Investigation of Requirements and Lifetime Determination of Polypropylene Random Crystalline Temperature (PP-RCT)

Document Type : Original Article

Author

Department of Mechanical Engineering, Road, Housing, and Urban Development Research Center, Tehran, Iran

Abstract

In this paper, polypropylene random copolymer with modified crystallinity for grade of pressurized water transfer pipes and fittings was designed and produced by Navid Zar Shimi Petrochemical Company. While examining the spectra of wide-angle X-ray diffraction patterns and DSC, the amount of MFR and their impact strength were determined and compared with the values ​​of polypropylene random copolymer. In order to investigate the service life, it was established to check the creep strength of this granule in the form of the pipe, so these granules were converted into single-layer pipes with external diameters of 20 and 25 mm with a thickness series of 2.5 and related fittings by pipe and connection companies. Then, these pipes were subjected to hoop stresses according to ISO 9080 and at different temperatures, and their failure points were recorded in these conditions. The samples that did not fail under the test conditions, remained under hydrostatic internal pressure for up to 5,000 hours. Finally, the failure points were recorded and the logarithmic curve of hoop stress to failure time has been drawn and its isothermal line equation gotten. Most failure points were located above the standard reference curve materials of PP-RCT, which means that these materials can be used in working temperature and pressure according to standards. In addition, additional tests were performed to investigate the joints of the pipe and the fittings, including temperature cycle and pressure cycle tests, on the pipe and fittings assemblies. The pipe and fitting assemblies haven't shown leakage or malfunction.

Keywords


بررسی الزامات و تعیین طول عمر پلی­پروپیلن ­رندوم­ کوپلیمر با کریستال­های اصلاح شده (PP-RCT)

آسیه عطاردی‌کاشانی*

استادیار، شیمی آلی، مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، تهران

* تهران، صندوق پستی 131451696، a.otaredi@yahoo.com

 

چکیده  

در این طرح، گرانول پلی‌پروپیلن رندوم کوپلیمر با اصلاح کریستالیتی برای گرید لوله و اتصالات انتقال آب تحت فشار توسط شرکت پتروشیمی نوید زر شیمی طراحی و تولید شد. ضمن بررسی طیف­های الگوهای پراش تابش X با زاویه باز و DSC، میزان MFR و استحکام ضربه چارپی آن­ها تعیین گردید و با مقادیر پلی‌پروپیلن رندوم کوپلیمر مقایسه گردید. جهت بررسی طول عمر، مقرر گردید تا استحکام خزشی این گرانول در شکل لوله بررسی شود. بنابراین، این گرانول­ها توسط شرکت­های تولیدکننده لوله و اتصال به لوله­های تک لایه با قطر خارجی 20 و 25 میلیمتر با سری ضخامتی 5/2 و اتصالات مربوط تبدیل شدند. سپس این لوله­ها مطابق استاندارد ISO 9080 و در دماهای مختلف تحت تنش هوپ قرار گرفتند و نقاط زمانی شکست آنها در این شرایط ثبت گردید. نمونه­هایی که در شرایط آزمون دچار شکست نشدند، تا 5000 ساعت تحت فشار داخلی هیدرواستاتیک باقی ماندند. در نهایت، نقاط شکست لوله­های تولیدی با این مواد ثبت و منحنی لگاریتمی تنش هوپ بر حسب زمان شکست رسم و معادله خط ایزوترمال آن به‌دست آمد. اکثر نقاط شکست بالای نمودارهای منحنی مرجع استاندارد مواد PP-RCT قرار گرفتند و این بدان معنی است که این مواد قابلیت استفاده در دما و فشار کاری مطابق استانداردها هستند. به‌علاوه، آزمون­های تکمیلی جهت بررسی نقطه جوش لوله و اتصال شامل آزمون­های چرخه دمایی و چرخه فشاری بر روی مجموعه لوله واتصالات انجام شد و مجموعه­های لوله و اتصال دچار نشتی و نقص نشدند.

کلید‌واژگان

پلی‌پروپیلن رندوم کوپلیمر با اصلاح کریستالیتی، استحکام طولانی مدت، منحنی مرجع.

 

 Investigation of Requirements and Lifetime Determination of Polypropylene Random Crystalline Temperature (PP-RCT)

Asieh Otaredi-Kashani*

Department of Mechanical Engineering, Road, Housing, and Urban Development Research Center, Tehran, Iran

* P.O. Box 131451696, Tehran, Iran, a.otaredi@yahoo.com

 

Abstract

In this paper, polypropylene random copolymer with modified crystallinity for grade of pressurized water transfer pipes and fittings was designed and produced by Navid Zar Shimi Petrochemical Company. While examining the spectra of wide-angle X-ray diffraction patterns and DSC, the amount of MFR and their impact strength were determined and compared with the values ​​of polypropylene random copolymer. In order to investigate the service life, it was established to check the creep strength of this granule in the form of the pipe, so these granules were converted into single-layer pipes with external diameters of 20 and 25 mm with a thickness series of 2.5 and related fittings by pipe and connection companies. Then, these pipes were subjected to hoop stresses according to ISO 9080 and at different temperatures, and their failure points were recorded in these conditions. The samples that did not fail under the test conditions, remained under hydrostatic internal pressure for up to 5,000 hours. Finally, the failure points were recorded and the logarithmic curve of hoop stress to failure time has been drawn and its isothermal line equation gotten. Most failure points were located above the standard reference curve materials of PP-RCT, which means that these materials can be used in working temperature and pressure according to standards. In addition, additional tests were performed to investigate the joints of the pipe and the fittings, including temperature cycle and pressure cycle tests, on the pipe and fittings assemblies. The pipe and fitting assemblies haven't shown leakage or malfunction.

Keywords

Polypropylene Random Copolymer with Modified Crystallinity, Long-Term Strength, Reference Curve.

 

 

 

 

  • مقدمه

یکی از مهمترین عوامل مرتبط با عمر ساختمان، تأسیسات داخلی آن، شامل: سیستم­های لوله­کشی توزیع آب سرد و گرم بهداشتی و سیستم لوله­کشی گرمایش و سرمایش است. در خصوص لوله و اتصالات پلیمری، طول عمر آنها تحت سه عامل دما، زمان و فشار سیال داخل آنها می­باشد. بنابراین، استحکام لوله­های پلیمری با گذشت زمان کاهش می­یابد و منحنی­های طول عمر آنها دارای شیب نزولی است. مطابق استاندارد، لوله­های پلیمری برای کاربری در سرویس مربوط برای مدت 50 سال طراحی می­شوند.

لوله و اتصالات PP-R، یک سیستم لوله­کشی تحت فشار پلاستیکی است که برای اولین بار در دهه 1980 در اروپا مورد استفاده قرار گرفت. همچنین این لوله‌ها مقاومت بالایی را در برابر محلول‌های اسیدی و بازی دارند. سپس در سال 2004، نسل جدیدی از PP-R به نام کوپلیمر تصادفی پلی­پروپیلن با اصلاح کریستالی (PP-RCT) با بهبود مقاومت فشار هیدرواستاتیک توسط شرکت بوریالیس طراحی و تولید شد. این پلیمر که با استفاده از افزودنی­های هسته­ساز ­در رزین­های PP­ تولید شد، مزایای منحصر به فردی را برای آنها به‌وجود می­آورد که عبارت‌اند از:

-        بالا رفتن مقاومت در برابر ضربه

-        افزایش مقاومت حرارتی

-        افزایش استحکام خزشی طولانی مدت

-        افزایش سرعت اکستروژن

-        بهبود قابل ملاحظه در جوش­پذیری

خواص مکانیکی کوپلیمر تصادفی پلی­پروپیلن با اصلاح کریستالی تولیدی شرکت بوریالیس مطابق جدول 1 است [1].

 

جدول 1 خواص مکانیکی PP-RCT تولیدی شرکت بوریالیس

گرید

MFR (g/10min)

(230°C/ 2.16k)

تنش کششی در نقطه تسلیم (MPa)

مدول تنشی (MPa)

ضربه ناتچ چارپی در °C23 (kJ/m2)

ضربه ناتچ چارپی در °C20-(kJ/m2)

RA7050

3/0

25

905

40

2

 

ویژگی­های برجسته عملکرد PP-RCT نسبت به  PP-Rدر آزمون­های فشار طولانی مدت مشخص می‌شود. برای مثال لوله­های PP-R در زمان 50 سال و دمای °C70 می­توانند فشار داخلی هیدرواستاتیک MPa21/3 را تحمل کنند، در حالی‌که در همان شرایط لوله­های PP-RCT می­توانند فشار داخلی هیدرواستاتیک MPa5 را تحمل نمایند.

این افزایش بیش از 50 درصدی استحکام طولانی مدت، طراحان را قادر می­سازد تا از لوله­های PP-RCT با همان ابعاد لوله­های PP-R در دما و فشار بالاتر استفاده کنند و یا اینکه برای استفاده در دما و فشار یکسان، از لوله­های PP-RCT با ضخامت کمتر و بنابراین با ظرفیت­های هیدرولیکی بالاتر و هزینه کمتر استفاده کنند.

جهت مقایسه، نمودار لگاریتمی تنش هوپ بر حسب زمان شکست لوله‌های تحت فشار پلی­پروپیلن با و بدون هسته­ساز بتا در دمای °C95 در "شکل 1" نشان داده شده است. برای لوله­های کوپلیمر تصادفی پلی پروپیلن با کریستال آلفا، در حدود 900 ساعت شیب منحنی تغییر می‌کند و به عبارتی نقطه زانویی (Knee Point) رخ می­دهد و پلیمر با شیب تندتری استحکام خود را از دست می­دهد. این در حالی است که برای لوله­های کوپلیمر تصادفی پلی­پروپیلن با کریستال بتا، اگر چه تنش هوپ آن نسبت به PP-R معمولی در زمان­های مشابه کوتاه­تر کمتر است، این نمودار فاقد نقطه تغییر شیب بوده و بنابراین در شرایط واقعی دارای طول عمر بیشتری است.

 

 

  • روش کار

اساساً قابلیت پلی­پروپیلن برای کریستالی شدن به ساختار فضایی زنجیره­های پلیمر بستگی دارد. پلی­پروپیلن با استفاده از کاتالیست­های خاص که افزایش مونومر پروپیلن را به زنجیره­های در حال رشد هدایت می­کنند، تولید می­شوند. این کاتالیست­ها که معمولاً بر پایه فلزات واسطه و در دو نوع زیگلر ناتا و متالوسن هستند، باعث افزودن سر به دم مونومر پروپیلن به هم می­شوند. اگر در زنجیره PP همه گروه­های متیل در یک سمت زنجیر قرار بگیرند، ساختار حاصل ایزوتاکتیک نامیده می­شود. پلی­پروپیلن تجاری هرگز به‌صورت 100 درصد ایزوتاکتیک نیست و همواره دارای بی­نظمی­های فضایی اندکی در ساختار پلیمری است. در شکل­دهی PP از حالت مذاب به جامد، هرچه میزان آرایش فضایی ایزوتاکتیک (زنجیرهای پلیمری منظمتر) بیشتر باشد، کریستالیتی بیشتری حاصل می­شود. حضور کو- مونومرهای مورد استفاده در فرایند پلیمریزاسیون عامل دیگری است که بر کریستالی شدن زنجیرهای پلیمری تأثیر دارند [2].

 

 

شکل 1 منحنی تنش هوپ به زمان شکست لوله­های RCP با و بدون هسته­ساز بتا

 

پلی­پروپیلن می­تواند در سه ساختار مختلف a، b وg  کریستالی شود. متداولترین فرم کریستالی پلی­پروپیلن، a ا که برای هوموپلیمر پلیمریزه شده با کاتالیست زیگلر ناتا در °C(165-160) ذوب می­شود. در قطعات تشکیل شده به روش تزریق یا اکسترود، بالای 95% کریستال‌ها از نوع a و کمتر از 5% از نوع b هستند. ساختار کریستالی g به ندرت در شرایط فرآیند شکل­دهی نرمال تشکیل می­شود. نقطه ذوب کریستال­های b به اندازه °C(15-12) پایین­تر از فرم a است. تشکیل غلظت بالاتر فرم b می­تواند از طریق شیب دمایی پایین [3,4]، کریستالیزاسیون با القای برشی [5,6] و با افزودن مواد هسته­ساز خاص [7,8] شکل گیرد که استفاده از مواد هسته­ساز در فرایندهای صنعتی ارجح است. 

از آنجا که کریستال­های a و b دارای ساختارهای سلول واحد متفاوتی هستند، الگوهای پراش تابش X با زاویه باز[1] (WAXD) تفاوتی تولید می‌کنند. ساختار و WAXD فرم­ آلفا با تقارن مونوکلینیک و بتا با تقارن هگزاگونال در "شکل 2" نشان داده شده است. شدت پیک غالب در WAXD برای بتا 300 در زاویه 1/8 درجه است [9].

در این طرح، گرانول­های پلی‌پروپیلن رندوم کوپلیمر با اصلاح کریستالیتی که توسط پتروشیمی نوید زر شیمی (کد ZRCT230C) طراحی و تولید شده بودند، بررسی گردیدند.

همچنین، جهت بررسی استحکام و طول عمر، گرانول­ها توسط دو واحد تولیدی لوله و اتصالات (آذین پلیمر سپاهان و لوله و اتصال وحید) به لوله و اتصال تبدیل شدند.

تنش طراحی و طول عمر مفید یک لوله، با انجام دادن آزمون­های شکست خزشی در چند دما تخمین زده می­شود. در هر دما لوله­ها تحت فشارهای هیدرواستاتیک مختلف (که به عنوان تنش هوپ بیان می­شود) قرار می­گیرند و زمان شکست آنها ثبت می­گردد. سپس، نتایج به‌صورت منحنی لگاریتمی تنش هوپ به زمان شکست به‌دست می­آید. سپس می­توان از داده­های ترکیبی در دماهای مختلف، برای پیش­بینی حداکثر تنشی که لوله می­تواند به مدت 50 سال در دمای داده شده تحمل کند، استفاده کرد.

میزان استحکام هیدرواستاتیک پیش­بینی­شده ( ) این لوله­ها مطابق استاندارد ISO 9080 به‌دست می­آید. برای این کار لوله­ها، حداقل در سه دمای °C20، بین °C60 تا °C70 ، °C95 در فشارهای مختلف تحت آزمون فشار هیدرواستاتیک قرار می­گیرند، به‌طوری‌که در محدوده زمان­های بین 10 تا 100 ساعت، 100 تا 1000 ساعت، 1000 تا 8760 ساعت هر کدام سه نقطه شکست و بالای 8760 ساعت حداقل یک نقطه شکست به‌دست آید. حداقل 5/97% نقاط شکست باید روی خطوط مرجع یا بالای آنها قرار گیرند     [11, 10].

معادله 1 مربوط به منحنی مرجع استاندارد مواد PP-RCT به‌صورت زیر است:

 

 

(1)

 

 

 

در اینجا، t زمان بر حسب h، T دما بر حسب کلوین و s تنش هیدرواستاتیک بر حسب MPa است.

3- نتایج

گرانول­های پلی‌پروپیلن رندوم کوپلیمر با اصلاح کریستالیتی تولید شده توسط پتروشیمی نوید زر شیمی (کد ZRCT230C) مورد تحلیل و بررسی قرار گرفتند. ابتدا جهت تأیید تشکیل کریستال­های بتا و میزان آن در این گرانول، آزمون‌های WAXD و DSC انجام شد که نتایج آنها به ترتیب در "شکل 3" و "شکل 4" قابل مشاهده است و با مقایسه نتایج با منابع علمی تأیید می‌گردد.

 

 

شکل 2 ساختار سلول واحد و WAXD فرم­های آلفا و بتا

 

 

شکل 3 نتیجه WAXD نمونه ورق بسیار نازک کوپلیمر تصادفی پلی­پروپیلن با اصلاح کریستالی (PP-RCT)

 

   آزمون DSC با نرخ ثابت 20°C/min انجام شد و در طیف آن می‌توان پیک­های بتا را در °C33/136 و °C30/151 در پایش گرمایشی اول و پیک بزرگ بتا را در °C90/138 در پایش گرمایشی دوم مشاهده کرد.

 

 

شکل 4 نتیجه آزمون DSC نمونه PP-RCT به‌صورت پایش گرمایش- تبلور- گرمایش دوباره

 

دیگر خواص گرانول PP-RCT گرید ZRCT230C پتروشیمی نوید زر شیمی مطابق جدول 2 است.

 

جدول 2 خواص مکانیکی گرانول PP-RCT گرید ZRCT230C تولیدی پتروشیمی نوید زر شیمی  

گرید

MFR (g/10min)

(230°C/ 2.16k)

تنش کششی در نقطه تسلیم (MPa)

دانسیته

(gr/cm3)

ضربه ناتچ چارپی در °C23 با وزنه 2.75j

(J/m)

ZRCT230C

38/0

25

94/0

761

 

در ادامه مقرر شد تا استحکام و طول عمر این گرانول بررسی شود، بر همین اساس لوله‌های PP-RCT به‌صورت تک لایه با قطر خارجی 20 و 25 و سری 5/2 توسط دو واحد تولیدی لوله و اتصالات (آذین پلیمر سپاهان و لوله و اتصال وحید) به لوله و اتصال تبدیل شدند. این لوله­ها با طول 40 سانتی‌متری برش خوردند و در دماهای 30، 60، 80 و °C95 تحت آزمون شکست خزشی قرار گرفتند. سپس، نقاط شکست هر لوله در فشار هیدرواستاتیک اعمال شده ثبت گردید. با تبدیل فشار هیدرواستاتیک به تنش هوپ (با توجه به ابعاد لوله)، در نهایت داده‌های لگاریتمی تنش هوپ به زمان شکست در دماهای ذکر شده به‌دست آمد. در این طرح به‌جای دمای  °C20 از دمای °C30 استفاده شد.

در " شکل 5 "، نتایج آزمون مقاومت در برابر فشار داخلی، به‌صورت تنش بر حسب زمان شکست نشان داده شده است. نقاط توپر مربوط به آزمونه‌هایی است که دچار شکست شده و نقاط توخالی مربوط به آزمونه­هایی است که تا زمان مشخص دچار شکست نشده­اند. همان‌طور که مشخص است، اغلب نقاط شکست بالای منحنی‌های استاندارد است.

با ترسیم یک خط میانگین از نقاط شکست در هر دما، معادله خط به‌صورت مستقل از دما به‌دست آمد. در نهایت، با ترکیب معادلات خطوط دو به دو برای به‌دست آوردن معادله وابسته به دما، همخوان­ترین معادله با نقاط شکست، مربوط به ترکیب خطوط 60 و °C95 است. معادله 2 به‌صورت زیر است. خطوط توپر در شکل مربوط به معادله زیر و خطوط نقطه‌چین مربوط به منحنی‌های استاندارد در دماهای مورد نظر جهت مقایسه می­باشند.

 

(2)

 

 

در نهایت جهت بررسی جوش­پذیری لوله و اتصالات PP-RCT و تحمل تنش دمایی و فشاری مجموعه لوله و اتصال، آزمون­های ترموسیکلی مطابق استاندارد ISO19893 و فشار سیکلی مطابق استاندارد ISO19892 برای مجموعه لوله و اتصال انجام شد. مطابق استاندارد تعداد چرخه­های آزمون ترموسیکلی 5000 چرخه شامل 15 دقیقه آب گرم با دمای °C20 و 15 دقیقه آب سرد با دمای °C95 است که برای این آزمونه­ها تا 7000 چرخه در  فشار 10 بار بدون نشتی و نقص انجام شد. همچنین، آزمون چرخه فشاری با 10000 چرخه بین فشارهای 5/0 و 15 بار در دمای محیط بر روی چند مجموعه با اتصالات مختلف انجام شد و نتایج بدون نشتی و نقص بودند.

 

4- نتیجه گیری

یکی از مهمترین آزمون­های کنترل کیفیت لوله و اتصالات پلیمری که بیانگر طول عمر آن نیز است، نمودارهای استحکام خزشی آنها می­باشد. در این طرح علاوه بر بررسی و انجام دادن آزمون­های مربوط به گرانول­های پلی‌پروپیلن رندوم کوپلیمر با اصلاح کریستالیتی تولید شده توسط پتروشیمی نوید زر شیمی (کد ZRCT230C)، آزمون­­های عملکردی شامل استحکام خزشی در شرایط دمایی مختلف انجام شد و نتایج آن مثبت و نقاط شکست بالای خطوط نمودارهای استاندارد این مواد است.

 

 

شکل 5 نتایج آزمون مقاومت در برابر فشار داخلی به‌صورت تنش بر حسب زمان شکست

5- تقدیر و تشکر و پیوست­ها

از پتروشیمی نوید زر شیمی به خصوص جناب آقای دکتر صادق‌وند بابت همکاری علمی ایشان، شرکت آذین پلیمر سپاهان و شرکت لوله و اتصالات وحید بابت همکاری­های تولیدی و آزمایشگاهی در این طرح تشکر و قدردانی می­گردد.

 

6- مراجع

[1] https://www.borealisgroup.com/news/borealis-expands-pioneering-pipe-portfolio. (Borealis website)

[2] Beta Nucleation of Polypropylene, Properties,Technology, and Applications, by Philip Jacoby.

[3] J. Varga, G. Ehrenstein, A. Schlarb, Express Polym Lett, 2(3):148, 2008.

[4] I. M. Ward, Plast Rubber Compos, 33:189, 2004.

[5] I. M. Ward, P. Hine, Polymer, 45:1413, 2004.

[6] P. Hine, I. M. Ward, J. J. Teckoe, Mat Sci.

[7] T. Peijs, Mater Today, 6:30, 2003.

[8] A. Izer, T. Barany, Express Polym Lett, 1(12):790, 2007.

[9] Polypropylene with beta crystal structure, author and collector: Dr. Farzin Sadeghvand (in Persian).

[10] ISO 15874-2: Plastics piping systems for hot and cold water installations- Polypropylene (PP), Part 2: Pipes.

[11] ISO 9080: Plastics piping and ducting systems- Determination of the long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation.

 

 

 

.

 

[1] Wide-Angle X-ray Diffraction (WAXD)

[2] Beta Nucleation of Polypropylene, Properties,Technology, and Applications, by Philip Jacoby.
[3] J. Varga, G. Ehrenstein, A. Schlarb, Express Polym Lett, 2(3):148, 2008.
[4] I. M. Ward, Plast Rubber Compos, 33:189, 2004.
[5] I. M. Ward, P. Hine, Polymer, 45:1413, 2004.
[6] P. Hine, I. M. Ward, J. J. Teckoe, Mat Sci.
[7] T. Peijs, Mater Today, 6:30, 2003.
[8] A. Izer, T. Barany, Express Polym Lett, 1(12):790, 2007.
[9] Polypropylene with beta crystal structure, author and collector: Dr. Farzin Sadeghvand (in Persian).
[10] ISO 15874-2: Plastics piping systems for hot and cold water installations- Polypropylene (PP), Part 2: Pipes.
[11] ISO 9080: Plastics piping and ducting systems- Determination of the long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation.
 
 
 
.