Özet

Bu çalışmada, yüksek sıcaklıklarda uzun süreli dayanım özelliğine sahip polietilen malzemelerin işlenebilirliğinin iyileştirilmesi araştırılmıştır. Etilenin 1-propen, 1-büten, 1-heksen veya 1-okten gibi alfa-olefinlerle kopolimeri olan yüksek sıcaklığa dayanıklı polietilen (PE-RT), benzersiz bir moleküler yapı oluşturur. PE-RT borular, ortam koşullarında ve yüksek sıcaklıklarda iç basınca karşı yüksek direncin yanı sıra esneklik ve elverişli kimyasal ve mekanik özellikler de sergiler. Bu nedenle, PE-RT ürünleri içme suyu için 3 katmanlı ve 5 katmanlı borularda, soğuk ve sıcak su için basınçlı sistemlerde, ısıtma ve yerden soğutma sistemlerinde kullanılmaktadır.

Anahtar kelimeler: polietilen, PE-RT.

giriiş

Boru üretiminde kullanılan yeni malzemeler ve süreçler gelişmeye devam ediyor; PE-RT, geliştirilmiş işlenebilirliği ve yüksek sıcaklıklarda uzun süreli dayanıklılığı nedeniyle dikkat çekiyor. Isı uygulamalarına ek olarak daha büyük boru boyutlarının gerekli olduğu yerlerde, endüstriyel sistem tasarımcıları PE-RT borularını önermektedir.

PE-RT’nin uyumluluğu ve çapraz bağlamaya gerek kalmadan yüksek sıcaklıklarda kullanılabilme özelliği, onu çok çeşitli uygulamalar için uygun bir seçim haline getiriyor. PE-RT, etilen, okten, büten veya heksan içeren ve soğuk ve sıcak su transferlerinde kolaylıkla kullanılabilen bir polietilen kopolimeridir.

Son yıllarda, mükemmel fiziksel özellikleri, aşınmaya ve darbelere karşı direnci, ayrıca kolay imalatı ve montajı ile PE-RT, ısı eşanjörleri, yerden ısıtma boruları ve sıcak ve soğuk su iletimi gibi uygulama alanlarında ataktik polipropilen kopolimer (PPR), polibüten (PB), klorlu polivinil klorür (PVC-C) ve çapraz bağlı polietilenin (PEX) yerini alabilmektedir. PE-RT, bimodal moleküler ağırlık dağılımına sahip bir reçine ile tasarlanmıştır. Şekil (1), PE-RT’nin moleküler ağırlık dağılım eğrisini göstermektedir.

Lamel kristal yapılar, Tie zincirleri aracılığıyla polimerin amorf kısmına bağlanır. Tie zincirlerinin oluşma olasılığı, polimer zincirinin uzunluğuyla artar. Tie zincir molekülleri, polimerin kristal kısımlarını birbirine bağlayarak tokluk, uzun süreli sürünme ve ESCR gibi özellikleri geliştirir. Şekil 2’de gösterildiği gibi, Tie zincirleri yüksek hareketliliğe ve genleşmeye sahiptir, bu nedenle emilen enerjiyi kolayca serbest bırakabilirler.

PE-RT, polietilene kıyasla çok sayıda yüksek molekül ağırlıklı zincir içerir. Uzun süreli mukavemet, tokluk, süneklik ve yorulma direnci, molekül ağırlığı arttıkça iyileşir. Bununla birlikte, daha yüksek molekül ağırlığı, reçinenin işlenmesini zorlaştırır. Bimodal teknoloji, gelişmiş ekstrüzyon işlenebilirliği ile birlikte yüksek molekül ağırlıklı zincir sayısını artırır.
Şekil 3, kırılma dayanımının ve tokluğun kısa zincir dallanma uzunluğunun artmasıyla arttığını göstermektedir. Komonomer türü, Tie zincirinin konsantrasyonunu ve nihayetinde nihai ürünün performansını etkiler. 1-Okten, daha kısa olefinlerden daha etkilidir.

Uluslararası ISO22391-2 standardına göre, PE-RT borular için PE-RT malzemeleri I ve II olmak üzere iki tipe ayrılır; bunlardan ikinci tip yüksek sıcaklık ve basınca karşı daha fazla direnç gösterir.
PE-RT üretimi için iki ana yöntem vardır: Dow Chemical tarafından geliştirilen çözelti polimerizasyonu ve Basell tarafından geliştirilen bulamaç polimerizasyonu. PE-RT malzemeleri çeşitli işlemlerle üretilebilse de, komonomerin türü, miktarı ve dağılımı, moleküler ağırlığı ve moleküler ağırlık dağılımındaki farklılıklar moleküler yapıda ve performansında farklılıklara neden olabilir. Bununla birlikte, PE-RT malzemeleri üzerine çok az çalışma yapılmıştır.
Bu nedenle, komonomer tiplerinin, moleküler ağırlığın ve moleküler ağırlık dağılımının moleküler yapıyı nasıl etkilediğini araştırmak amacıyla, üç farklı PE-RT tipinin özellikleri bir çalışmada incelenmiştir.

1) Erime indeksi 0,14 g olan etilen ve 1-büten kopolimeri içeren PERT (Tip II).

2) Erime indeksi 0,7 g olan etilen ve 1-okten kopolimeri içeren PERT (Tip I).

3) Erime indeksi 0,55 g olan etilen ve 1-okten kopolimeri içeren PERT (Tip II).

Tablo 1. PE-RT numunelerinin mekanik özellikleri

Örnek	akma dayanımı (MPa)	Gerinim sertliği modülü	Eğilme modülü (MPa)
PE-RT-1	16.2	0.0525	652
PE-RT-2	10.2	0.0463	426
PE-RT-3	15.2	0.0575	554

Şekil 4’te, SSA kullanılarak moleküler zincirler üzerindeki komonomer dağılımı incelenmiştir. SSA, farklı uzunluklardaki kristalleşebilir segmentlerin eriyikte yerleştirildiği, sıcaklığa bağlı bir ayırma işlemidir. Zincir ne kadar uzun olursa, yüksek sıcaklıklarda o kadar kalın lameller oluşur. Şekil 4’te görülebileceği gibi, üç örnek için sekiz erime zirvesi elde edilmiş olup, sıcaklık 1. zirveden 8. zirveye doğru artmaktadır (Şekil 4).

Her eğride birkaç tepe noktası bulunması, komonomerin moleküler zincir üzerinde homojen olarak dağılmadığını göstermektedir. PE-RT-2 ve 3-PE-RT eğrileri şekil olarak benzerdir, ancak 3-PE-RT’deki ana erime tepe noktası biraz daha yüksek bir sıcaklığa kaymıştır. 1-PE-RT’nin 133 °C’de bir tepe noktası daha vardır. Tepe noktası uyum sonucu, 1-PE-RT’nin 3-PE-RT’ye göre daha düzenli moleküler zincirlere ve daha kalın lamellere sahip olduğunu göstermektedir. 3-PE-RT, 2-PE-RT’ye göre daha kalın lamellere ve daha düşük oranda ince lamellere sahiptir.

Üç numunenin mekanik özellikleri ve kristalleşme kinetiği incelenmiştir. Her ikisi de tip 2 olan ancak farklı komonomerlerle üretilen 1-PE-RT ve 3-PE-RT, esas olarak farklı komonomer dağılımı nedeniyle birçok performans özelliği bakımından farklılık göstermektedir. 1-PE-RT, 3-PE-RT’ye göre daha iyi kristalleşme özelliğine, daha yüksek eğilme modülüne ve akma dayanımına sahiptir. 1-PE-RT’nin komonomerlerinin çoğu moleküler zincir üzerinde homojen olarak dağılmış olup, daha büyük miktarda Tie zinciri oluştururken, komonomerin küçük bir kısmı kısa zincirli moleküllerde homojen olarak dağılmamıştır; bu da ona daha iyi kristalleşme yeteneği kazandırır. Sonuç olarak, 1-PE-RT daha yüksek modüle ve daha iyi uzun vadeli performansa sahiptir. 3-PE-RT, 1-PE-RT’den biraz daha iyi olmasına rağmen, 1-PE-RT kadar iyi sertliğe ve uzun vadeli performansa sahip değildir.

Aynı komonomere sahip 3-PE-RT ile karşılaştırıldığında, 2-PE-RT daha düşük kristalliğe, daha düşük eğilme modülüne ve daha düşük akma dayanımına sahiptir; bu da PE-RT-2’nin ESCR değerinin 3 numaralı numuneye göre daha iyi olduğunu göstermektedir.

PE-RT boru özellikleri

PE-RT, komonomer dağılımı, moleküler ağırlık ve moleküler ağırlık dağılımı ayarlanarak sıcak ve soğuk su boru sistemlerinde darbelere, ışığa, sıcaklığa ve basınca karşı yüksek direnç sağlayan, etilenin bir alfa-olefin (eten, okten, heksan veya büten) ile kopolimeridir.

1. PE-RT boru UV ışınlarına ve oksijene karşı dayanıklıdır.

2. PE-RT boru termal kararlılığa sahiptir ve uzun süreli basınca dayanabilir. 70 santigrat derece sıcaklık ve 0,4 MPa basınç altında boru 50 yıldan fazla kullanılabilir.

3. PE-RT boru yüksek esnekliğe sahip olduğundan ekonomiktir. PE-RT borunun bükme yarıçapı küçüktür (Rn=5D) ve büküldükten sonra eski haline dönmez, bu da bükme kısımlarındaki gerilimi azalttığı için inşaatta kullanım için idealdir.

4. PE-RT boru darbelere dayanıklıdır ve kırılma sıcaklığı düşük bir sıcaklıktadır (-70 santigrat derece), bu nedenle PE-RT boru düşük sıcaklıklarda taşınabilir ve kullanılabilir ve bükülmesi için ısıya ihtiyaç duymaz.

Şekil 5, PE-RT borunun PE4710’a kıyasla çatlak büyümesine karşı 20 kattan daha fazla dirençli olduğunu göstermektedir.

5. Isı füzyon bağlantısı, PE-RT boru için ürünün kurulumunu ve onarımını kolaylaştırmak amacıyla kullanılabilir. Yerden ısıtma boru sisteminde, sistem dış kuvvet nedeniyle hasar görürse, PE-RT boru ısı füzyonu ile onarılabilir; bu daha kullanışlı, daha hızlı ve daha güvenlidir.
6. PE-RT boru, çapraz bağlama işlemi olmadan üretilebilir. PE-RT borunun işlenmesi kolaydır ve duvar kalınlığı homojendir.

PE-RT boruyu neden tercih etmelisiniz?

PE-RT borular, farklı yerler arasında yüksek sıcaklıktaki suyu taşıyabilir. Boruların özellikleri şunlardır:

• Hafif ve taşıması kolay

• Akış kapasitesi metal boruya göre %30 daha yüksektir.

• Çevre dostu ve geri dönüştürülebilir

• Borunun üretiminde zehirli yardımcı maddeler kullanılmamaktadır.

• Esnektir ve daha az eklem gerektirir. PE-RT, ısıtma ve soğutma sistemlerinin gerektirdiği açılarda bükülebilecek kadar esnektir.

• Çatlak oluşumuna karşı yüksek direnç

Çözüm

PE-RT, komonomer dağılımı, moleküler ağırlık ve moleküler ağırlık dağılımı ayarlanarak sıcak ve soğuk su boru sistemlerinde darbelere, ışığa, sıcaklığa ve basınca karşı yüksek direnç sağlayan, etilenin bir alfa-olefin (eten, okten, heksan veya büten) ile kopolimeridir.

Derleyen: Marzieh Shams Harandi
Bilimsel Editör: Samin Saleki

Kaynaklar

1. H. W. Long, Advanced Applications for HDPE Pipe with New PE-RT Material, 2017, 1-5.
2. D. Schramm, M. Jeruzal, PE-RT, A New Class of Polyethylen for Industrial Pipes, The Dow Chemical Company.
3. Z. Chao, B. Zhao, L. Ding, D. Zhang, F. Yang, M. Xiang. Influence of comonomer distribution on crystallization kinetics and performance of polyethylene of raised temperature resistance. Polymer International 68(10) 2019, 1748-1758.