Tubos de PE-RT para aplicaciones industriales Isidro Salas Lisa Servicio Técnico y Desarrollo. Dow Chemical Iberica S.L. sisidro@dow.com Sumario Los últimos desarrollos en catalizadores y tecnología de procesos, han dado como resultado una nueva familia de productos altamente diferenciada y basada en copolímeros de etileno-α-olefinas. Este artículo resume los principales atributos de estos nuevos materiales. Estos polímeros muestran excelente alta Resistencia Hidrostática a Larga Duración a alta temperatura sin necesidad de reticulación. Esto proporciona ventajas de procesado. El PE-RT puede ser usado en todas las clases de tubos de agua caliente y tubos de aplicaciones técnicas. Consolidado para fabricación de tubos de agua sanitaria caliente y fría, durante los últimos años se han introducido con fuerza en las aplicaciones de tubos industriales. Introducción Los tubos domésticos pueden ser descritos como tubos para agua caliente y fría en redes de calefacción e instalaciones para agua potable en edificaciones, sin olvidarnos de los sistemas para fundir hielo-nieve y los sistemas de intercambiadores de calor. Tales sistemas de tuberías típicamente operan a presiones de entre 2 y 10 bar y una temperatura de hasta 70ºC con temperaturas de mal funcionamiento de 95-100ºC. Las condiciones de uso para las diferentes clases/aplicaciones de tubos de agua caliente (suelo caliente, conexiones a radiadores y agua caliente sanitaria) están descritas en la ISO 10508. El mercado de tubos domésticos ha estado tradicionalmente dominado por los tubos de cobre y hierro galvanizado. Desde los últimos 25-35 años, los tubos de plástico han experimentado un incremento significativo de uso en este mercado. En muchas partes del mundo, el cobre todavía es el material dominante. La penetración del plástico en Europa está avanzando constantemente y actualmente está cerca del 50% del mercado. Las ventajas de los tubos de plástico son entre otras la no corrosión y la resistencia a muchos productos químicos. Son flexibles y fáciles de instalar, pueden unirse por fusión, y son ligeros facilitando el transporte y el manejo. Los materiales plásticos que dominan el mercado de tubos domésticos son : PEX, PP-R, PB y C-PVC. Este artículo, expone el desarrollo de una nueva clase de PE con una mejora significante de la resistencia a la larga duración y alta temperatura. Principios de diseño del nuevo producto El Polietileno de Alta Densidad es conocido por tener buena resistencia a altas temperaturas y es usado frecuentemente en aplicaciones de embalaje donde se requiere buena resistencia a la temperatura. Las propiedades de resistencia a larga duración a altas temperaturas de estos materiales no son suficientes para las exigencias de aplicaciones de larga duración como son los tubos de agua caliente. Se ha avanzado mucho en la comprensión de las relaciones de estructura-propiedades del PE. A través de mejoras en el control de procesos y desarrollo de catalizadores, ahora se puede controlar la incorporación de comonómeros en la estructura del polímero. A través del control de la microestructura cristalina, los polímeros de PE pueden ser producidos con nuevas combinaciones de propiedades (parámetros de comportamiento). Ahora es posible la producción de PE que combine buen comportamiento a alta
temperatura con flexibilidad, o mejor resistencia a larga duración con una rigidez determinada. Las cadenas de unión juegan un importante papel en el comportamiento a larga duración. La estructura cristalina de un polietileno lineal sin cadenas laterales o ramificaciones cortas se puede observar en la parte izquierda de la Figura 1. La cadena de polímero se pliega para formar una estructura cristalina laminar. Mediante la introducción de cadenas cortas laterales, vía la incorporación de comonómeros, se crean una serie de imperfecciones en la estructura del polímero. El grupo lateral hexilo del comonómero octeno es demasiado grande para incorporarse en la estructura cristalina laminar y la cadena de polímero es empujada fuera del cristal. Cuando otra parte de esta cadena se incorpora a otro cristal se forma una cadena o molécula de unión Figura 1. Efecto de la microestructura en el proceso de cristalización Esto está gráficamente representado en la Figura 2. Las estructuras de cristal laminar están entrelazadas con segmentos de polímero amorfo: cadenas de unión. La probabilidad de formación de cadenas de unión se incrementa al aumentar la longitud de las cadenas. Figura 2. Las cadenas de unión incrementa la resistencia de la resina
Las moléculas de unión incrementan las propiedades mecánicas y ESCR o el comportamiento a larga duración por el entrelazado de múltiples cristales. Estas cadenas de unión proporcionan extensibilidad y movilidad y por tanto pueden absorber y disipar energía. El tipo de comonómero incorporado tiene también influencia en la concentración de cadenas de unión. El Octeno-1 es más eficiente que otras α-olefinas de cadena más corta. La razón de este comportamiento es que las cadenas laterales basadas en octeno son más largas y por lo tanto tienen más dificultad para incorporarse en la formación del cristal. Para una concentración dada de comonómero, esto se traduce en una probabilidad más alta de formación de cadenas de unión (Figura 3). Figura 3. Influencia del tipo de comonomero en la probabilidad de formación de moléculas de unión Otro importante aspecto del diseño es el control del contenido de comonómero y como se incorpora en la cadena del polímero. La figura IV muestra las curvas de Crystaf para diferentes densidades de copolímero etileno-octeno producido en Proceso Solución. Controlando la incorporación de comonómero, se pueden obtener diferentes morfologías de polímero con diferentes balances de propiedades. Las curvas de Crystaf son actualmente una radiografía de la arquitectura molecular que resulta del proceso de polimerización heterogéneo. Las moléculas lineales, con mayor cristalinidad, cristalizan a mayor temperatura. Como un polímero heterogéneo está compuesto de moléculas con variación en el contenido de comonómero, la curva de Crystaf representa una distribución de comonómero. Las moléculas cristalizando a temperaturas intermedias tienen una probabilidad más alta de formar cadenas de unión a un peso molecular determinado. Por tanto, un mecanismo disponible para controlar las cantidades de cadenas de unión es ajustar la distribución de comonómero junto con el peso molecular. Figura 4. Distribución de la composición química de diferentes copolímeros
Aplicando estos conceptos de diseño, se puede obtener un nuevo conjunto de características y comportamiento. Esto será explicado usando el ejemplo del PE-RT, un copolímero etileno-octeno producido Proceso de Solución. Los tubos fabricados con PE-RT y evaluados de acuerdo con la EN 921 a diferentes temperaturas (20,60 80, 95 y 110 ºC) y presiones, usando el método de extrapolación de la ISO/DIS 9080, presentan una curva de regresión con sorprendente alta resistencia a larga duración y alta temperatura. Esto supera ampliamente un año de ensayo a 110ºC y permite extrapolar el correspondiente comportamiento a 70ºC y 50 años. Debido a la poca pendiente de la curva los valores de resistencia a 50 años resultan todavía muy altos. Los esfuerzos de diseño resultantes son la base para los requerimientos de espesor de pared de los tubos para las diferentes condiciones definidas en ISO 1050 y clases de presión. Figura 5. Curva regresión Estos desarrollos forman la base para la creación de la nueva clase de polietileno para aplicaciones de alta temperatura. Estas resinas que están definidas en ISO 1043-1 como PE-RT o Polietileno Resistente a la Temperatura. El PE-RT, muestra una excelente Resistencia Hidrostática a Larga Duración sin necesidad de reticulado. Los PE-RT pueden usarse en todas las aplicaciones de tubos para agua caliente, descritas en ISO 10508. En resumen, podemos decir que los tubos para agua caliente fabricados con PE-RT presentan las siguientes ventajas: excelente resistencia hidrostática a larga duración y alta temperatura sin necesidad de reticulación, lo que hace que el producto sea aplicable donde se requieren diferentes y variados requerimientos de control y certificaciones. El PE-RT cumple con las normas y aprobaciones de diferentes países, por ejemplo: - ISO 24033 - ISO UNE 22391
- ISO NE21003 - Alemania: DIN 16833 (PE-RT) y la norma de aplicación DIN 4721 - Holanda: Kiwa aprobado para todas las aplicaciones de agua caliente - USA: PPI listing 180ºF Pe no reticulado y para tubos multicapas ASTM 1282-01A - España: UNE 53690 Tubos multicapas basados en PE-RT. Los tubos fabricados con PE-RT son muy flexibles, lo cual facilita su instalación. Los tubos pueden ser producidos a altas velocidades y sin Reticulación, lo que permite la soldadura por fusion.la superficie lisa que presentan estos tubos reduce las perdidas de carga y evita al mínimo la formación de depósitos en la superficie interna. Al ser un termoplástico ofrece ventajas económicas en el procesado y especialmente en el caso de los tubos multicapas. Aplicaciones El PE-RT desarrollado básicamente para la fabricación de tubos monocapa y multicapas en aplicaciones de agua caliente y fría para uso domestico y con mas de 28 años de experiencia. Durante los últimos años se ha introducido con fuerza en otro tipos de aplicaciones como puede ser el acondicionamiento de carreteras y lugares públicos y especialmente en aplicaciones industriales donde las siguientes propiedades son requeridas: Resistencia Química Alta temperatura Flexibilidad La soldadura sea el tipo de unión preferida Estabilidad térmica a larga duración
Flexibilidad Soldadura A modo de ejemplo podemos enumerar las siguientes aplicaciones: plantas de galvanización, plantas de fabricación de papel, sistemas de refrigeración en plantas de energía y en geotermia.. Planta biocombustibles Conclusiones Por medio de la Arquitectura Molecular y la mejora del Control de Proceso, ahora es posible producir polietilenos con alta Resistencia Hidrostática a Larga Duración a altas temperaturas. Estos polímeros forman la base de una nueva clase de Polietileno Resistente a la Temperatura (PE-RT) para la fabricación de tubos para agua caliente. Estos materiales no necesitan reticulación, lo que resulta en un fácil y económico proceso de transformación. Es de esperar que la optimización de la tecnología de proceso y el catalizador aporten aún más mejoras.