Spiegazione delle proprietà del materiale HDPE: densità, resistenza e selezione del tubo

Il polietilene ad alta densità ha una reputazione semplice: una plastica resistente e cerosa che ignora la maggior parte delle sostanze chimiche e sopravvive tranquillamente cinquanta anni sotto terra. Questa reputazione è guadagnata, ma nasconde molti dettagli. Due tubi possono portare la stessa etichetta HDPE e comportarsi comunque in modo abbastanza diverso una volta che sono nella trincea, perché densità, peso molecolare, tipo di comonomero e pacchetto di additivi spingono le proprietà del materiale in direzioni diverse.

Produciamo tubi termoplastici a Shanghai dal 2003 e le domande che riceviamo sulle proprietà del materiale HDPE provengono solitamente da acquirenti che hanno bisogno di prendere una decisione piuttosto che superare un esame. Questa guida si attiene ai numeri che cambiano realmente le prestazioni di un tubo, il modo in cui viene unito e quanto dura.

Cosa significa "alta densità" a livello molecolare

Il polietilene è una catena di unità CH2 ripetute e ciò che separa un polietilene da un altro è il modo in cui queste catene sono costruite. L'HDPE è polimerizzato con catalizzatori Ziegler-Natta o metallocenici che producono catene lunghe, quasi lineari con pochissimi rami laterali. Le catene diritte si compattano strettamente e cristallizzano facilmente, quindi l'HDPE raggiunge una cristallinità compresa tra il 70 e l'80% circa e una densità compresa tra 0,941 e 0,965 g/cm3. L'LDPE è ricco di ramificazioni a catena lunga, quindi le sue catene non possono compattarsi così strettamente; si assesta tra 0,910 e 0,925 g/cm3 e risulta notevolmente più morbido.

Per le applicazioni su tubi, tre variabili svolgono la maggior parte del lavoro:

• Densità : una densità maggiore aumenta la rigidità, la resistenza alla trazione e le prestazioni barriera, ma riduce la flessibilità e la resistenza agli urti a bassa temperatura.
• Peso molecolare e indice di fluidità : un peso molecolare più elevato comporta una migliore tenacità e resistenza alle cricche da stress ambientale, a scapito di un'estrusione più dura.
• Tipo di comonomero : i comonomeri di butene, esene e ottene interrompono la cristallizzazione in modo controllato, ecco perché i moderni gradi PE100 e PE100-RC resistono così bene alla crescita lenta delle cricche.

Queste variabili sono il motivo per cui l'industria parla in classi di livello. PE63, PE80 e PE100 si riferiscono ai valori di resistenza minimi richiesti di 6,3, 8,0 e 10,0 MPa a 20 C per 50 anni, non a tre diversi polimeri.

Proprietà fisiche e meccaniche fondamentali

Le schede tecniche pubblicate variano perché descrivono gradi diversi, ma gli intervalli riportati di seguito sono rappresentativi dell'HDPE per tubi. Sono i dati che controlliamo per primi quando confrontiamo composti di diversi fornitori.

Resistenza chimica, agenti atmosferici e comportamento a lungo termine

L'HDPE è chimicamente inerte rispetto alla maggior parte di ciò che incontra nel sottosuolo. Gestisce acidi diluiti e concentrati, alcali, soluzioni saline e alcoli e non si corrode, non si incrosta né prende parte a reazioni galvaniche. Non è universale, però. Gli acidi ossidanti forti lo attaccano e gli idrocarburi e i solventi clorurati causano rigonfiamento e permeazione, un punto importante quando una linea attraversa un terreno contaminato o trasporta effluenti industriali.

La luce solare è l’altro punto debole. Il polietilene non stabilizzato si infragilisce sotto i raggi UV, motivo per cui i composti dei tubi contengono dal 2 al 2,5% di nerofumo ben disperso o un pacchetto UV equivalente. Il tubo nero tollera mesi di stoccaggio all'aperto; la pipa di colore naturale no.

L’attacco biologico è raramente un problema, poiché né i funghi né i batteri utilizzano il polietilene come fonte di cibo. Le prestazioni a lungo termine sono invece governate dalla crescita lenta delle crepe e dalla resistenza alle crepe da stress ambientale, entrambe valutate attraverso test di regressione dello stress idrostatico secondo ISO 9080 ed estrapolate per una durata di progettazione di 50 anni. Da questa estrapolazione deriva il valore MRS dietro ogni grado PE.

Densità, indice di fusione, SDR e valore di pressione

Lo spessore delle pareti è l'altra metà della storia. Il tubo in pressione è specificato da SDR, o DR, il rapporto tra il diametro esterno e lo spessore della parete. Un SDR inferiore significa una parete più spessa e una pressione nominale più elevata: per il tubo dell'acqua PE100, SDR 11 corrisponde a PN16 a 20 C, mentre SDR 17 si trova vicino a PN10. La relazione non è lineare con la temperatura e la maggior parte dei gradi deve essere declassata al di sopra dei 20 C. La nostra nota tecnica su Tubo DR 11 in HDPE esamina in modo più dettagliato i calcoli relativi allo spessore della parete e i passaggi di selezione.

L'indice di fusione influenza la lavorazione più della valutazione della pressione. Una portata di fusione più elevata estrude più velocemente e fonde più facilmente, ma i gradi con una portata molto elevata tendono a offrire una minore resistenza alle cricche da stress. Per condutture e drenaggi critici, i composti a basso indice di fusione e ad alto peso molecolare rimangono la scelta più sicura.

L'HDPE non è l'unico polietilene con cui lavoriamo. Laddove i tubi devono trasportare acqua calda, come nei circuiti di riscaldamento a pavimento, l'HDPE standard esaurisce il margine di temperatura e subentra un polietilene a temperatura elevata. PE-RT è il grado più spesso specificato per questi circuiti, perché mantiene una pressione stabile a 70 C pur rimanendo sufficientemente flessibile da potersi piegare a mano.

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Come si confronta l'HDPE con il PVC e il PPR

Gli acquirenti raramente scelgono un materiale isolatamente; lo confrontano con le alternative già presenti sul disegno.

• HDPE contro PVC-U : Il PVC è più rigido e spesso più economico al metro nelle dimensioni di drenaggio e i giunti in cemento solvente si uniscono rapidamente. L'HDPE è più resistente, tollera cedimenti e vibrazioni e può essere fuso in giunti robusti quanto la parete stessa del tubo.
• HDPE contro PPR : entrambi sono poliolefine ed entrambi sono termofusi, ma il PPR mantiene la sua pressione nominale a 70 C, il che lo rende la scelta naturale per l'acqua calda e fredda domestica all'interno degli edifici. L'HDPE è solitamente migliore per condutture di acqua fredda, fognature e linee industriali, dove diametro, lunghezza e resistenza all'abrasione contano più della temperatura.
• HDPE contro metallo : più leggero, immune alla corrosione galvanica e molto più resistente all'abrasione nel servizio con fanghi, ma necessita di un supporto più stretto a temperature elevate e si espande circa dieci volte di più dell'acciaio.

Per quanto riguarda il drenaggio della nostra gamma, il PVC-U rimane il cavallo di battaglia per il terreno interno agli edifici e le cataste di rifiuti.

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Cosa significano queste proprietà sul sito

I valori della scheda tecnica diventano utili solo una volta tradotti nella pratica di installazione. Queste sono le regole che ripetiamo ai team di progetto:

1. Consentire il movimento termico. A circa 1,5 x 10-4 per K, una corsa di 50 m si sposta di circa 75 mm attraverso un'oscillazione di 10 C, quindi ancoraggi, anelli e offset non sono opzionali.
2. Rispettare il raggio di curvatura. La piegatura a freddo è normalmente limitata a 20-25 volte il diametro esterno; qualsiasi cosa più stretta necessita di un raccordo.
3. Controllare il processo di fusione. La fusione di testa e l'elettrofusione danno le giunzioni più resistenti, ma solo con attrezzature calibrate, tempi di riscaldamento corretti ed estremità dei tubi pulite e quadrate.
4. Pianificare l'esposizione ai raggi UV. Il tubo nero può rimanere all'aperto per mesi; il tubo non pigmentato necessita di copertura.
5. Riempire con cura. L'HDPE si flette anziché creparsi, quindi il terreno circostante diventa parte della struttura e la qualità della lettiera determina le prestazioni dell'anello a lungo termine.

Domande che sentiamo di più

L'HDPE è sicuro per l'acqua potabile?

SÌ. L'HDPE per tubi non contiene plastificanti o stabilizzanti di metalli pesanti e i composti destinati all'acqua potabile sono testati per gusto, odore e migrazione secondo gli standard nazionali e internazionali pertinenti.

Quale temperatura può sopportare il tubo in HDPE?

Circa 60 C ininterrottamente per gradi standard, con brevi escursioni fino a 80 C. Al di sopra di 20 C la pressione nominale deve essere ridotta, motivo per cui le linee dell'acqua calda di solito passano a PPR o PE-RT.

Il PE100 è uguale all'HDPE?

PE100 è una classe di qualità all'interno dell'HDPE, definita da una resistenza minima richiesta per 50 anni di 10 MPa. Non tutti i composti HDPE sono idonei, motivo per cui il nome del grado appartiene alle specifiche.

Le proprietà del materiale HDPE si riducono a una serie di compromessi e un buon fornitore dovrebbe essere in grado di spiegare in un linguaggio semplice quali numeri contano per il tuo progetto e quali sono quelli di marketing. Se stai confrontando le qualità, scrivendo una specifica o semplicemente non sei sicuro se HDPE, PPR o PVC appartengano a una linea particolare, il nostro team tecnico sarà lieto di esaminare il disegno con te. Inviaci i dettagli del tuo progetto e torneremo con una risposta diretta.