تاثیر سازگارکننده های پلی اتیلنی در استحکام چسبندگی و جدایش بین لایه ای پوشش های پلی اتیلنی سه لایه

سازگارکننده های پلی اتیلنی به عنوان چسب های بین لایه ای،  نقش بسزایی در خواص پوشش های پلی اتیلنی سه لایه و جلوگیری از پدیده جدایش پوشش از لوله ایفا می کنند.

سالانه میلیارد ها دلار صرف نگهداری، تعمیر و تعویض خطوط لوله انتقال نفت و گاز در جهان می شود. لوله های فولادی که وظیفه انتقال نفت، گاز و آب را بر عهده دارند، بدلیل قرارگیری در معرض نور UV خورشید، آسیب های مکانیکی، سایش، آلودگی هوا و تغییرات دما و فشار در حین کاربری، دچار مشکلاتی همچون خوردگی می شوند که نهایتا لزوم پوشش دهی این خطوط را لازم نموده است. نسل های مختلف پوشش های خطوط لوله فولادی در جهان شامل، پوشش کلتار، پوشش قیر و آسفالت، اپوکسی و اپوکسی مایع، پوشش های پلی یورتانی و پوشش های پلی اتیلنی و پلی پروپیلنی سه لایه  می باشند که پوشش های پلی اتیلنی سه لایه از حیث خواص فیزیکی و مکانیکی و قیمتی بیشترین بازده را درمیان پوشش های ذکر شده دیگر دارا می باشند.

شکل ۱ – خطوط لوله انتقال نفت و گاز در معرض آسیب خوردگی

این پوشش ها عمدتا از سه لایه اپوکسی، چسب بین لایه ای و پلی اتیلن خارجی تشکیل شده اند. همانگونه که در مقاله پیشین اشاره شد، هر لایه ویژگی منحصر بفردی دارد که در ترکیب با هم، بهبود عملکرد پوشش را منجر می شوند. لایه اول که پرایمر اپوکسی است به دلیل ایجاد پیوندهای عرضی، دارای چسبندگی بسیار خوبی به لوله فولادی است و مقاومت خوبی در برابر خوردگی و نفوذ اکسیژن دارد. این لایه به تنهایی ویژگی های مقاومت در برابر خوردگی لوله را تامین می کند ولی بدلیل جلوگیری از صدمات فیزیکی و مکانیکی ناشی از حمل و نقل و اجرای لوله و قرارگیری در برابر آسیب های جوی، از لایه روکش پلی اتیلن مشکی رنگ به عنوان محافظ لایه اپوکسی و لوله در لایه سوم ( خارجی) استفاده می شود. این لایه نیز بدلیل خواص فیزیکی و مکانیکی خوب و مقاومت در برابر تنش های بیرونی نقش بسیار زیادی در کیفیت پوشش دارد. لایه میانی که یک کوپلیمر چسب می باشد نقش چسباندن لایه پلی اتیلن خارجی به اپوکسی را به عهده دارد.

شکل ۲ – ساختار پوشش پلی اتیلن سه لایه

یکی از مهمترین معضلات موجود در پوشش های پلی اتیلنی سه لایه، پدیده ای تحت عنوان جورابی شدن یا جدایش پوشش سه لایه از لوله فولادی می باشد. در این پدیده به دلیل جدا شدن پوشش سه لایه از لوله فولادی، قسمت هایی از پوشش لوله به صورت چروک شده و قسمت های دیگری از لوله، عاری از پوشش می شود که به راحتی تحت خوردگی و آسیب قرار می گیرند. همانگونه که در تصویر زیر مشاهده می شود لوله حاوی پوشش که در زیر خاک مدفون شده است، در اثر عوامل مختلفی، به شکل چروک شده(سمت راست) و بنابراین قسمتی از لوله عاری از پوشش بوده (سمت چپ) و پس از قرارگیری در برابر آسیب‌های محیطی دچار شکستگی شده است.

شکل ۳ – پدیده جدایش پوشش پلی اتیلنی سه لایه از لوله فولادی ( پدیده جورابی شدن)

در مورد این پدیده تئوری های زیادی وجود دارد که جورابی شدن پوشش ها را به عوامل بسیار زیادی نسبت می دهد که مهمترین آنها:

۱- تنش های خاکی: تنش هایی که از طرف خاک به لوله های مدفون در خاک وارد شده و به مرور باعث تسریع این پدیده می شود.

۲- تنش های مکانیکی: این تنش ها ناشی از ضربات  مکانیکی در حین حمل و نقل و عبور و مرور از روی لوله می باشد.

۳- تنش های باقیمانده ناشی از مرحله اعمال پوشش: به دلیل عدم رعایت پارامترهای فرآیندی در حین اعمال پوشش، همچون شرایط پخت اپوکسی به عنوان مثال دما و زمان پخت و میزان شبکه شدن و یا به دلیل جریان پذیری نامناسب (MFI) چسب و پوشش سه لایه، تنش هایی از مرحله اعمال بر روی لوله باقی می ماند که به مرور باعث کم شدن چسبندگی مناسبی بین این سه لایه و لوله می شود.

۴- تنش های شعاعی:

این تنش ها  ناشی از انبساط و انقباض­ های حاصل از تغییرات دما و فشار خط لوله و نیز تنش ­های درونی پوشش به جا مانده از مرحله اعمال هستند، که عمدتا در مسیر شعاع لوله می باشد. این تنش ­ها که در لوله ایجاد می شود، در اولین مرحله به اپوکسی منتقل می شود، در صورتی که چسبندگی مناسبی بین پوشش اپوکسی و لایه HDPE خارجی به عنوان لایه مقاوم مکانیکی باشد، این تنش از اپوکسی به شکل مناسب به چسب و سپس به لایه پلی اتیلن منتقل می شود ولی در صورتی که بدلیل عدم خواص بین سطحی مناسب در بین پوشش اپوکسی و لایه HDPE خارجی، تنش مذکور که در سطح مشترک لوله و لایه اپوکسی ایجاد شده نتواند به لایه خارجی متقل شود، به مرور چسبندگی بسیار بالای اپوکسی و لوله از بین رفته و جدایش پوشش سه لایه از لوله اتفاق بافتد. از اینرو است که نقش چسب های بین لایه ای در چسبندگی مناسب بین لایه ­های پوشش به همان اندازه چسبندگی پوشش اپوکسی با لوله فولادی اهمیت داشته و استحکام چسبندگی (Peel Strength) لایه چسب در اولویت می باشد.

چسب های بین لایه ای ترکیبات پلیمری هستند که از چندین جزء مختلف در فرمولاسیون آنها استفاده می شود. اصلی‌ترین جزء در فرمولاسیون آنها، سازگار کننده های پلی اتیلنی هستند. به این منظور بررسی تاثیر سازگارکننده پلی اتیلن به عنوان اصلی‌ترین ترکیب در فرمولاسیون تولید چسب های بین لایه ای مورد توجه قرار گرفته است.

همانطور که می دانید سازگار کننده های پلی اتیلنی ترکیباتی هستند که در آنها طی فرآیندهای ویژه‌ای، گروه های عاملی قطبی مالیک انیدرید بر روی زنجیره پلی اتیلن گرافت می شود.

شکل ۴ – واکنش شیمیایی تولید سازگارکننده پلی اتیلنی با مونومر مالئیک انیدرید

سازگار کننده ها حاصل شده می‌توانند همچون یک سورفاکتانت یا چسب عمل نماید به گونه‌ای که از سر مالئیک انیدرید خود قابل اتصال به افزودنی ها و ترکیبات قطبی همچون الیاف شیشه، کربنات کلسیم، تالک، لوله های آهنی، پودر چوب و سایر ترکیبات و پلیمرهای قطبی می باشد و از سر پلیمر پلی اتیلنی خود قابل اتصال به پلیمرهای غیر قطبی همچون پلی اتیلن و پلی پروپیلن می باشد. این ترکیب به دلیل قابلیت اتصال  دوجانبه خود به عنوان اصلی‌ترین جزء می‌تواند در ترکیب چسب های بین لایه‌ای جهت اتصال لایه قطبی اپوکسی و لایه غیرقطبی پلی اتیلن نقش بازی نماید. به همین دلیل تاثیر میزان مالئیک انیدرید به عنوان اصلی‌ترین جزء قطبی در فرمولاسیون چسب بین لایه ای مورد بررسی قرار گرفته است.

به این منظور در فرمولاسیون چسب همه اجزای فرمولاسیون بجز سازگارکننده پلی اتیلن ثابت و تنها تاثیر میزان مالئیک انیدرید گرافت شده بر روی استحکام چسبندگی مطابق استاندارد ASTM D 1876 – ۰۱ در تست پیل مورد بررسی قرار گرفت.

همانگونه که در جدول زیر مشاهده می شود، با افزایش میزان مالئیک انیدرید گرافت شده بر روی زنجیره های مالئیک انیدرید، استحکام چسبندگی پیل به شدت افزایش می یابد که نشان دهنده تاثیر بالای این فاکتور بر خواص نهایی محصول دارد.

(Peel Strength(N % MAH sample
۲۹٫۵ ۰٫۳ Aria Adhesive T101
۴۵٫۷ ۰٫۶۵ Aria Adhesive T102
۶۷٫۵ ۱٫۲۵ Aria Adhesive T103

 

 

از اینرو است که در حین تست های میدانی بر روی پوشش های سه لایه، چسب مناسب چسبی است که پس از اجرای تست پیل بر روی خط اثرات حضور چسب هم در روی لایه بالایی پلی اتیلن مشکی و هم بر روی لایه پایینی اپوکسی موجود باشد (شکل زیر)

شکل ۵ – نمونه شکست چسب بین لایه ای ایده آل

جهت کسب اطلاعات بیشتر از داده های فنی و آشنایی با چسب های بین لایه ای و سازگارکننده های پلی اتیلنی می توانید با شرکت آریا پلیمر پیشگام تماس حاصل فرمایید.

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *