Propriedades do material HDPE explicadas: densidade, resistência e seleção de tubos

O polietileno de alta densidade tem uma reputação simples: um plástico resistente e ceroso que ignora a maioria dos produtos químicos e sobrevive silenciosamente cinquenta anos no subsolo. Essa reputação é conquistada, mas esconde muitos detalhes. Dois tubos podem ter o mesmo rótulo de HDPE e ainda assim se comportar de maneira bastante diferente quando estão na vala, porque a densidade, o peso molecular, o tipo de comonômero e o pacote de aditivos puxam as propriedades do material em direções diferentes.

Fabricamos tubos termoplásticos em Xangai desde 2003, e as perguntas que recebemos sobre as propriedades dos materiais HDPE geralmente vêm de compradores que precisam tomar uma decisão em vez de passar em um exame. Este guia segue os números que realmente mudam o desempenho de um tubo, como ele é unido e quanto tempo dura.

O que significa "alta densidade" em nível molecular

O polietileno é uma cadeia de unidades repetidas de CH2, e o que separa um polietileno de outro é como essas cadeias são construídas. O HDPE é polimerizado com catalisadores Ziegler-Natta ou metaloceno que produzem cadeias longas, quase lineares, com muito poucas ramificações laterais. As cadeias retas compactam-se firmemente e cristalizam rapidamente, de modo que o HDPE atinge uma cristalinidade de aproximadamente 70 a 80 por cento e uma densidade entre 0,941 e 0,965 g/cm3. O LDPE está cheio de ramificações de cadeia longa, de modo que suas cadeias não podem ser compactadas tão estreitamente; ele se estabiliza em torno de 0,910 a 0,925 g/cm3 e é visivelmente mais macio.

Para aplicações em tubulações, três variáveis fazem a maior parte do trabalho:

• Densidade : maior densidade aumenta a rigidez, a resistência à tração e o desempenho da barreira, mas reduz a flexibilidade e a resistência ao impacto em baixas temperaturas.
• Peso molecular e taxa de fluxo de fusão : um peso molecular mais alto traz melhor tenacidade e resistência à trinca por tensão ambiental, ao custo de uma extrusão mais dura.
• Tipo de comonômero : os comonômeros buteno, hexeno e octeno interrompem a cristalização de maneira controlada, e é por isso que os modernos graus PE100 e PE100-RC resistem tão bem ao crescimento lento de fissuras.

Essas variáveis ​​são o motivo pelo qual a indústria fala nas aulas. PE63, PE80 e PE100 referem-se a valores mínimos de resistência exigidos de 6,3, 8,0 e 10,0 MPa a 20 C durante 50 anos, e não a três polímeros diferentes.

Principais propriedades físicas e mecânicas

As folhas de dados publicadas variam porque descrevem diferentes classes, mas as faixas abaixo são representativas do HDPE para tubos. São os números que verificamos primeiro quando comparamos compostos de diferentes fornecedores.

Resistência Química, Intemperismo e Comportamento a Longo Prazo

O HDPE é quimicamente inerte contra a maior parte do que encontra no subsolo. Ele lida com ácidos diluídos e concentrados, álcalis, soluções salinas e álcoois, e não corrói, incrusta ou participa de reações galvânicas. Não é universal, no entanto. Ácidos oxidantes fortes atacam-no, e hidrocarbonetos e solventes clorados causam inchaço e permeação, um ponto importante quando uma linha passa por solo contaminado ou transporta efluentes industriais.

A luz solar é o outro ponto fraco. O polietileno não estabilizado fragiliza sob UV, razão pela qual os compostos de tubos contêm 2 a 2,5 por cento de negro de fumo bem disperso ou um pacote UV equivalente. O tubo preto tolera meses de armazenamento ao ar livre; tubo de cor natural não.

O ataque biológico raramente é uma preocupação, uma vez que nem os fungos nem as bactérias utilizam o polietileno como fonte de alimento. Em vez disso, o desempenho a longo prazo é regido pelo crescimento lento de fissuras e pela resistência à fissuração por tensão ambiental, ambos avaliados através de testes de regressão de tensão hidrostática de acordo com a norma ISO 9080 e extrapolados para uma vida útil de projeto de 50 anos. É dessa extrapolação que vem o número da MRS por trás de cada nota de EF.

Densidade, índice de fusão, SDR e classificação de pressão

A espessura da parede é a outra metade da história. O tubo de pressão é especificado por SDR, ou DR, a relação entre o diâmetro externo e a espessura da parede. Um SDR mais baixo significa uma parede mais espessa e uma classificação de pressão mais alta: para a tubulação de água PE100, o SDR 11 corresponde a PN16 a 20 C, enquanto o SDR 17 fica perto de PN10. A relação não é linear com a temperatura, e a maioria dos graus deve ser reduzida acima de 20 C. Nossa nota técnica sobre Tubo HDPE DR 11 percorre a matemática da espessura da parede e as etapas de seleção com mais detalhes.

O índice de fusão influencia mais o processamento do que a classificação de pressão. Uma taxa de fluxo de fusão mais alta extrusa mais rapidamente e funde mais facilmente, mas classes com uma taxa de fluxo muito alta tendem a oferecer menor resistência à trinca por tensão. Para drenagem principal e crítica, compostos de baixo índice de fusão e alto peso molecular continuam sendo a escolha mais segura.

O HDPE não é o único polietileno com o qual trabalhamos. Onde os tubos precisam transportar água quente, como circuitos de piso radiante, o HDPE padrão fica sem espaço de temperatura e um polietileno de alta temperatura assume o controle. PE-RT é o tipo mais frequentemente especificado para esses loops, porque mantém uma classificação de pressão estável a 70 C, ao mesmo tempo que permanece flexível o suficiente para ser dobrado manualmente.

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Como o HDPE se compara ao PVC e ao PPR

Os compradores raramente escolhem um material isoladamente; eles comparam com as alternativas já no desenho.

• HDPE contra PVC-U : O PVC é mais rígido e geralmente mais barato por metro em tamanhos de drenagem, e as juntas de cimento solvente se unem rapidamente. O HDPE é mais resistente, tolera assentamentos e vibrações e pode ser fundido em juntas tão fortes quanto a própria parede do tubo.
• HDPE contra PPR : ambos são poliolefinas e ambos são fundidos termicamente, mas o PPR mantém sua classificação de pressão em 70 C, o que o torna a escolha natural para água quente e fria doméstica no interior de edifícios. O HDPE geralmente é melhor para redes de água fria, esgoto e linhas industriais, onde o diâmetro, o comprimento do trecho e a resistência à abrasão são mais importantes do que a temperatura.
• HDPE contra metal : mais leve, imune à corrosão galvânica e muito mais resistente à abrasão em serviço com lama, mas precisa de um suporte mais próximo em temperaturas elevadas e se expande cerca de dez vezes mais que o aço.

No lado da drenagem da nossa própria linha, o PVC-U continua sendo o carro-chefe para solos de construção e pilhas de resíduos.

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O que essas propriedades significam no local

Os valores da folha de dados só se tornam úteis quando são traduzidos na prática de instalação. Estas são as regras que repetimos para as equipes de projeto:

1. Permita o movimento térmico. A cerca de 1,5 x 10-4 por K, uma corrida de 50 m move-se aproximadamente 75 mm através de um balanço de 10 C, portanto âncoras, laços e deslocamentos não são opcionais.
2. Respeite o raio de curvatura. A flexão a frio é normalmente limitada a 20 a 25 vezes o diâmetro externo; qualquer coisa mais apertada precisa de um encaixe.
3. Controle o processo de fusão. A fusão de topo e a eletrofusão proporcionam juntas mais fortes, mas apenas com equipamento calibrado, tempos de aquecimento corretos e extremidades de tubo quadradas e limpas.
4. Planeje a exposição aos raios UV. O cachimbo preto pode ficar ao ar livre por meses; tubo não pigmentado precisa de cobertura.
5. Preencha com cuidado. O HDPE desvia em vez de rachar, de modo que o solo circundante se torna parte da estrutura e a qualidade da cama decide o desempenho do anel a longo prazo.

Perguntas que mais ouvimos

O HDPE é seguro para água potável?

Sim. O HDPE para tubos não contém plastificantes ou estabilizadores de metais pesados, e os compostos destinados à água potável são testados quanto ao sabor, odor e migração de acordo com os padrões nacionais e internacionais relevantes.

Que temperatura o tubo HDPE pode suportar?

Cerca de 60 C continuamente para classes padrão, com excursões curtas até 80 C. Acima de 20 C, a classificação de pressão deve ser reduzida, razão pela qual as linhas de água quente geralmente mudam para PPR ou PE-RT.

PE100 é o mesmo que HDPE?

PE100 é uma classe de grau dentro do HDPE, definida por uma resistência mínima exigida de 10 MPa em 50 anos. Nem todo composto HDPE se qualifica, e é por isso que o nome da classe pertence à especificação.

As propriedades do material HDPE se resumem a um conjunto de compensações, e um bom fornecedor deve ser capaz de explicar em linguagem simples quais números são importantes para o seu projeto e quais são de marketing. Se você estiver comparando classes, escrevendo uma especificação ou simplesmente não tiver certeza se HDPE, PPR ou PVC pertencem a uma linha específica, nossa equipe técnica terá prazer em analisar o desenho com você. Envie-nos os detalhes do seu projeto e voltaremos com uma resposta direta.