Что такое нанокомпозитный трубопровод

Во второй половине прошлого столетия практически во всех странах мира наступил кризис надежности трубопроводных систем. Причиной явилась коррозия. Новые материалы для трубопроводного строительства, полимеры и медь, не подвержены коррозии. Однако, постепенно пространство мегаполисов наполнилось электромагнитными полями от многочисленной бытовой техники, что сформировало режим коррозионного разрушения и для медных инженерных коммуникаций. Таким образом, полимеры и их композиции стали единственной альтернативой металлическим трубопроводным системам. А в 21-м веке появились нанокомпозитные трубопроводы.

В нижеследующей таблице вкратце представлены основные этапы создания современных трубопроводов на полимерной основе

После первоначально разработанных полимеров (полиэтилен низкого и высокого давления, полипропилен, полибутен) в 1972 году на рынке появился сшитый полиэтилен PEX. Но, решающим шагом в создании труб нового поколения стала разработка металлопластиковых гибких труб РЕХ-AL-РЕХ: 5-слойной конструкции из сшитого полиэтилена РЕХ, алюминиевой фольги и клея. Такая комбинация слоев позволила избавиться от основных недостатков полимерных труб (высокого коэффициента термического расширения), путем изменения их характеристик.

Новый класс полиэтилена – PE-RT (Polyethylene of Raised Temperature) – был разработан для достижения повышенной термостойкости (до 125 ⁰С) и гидростатической прочности (до 2,5 МПа) со сроком службы до 80 лет. Именно, с использованием полиэтилена PE-RT производится, в настоящее время, почти 60% металлопластиковых труб мирового рынка.

Основные показатели современного рынка нанокомпозитных трубопроводов:
а – структура потребления труб, страны Евросоюза, 2015 г.;
б – сегменты сбыта композитных труб (по данным США)

Для усиления длительной термостойкости и прочности труб, учеными в разных странах были разработаны нанокомпозитные составы. Нанокомпозит представляет собой большое количество специальных нанослоев с толщиной каждого из них не более 2×10–9 м.

Один из описываемых сегодня нанокомпозитов изготавливается из глинистых минералов монтмориллонита, частицы которого искусственно внедряются в полимер PE-RT и образуют уникальный сверхпрочный материал.

Многослойная нанокомпозитная труба содержит, как минимум, один слой металлической фольги, по два слоя адгезивного материала и полиэтилена PE-RT. Металлическая фольга, как правило, выполнена из алюминия или углеродистой стали. Хотя бы на одной стороне поверхности фольги создан нанорельеф для увеличения сцепления между металлом и полимером PE-RT до значения не менее 150 Н/см

Структура нанокомпозитной трубы:
а – конструкция нанокомпозитной трубы; б – результат воздействия
барьерного разряда атмосферного давления на слой фольги

Нанобугры (высота 50–100 нм и толщина основания 1 мкм) на поверхности фольги формируются воздействием плазмы высоковольтных барьерных разрядов атмосферного давления.

Как результат создания многослойной конструкции: повышение прочности соединений металл-полимер с увеличением механической прочности всей конструкции (до 6,7 МПа), термостойкости (до 150 ⁰С), долговечности (до 100 лет) и снижением, практически, в 8 раз коэффициента ее температурного расширения с 20 мм/(п.м. × 100 ⁰С (для полимеров) до 2,6 мм на п.м. при нагреве на каждые 100 ⁰С.
И главное преимущество нанокомпозитов – исключение разрушений водопроводных и газопроводных труб коррозией.

Источник