос величиной, строго необходимой для развития эффекта прилипания,так, чтобы как можно лучше защитить сохранение ориентирования полимерного состава упрочняющих полос, свойства, которое, как известно, обычно снижается под действием тепла. Согласно этому варианту осуществления способа согласно изобретению, можно, кроме того, улучшить защиту молекулярного ориентирования полимерного состава упрочняющих полос, наматывая поверх них тонкую полосу термической защиты, которая содержит неориентированный полимерный состав, по химической природе совместимый с составом из ориентированного полимера нижележащих слоев. Эти защитные полосы приклеены к ориентированным полосам с помощью органического клея без растворителя или с помощью полимерного 8 клея, плавящегося при температуре достаточно низкой, чтобы не изменить ориентирование молекул этих упрочняющих ориентированных полос. Толщина этой полосы зависит от важности ее свойств как теплового экрана и не превышает толщины, которая дает относительно хорошую стабильность молекулярного ориентирования нижележащих слоев. Кроме того, предпочтительно, когда эта полоса термической защиты по существу прозрачна в инфракрасном излучении, чтобы позволить активирование клея излучением этого типа, исключая другие источники тепла. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению, поверх тонкой полосы тепловой защиты размещают методом экструзиивыдавливания внешний отделочный слой, содержащий состав из неориентированного полимера, совместимый с составом нижележащей тонкой полосы тепловой защиты. Это наложение может быть предпочтительно выполнено с помощью круговой фильеры, окружающей упрочненную трубу, через которую пропускают отделочный слой. Внешний отделочный слой имеет целью точно измерять внешние размеры трубы и обеспечить совместимость с соединениями, выполненными с помощью клея или термосваркой. Предпочтительно, выполнять толщину тонкой полосы такой, чтобы она служила эффективным теплозащитным щитом, как показано выше, при экструзии-выдавливании наложением отделочного слоя так, чтобы максимально ограничить потерю ориентирования ориентированного полимерного состава упрочняющих полос. Следующие примеры даны для иллюстрации изобретения, не ограничивая никоим образом его значение. Сравнивались измерения напряжения и модули эластичности при растяжении 4 различных полимеров, которые использовали для изготовления полос толщиной 0,9 мм. Эти полосы наматывались вокруг стержня из полиэтилена высокой плотности (HDPE) в виде трубы с толщиной стенок 3,85 мм (ниже обозначаемойTUB121). Два перекрещенных слоя каждой из этих полос наложены на стержень, составляя угол в +55 градусов и -55 градусов относительно направлению стержня, за исключением кристаллического полимера HDPE "Leeds1", где для выполнения сплошного наматывания были необходимы 4 слоя полос (составляющих те же углы, что и полосы других труб). В случае этого последнего полимера кристаллического HDPE необходимые издержки, которые должны быть затрачены для устройства наматывания, удваиваются по сравнению с издержками для других изученных полимеров. 9 Затем согласно стандарту ISO 9080 измерялось давление при растрескивании трубы. Полученные результаты приведены в следующей таблице. Опыты 1R, 2R и 5R являются эталонными опытами, не соответствующими изобретению. Опыты 3 и 4 соответствуют изобретению. Видно, что упрочненные трубы, выполненные в опытах 3 и 4, единственные, где отношение коэффициентов IR/IR0 превышает число 4, имеют оптимальные давления при растрескивании, то есть самые высокие и отвечающие спецификациям, требуемым для того использовании труб, для которого они предназначены. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Многослойная упрочненная пластмассовая труба, состоящая из трубчатого стержня на основе полимерного состава, на который намотаны упрочняющие полосы, содержащие ориентированный полимерный состав, отличающаяся тем, что полосы выбирают из тех, которые удовлетворяют следующему соотношению: где IR - коэффициент сопротивления упрочняющей полосы, рассчитываемый следующим образом: гдепредставляет максимальное значение напряжения, полученного в эксперименте по растяжению полос в направлении ориентирования,для удлинения, соответствующего точке текучести стержня или, при отсутствии таковой, точке разрыва полосы, если удлинение в этой точке разрыва ниже удлинения в точке текучести стержня,Е - модуль эластичности при растяжении ориентированных полос;- коэффициент сопротивления стержня; 0 и Е 0 - соответственно напряжение в точке текучести и модуль эластичности при растяжении стержня; в котором , Е, 0 и Е 0 выражены в одних и тех же произвольных единицах напряжения,при этом она содержит по крайней мере два слоя полос, намотанных на стержень, при 004965 10 чем каждый слой состоит из полосы, составляющей относительно направления трубы угол,близкий и противоположный по знаку углу полосы другого слоя. 2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что она содержит четное число слоев упрочняющих полос, намотанных на стержень. 3. Труба по п.1 или 2, отличающаяся тем,что между стержнем и смежным слоем полосы,а также между каждым слоем полосы размещен один слой адгезива. 4. Труба по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что упрочняющие полосы защищены первым тонким слоем, образованным полосами, намотанными сплошными витками, содержащими состав из неориентированного полимера, совместимый с составом ориентированного полимера лежащих ниже упрочняющих слоев, и вторым внешним слоем,полностью трубчатым и образованным из цельного куска того же состава из неориентированного полимера, служащим отделочным слоем. 5. Способ получения упрочненной трубы из пластмассы, включающий размещения, путем наматывания вокруг трубчатого стержня на основе полимерной композиции упрочняющих полос, содержащих ориентированный полимерный состав, отличающийся тем, что полосы выбраны из тех, которые соответствуют следующему соотношению: где IR - коэффициент сопротивления упрочняющей полосы, рассчитываемый следующим образом: гдепредставляет максимальное значение напряжения, полученного в эксперименте по растяжению полос в направлении ориентирования,для удлинения, соответствующего точке текучести стержня или, при отсутствии таковой, точке разрыва полосы, если удлинение в этой точке разрыва ниже удлинения в точке текучести стержня,Е - модуль эластичности при растяжении ориентированных полос;- коэффициент сопротивления стержня; 0 и Е 0 - соответственно напряжение в точке текучести и модуль эластичности при растяжении стержня; в котором , Е, 0 и Е 0 выражены в одних и тех же произвольных единицах напряжения,при этом по крайней мере два слоя полос наматывают на стержень, причем каждый слой состоит из полосы, составляющей относительно направления трубы угол, близкий и противоположный по знаку углу полосы другого слоя. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что используемые упрочняющие полосы склеивают с помощью адгезива, активизируемого нагреванием. 7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем,что поверх упрочняющих полос наматывают тонкую полосу тепловой защиты, содержащую композицию из неориентированного полимера химического состава, совместимого с ориентированным полимерным составом нижележащих упрочняющих слоев. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что с помощью метода экструзии - выдавливания поверх тонкой полосы теплозащиты размещают 12 внешний отделочный слой, содержащий состав из неориентированного полимера, совместимый с составом нижележащей тонкой полосы тепловой защиты, с помощью круговой фильеры, через которую пропускают отделочный слой. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что толщину тонкой полосы выполняют так, чтобы она служила теплозащитным щитом при экструзии - выдавливании наложением отделочного слоя таким образом, чтобы максимально ограничить потерю ориентирования ориентированного полимерного состава упрочняющих полос.