Resistenza chimica dell’HDPE: cosa dice la tabella e cosa non è mai stato testato

Hai una sostanza chimica, una temperatura di esercizio e un componente in HDPE. Da qualche parte c'è una tabella che ti dirà se va bene o no.

Quel grafico è autentico ed è utile. È però anche più limitato di quanto quasi tutti coloro che lo utilizzano credano. Questo articolo illustra ciò a cui effettivamente risponde e le quattro variabili che non è mai stato concepito per testare. Sono proprio quelle quattro variabili a determinare se il vostro componente sarà ancora intatto al quindicesimo anno.

A cosa resiste l’HDPE e a cosa no

La resistenza dell’HDPE deriva da due caratteristiche strutturali. La sua catena principale è apolare e satura, quindi non presenta legami estere o ammide che possano essere attaccati dall’acqua e dagli acidi. Inoltre, è altamente cristallino, con un grado di cristallinità di circa il 70-80% secondo i riferimenti del settore, contro il 40-50% dell’LDPE, lasciando pochi percorsi amorfi in cui una sostanza chimica possa penetrare. Non vi sono metalli soggetti a corrosione.

Il risultato è un materiale che si comporta estremamente bene con una vasta gamma di sostanze chimiche, per quanto noiosa, e molto male con un elenco breve e specifico.

La tabella che segue utilizza il sistema di valutazione tratto dal Guida alla resistenza chimica dell'HDPE di INEOS, la fonte più comunemente citata su questo argomento. La valutazione viene effettuata a due livelli, e proprio al secondo livello la maggior parte delle persone smette di leggere troppo presto.

Leggete insieme le due colonne centrali. Il gasolio, la benzina e gli oli minerali risultano tutti “Soddisfacenti” a 21 °C e “Insoddisfacenti” a 60 °C. Le proprietà chimiche non sono cambiate. È cambiata solo la temperatura. Una valutazione indicata senza la relativa temperatura non è una valutazione.

Le tabelle presentano inoltre incongruenze tra loro. INEOS utilizza S / O / U su due intervalli di temperatura fissi. Altre tabelle ampiamente diffuse utilizzano R / C / N con definizioni quantitative: rigonfiamento al di sotto di 3%, perdita di peso al di sotto di 0,5%. Alcune utilizzano note a piè di pagina numerate collegate alle proprie soglie. Altre utilizzano frasi semplici come “danno minimo o nullo dopo 30 giorni”. Questi sistemi non sono facilmente convertibili l’uno nell’altro. Due ingegneri possono citare due tabelle autorevoli, giungere a conclusioni opposte riguardo alla stessa sostanza chimica ed entrambi leggere un documento corretto.

Come si presenta un attacco chimico prima della fuoriuscita

La plastica non è chimicamente a prova di tutto. L’affermazione “l’HDPE resiste alle sostanze chimiche” ha una versione più articolata: l’HDPE resiste a determinate classi di sostanze chimiche, a una data temperatura e per un determinato periodo di tempo.

Un attacco raramente si preannuncia. Si manifesta in una delle cinque forme seguenti, e quella che si presenta determina la tua reazione. Le soluzioni non sono intercambiabili.

Confondere questi fenomeni può costare caro. All’ossidazione si rimedia con una diversa formulazione di stabilizzanti o con una temperatura di esercizio più bassa. Al rigonfiamento si rimedia con un materiale diverso. Alle fessurazioni da sollecitazione si rimedia modificando la geometria, il carico o il fluido. Se trattate tutti e tre i fenomeni come un unico problema, dovrete sostituire il componente due volte prima di individuare quello giusto.

Un avvertimento prima di proseguire. Questi sintomi indicano che che qualcosa è andato storto, non perché. La formazione di crepe non è indice di aggressività della sostanza chimica. Come illustrato nella sezione seguente, ciò può verificarsi anche in un mezzo che la vostra tabella classifica come pienamente soddisfacente.

Perché “Satisfactory” è un’opinione durata 42 giorni

Ecco la domanda che cambierà il modo in cui interpreti ogni grafico: a quali condizioni è stata assegnata quella “S”?

Le classificazioni pubblicate si basano solitamente su prove di immersione della durata di centinaia di ore, anziché di anni. Un testo di riferimento del settore ne spiega chiaramente i fondamenti: le classificazioni riportate nelle norme pubblicate “riflettono in genere prove di immersione di 1.000 ore”, pari a circa sei settimane di esposizione (Gruppo per le risorse costiere). Un galleggiante di banchina, una linea di produzione o un serbatoio di stoccaggio dovrebbero durare per decenni. Un professionista su eng-tips, mentre affrontava un problema reale relativo all’iniezione di ipoclorito di sodio, ha sintetizzato il concetto in una frase che vale la pena ricordare: “30 giorni contro 3000 giorni potrebbero fare la differenza” (consigli).

Non si tratta di un errore di arrotondamento. È una differenza di categoria. Il grafico risponde a una domanda sulle settimane, mentre tu stai ponendo una domanda sugli anni.

Ossidazione: il pacchetto antiossidante è un prodotto di consumo

Il polietilene, di per sé, non resiste all'ossidazione. È protetto da un additivo antiossidante incorporato nella resina, che viene consumato man mano che agisce. Una volta esaurito, il polimero stesso inizia a ossidarsi: si verifica un infragilimento seguito dalla formazione di crepe in un materiale che all’apparenza sembrava ancora in buone condizioni.

Lo stesso thread di eng-tips contiene una frase che dovrebbe figurare sulla copertina di ogni grafico sulla resistenza: “La resistenza dell’HDPE potrebbe dipendere dal tipo di additivi antiossidanti utilizzati, poiché questi proteggono il tubo dall’ossidazione, che causa crepe e cedimenti.” Il grafico classifica il polimero. Ciò che garantisce al polimero una durata di vent'anni è un additivo che il grafico non menziona.

I dati raccolti sul campo lo confermano. Nella stessa discussione, gli ingegneri descrivono guasti nei serbatoi di stoccaggio dell’ipoclorito di sodio a pareti spesse dopo un periodo compreso tra tre e otto anni, a seconda della concentrazione mantenuta e della frequenza con cui il serbatoio veniva riempito. Le tabelle pubblicate classificano l’ipoclorito di sodio come “soddisfacente” in entrambi gli intervalli di temperatura. Entrambe le affermazioni sono vere. Misurano però aspetti diversi.

Gonfiore e permeazione: assorbito, non disciolto

Gli aromatici, i solventi clorurati e molti idrocarburi non dissolvono il polietilene. Hanno invece un effetto più sottile: migrano al suo interno. La parete si gonfia, si ammorbidisce e cambia dimensione. Il fluido, invece, può attraversarla senza ostacoli.

La permeazione e l’aggressione chimica sono due problemi distinti, e un buon risultato in uno dei due non dice nulla riguardo all’altro. Un idrocarburo può attraversare una parete in PE senza degradarla in modo misurabile; pertanto, se la vostra applicazione prevede il contatto con idrocarburi o con terreni contaminati, la permeazione richiede una valutazione a sé stante.

È proprio qui che di solito si trova il punto più debole del sistema, e spesso non è il polietilene. Guarnizioni, O-ring, guarnizioni delle flange e componenti elastomerici sono realizzati in EPDM, NBR, Viton e materiali simili. Ciascuno di essi ha un proprio profilo di compatibilità e tendono a cedere regolarmente prima del corpo in PE. Su un galleggiante stampato, gli elementi equivalenti sono i tappi filettati alle estremità, i collegamenti a perno e bullone e le alette. Verificarne la resistenza alla stessa sostanza chimica, alla stessa temperatura.

Fessurazione da stress ambientale: quando la sostanza chimica non è il problema

La frattura da stress ambientale (ESCR) stravolge il modello mentale che le persone hanno del significato di una classificazione.

I tensioattivi e i detergenti, a contatto con il polietilene sottoposto a sollecitazioni di trazione prolungate, provocano la propagazione di una fessura lenta attraverso un materiale che rimane chimicamente inalterato. Nessuna corrosione, nessun attacco misurabile, nessun rigonfiamento. Solo una fessura che si allarga a partire da un punto di sollecitazione in un ambiente che il grafico classifica come soddisfacente.

Il che spiega un'apparente contraddizione nella tabella sopra riportata. Detergenti sintetici è stato valutato come “Soddisfacente” in entrambe le fasi di temperatura, e i detergenti rappresentano anche il fattore scatenante classico della fessurazione da stress ambientale. Entrambe le affermazioni sono corrette, poiché descrivono prove diverse: una misura l’attacco chimico, l’altra misura ciò che accade quando si aggiunge una sollecitazione. Un’elevata sollecitazione unita a un tensioattivo concentrato accelera maggiormente il processo.

L'ESCR riveste maggiore importanza rispetto agli altri due meccanismi per un motivo pratico: Lo stress è l'unica variabile di questa lista che puoi controllare tu stesso. Si concentra negli angoli, nei fori, nelle filettature e nei punti di fissaggio. Si forma a causa del carico prolungato, dei cicli termici e delle flessioni. Si tratta di una questione di geometria e di installazione, il che significa che è una domanda a cui puoi rispondere prima dell’acquisto.

Le quattro variabili che il grafico non ha mai testato

Se si mettono in fila le sei variabili, la natura del problema risulta evidente. Un grafico di resistenza illustra la sostanza chimica e la sua concentrazione, e temperature. Ne rimangono quindi altri quattro non misurati: durata dell'esposizione, sollecitazione meccanica, se il mezzo è una miscela, e come viene effettivamente realizzato il tuo componente.

La durata e lo stress sono stati trattati nella sezione precedente. Questi sono gli altri due.

Quando il mezzo è una miscela, non una sostanza chimica

Ogni tabella di classificazione riporta una sola sostanza chimica alla volta. Le condizioni di esercizio, invece, quasi mai lo fanno.

L'acqua di mare è costituita da sali disciolti, idrocarburi e sostanze chimiche di trattamento. L'acqua di un porto turistico è costituita da gasolio, detergente per il lavaggio, residui di antivegetativa e bioincrostazioni. Un impianto di acquacoltura è costituito da azoto ammoniacale, oli alimentari e disinfettante. Il bordo piscina è costituito da ipoclorito, stabilizzante e correttori di pH. Le miscele possono interagire: una combinazione può avere un effetto dannoso laddove nessuno dei due componenti lo avrebbe da solo.

La conseguenza è un cambiamento di metodo, non di grafico. Quando il mezzo è misto, un elenco di sostanze chimiche non è il dato di partenza corretto. Ciò che serve è una valutazione specifica della combinazione effettiva, alle concentrazioni e alla temperatura effettive.

Quando il tuo pezzo non è un tubo

Questo è il principale punto debole del documento, ed è di natura strutturale piuttosto che tecnica.

Quasi tutte le tabelle pubbliche sulla resistenza dell’HDPE sono redatte per tubazioni. La norma di riferimento lo specifica chiaramente. La norma ISO/TR 10358:2021, la raccolta di riferimento dei dati sulla resistenza chimica dei termoplastici, è intitolata Tubi e raccordi in plastica per applicazioni industriali (pubblicato nel giugno 2021, ISO), e comprende i gradi di PE con una densità minima di 0,935 g/cm³, ovvero la famiglia di tubi PE63, PE80, PE100 e PE100-RC. Tubo.

Ora consideriamo quanta parte dell’HDPE presente nel mondo non sia costituita da tubi. I tubi estrusi sono costituiti da un flusso continuo di materiale fuso spinto attraverso una filiera. Un galleggiante stampato, un serbatoio soffiato o un raccordo stampato a iniezione vengono realizzati in modo diverso, e ciò modifica la cristallinità, la tensione interna imprigionata nella parete, l’uniformità dello spessore della parete e il modo in cui vengono realizzate le caratteristiche di tenuta. La resina può appartenere alla stessa famiglia, ma il componente non è lo stesso oggetto.

Pertanto, lo stesso grado di materiale, se realizzato in modo diverso, non presenta le stesse caratteristiche del modello riportato nel grafico. Un tubo galleggiante con un tappo terminale filettato, un interno cavo e sigillato e sporgenze portanti presenta concentrazioni di sollecitazioni che una sezione di tubo diritta non presenta.

La stessa cautela vale anche per quanto riguarda il grado. Una tabella intitolata “polipropilene” o “LDPE” non è la risposta che cerchi. La densità, la cristallinità e la distribuzione del peso molecolare influenzano tutte il risultato. Abbina la tabella alla resina e il metodo di formatura, entrambi.

Il che ci porta a una regola breve e poco affascinante che sostituisce una lunga argomentazione: Qualsiasi conclusione tratta da un grafico redatto per una forma diversa non è una conclusione. È un'ipotesi.

Come specificare l'HDPE per condizioni di esercizio reali

Sei passaggi, in questo ordine. L’ordine è importante, perché ciascuno di essi può invalidare quelli precedenti.

1. Indicare la sostanza chimica e la sua concentrazione. Utilizzate il dato effettivo, non una stima approssimativa. Elencate ogni singolo componente, compresi i detergenti, i prodotti chimici di trattamento e i biocidi. Questi sono gli elementi più comunemente omessi e, spesso, quelli più aggressivi.
2. Impostare la temperatura massima di esercizio. Leggi quell’articolo. Non quello sull’ambiente, né quello che ha citato il tuo fornitore.
3. Imposta la durata dell'esposizione. Gli spruzzi intermittenti e l’immersione continua sono specifiche diverse. Indica per iscritto quale delle due si applica al tuo caso.
4. Risolvi la situazione di stress. C'è una tensione costante? Dove si concentra? Lo stress è la variabile che puoi controllare, quella per cui il grafico non prevede una colonna.
5. Stabilisci se il mezzo è una miscela. Se è così, valutalo come un unico elemento anziché spuntare ogni sostanza chimica da un elenco.
6. Abbinare la tabella al modulo e al livello. Un disegno tecnico per un tubo rappresenta un'ipotesi di partenza per un pezzo stampato, non una soluzione definitiva.

Quindi porta gli stessi sei articoli al fornitore e chiedi che te li restituisca per iscritto:

• Una dichiarazione scritta di idoneità relativa alla combinazione di fluidi utilizzata, alla concentrazione indicata e alla temperatura massima
• La classe o le specifiche del sistema antiossidante e stabilizzante ai raggi UV, non solo la dicitura “stabilizzato ai raggi UV”
• Dati relativi alla resistenza e alla fessurazione da sollecitazione per il metodo di formatura del tuo pezzo, non per pipe
• Conferma separata della compatibilità per guarnizioni, sigilli, tappi terminali e elementi di fissaggio
• Se la garanzia copre i guasti di natura chimica e a quali condizioni specificate

È importante sapere quando smettere di specificare un materiale e optare per un altro. Gli acidi fortemente ossidanti, i composti aromatici e i solventi clorurati sono classificati come non idonei a qualsiasi temperatura, e l’utilizzo al di fuori dell’intervallo di temperatura previsto per il materiale ne determina l’inidoneità, indipendentemente dalla composizione chimica. Non si tratta di problemi di formulazione, e considerarli tali è proprio ciò che fa perdere un anno ai progetti.

Un limite specificato nelle specifiche previene un numero maggiore di errori rispetto a un parametro specificato nelle specifiche. Il parametro indica al fornitore quali sono le vostre aspettative. Il limite chiarisce a tutti quali non sono mai state le prestazioni dichiarate del materiale.

Cosa significa questo per la zona del lungomare

Chiunque venda una struttura galleggiante – che si tratti di un molo, di un pontile, di una passerella o di una piattaforma – sta vendendo qualcosa che rimarrà in acqua per un periodo compreso tra i quindici e i venti anni. Non un componente. Una durata. E l’unico documento che può fornire al cliente a sostegno di tale durata è un grafico di resistenza che copre solo due delle sei variabili che la determinano.

Il divario non è nascosto. È riportato, nella nota a piè di pagina del grafico stesso, ed è evidente nei serbatoi che hanno ceduto nel giro di tre-otto anni, nonostante avessero ottenuto una valutazione “soddisfacente”. Ciò che questo comporta per chiunque operi sul lato della vendita è scomodo, ma utile. “I nostri carri allegorici sono realizzati in HDPE” è tecnicamente corretto ma commercialmente insignificante. L’HDPE è il materiale standard del settore: ogni concorrente può citarlo e non rappresenta un elemento di differenziazione. Si tratta semplicemente di una descrizione della categoria.

Il fattore di differenziazione risiede nelle quattro variabili che il grafico non ha preso in esame. Un rivenditore o un distributore in grado di rispondere alle domande più spinose – quale sistema di stabilizzazione, quali dati per questo metodo di formatura, cosa succede in questa particolare acqua – sta vendendo qualcosa che non si può semplicemente trovare su una pagina di catalogo. Tutto dipende dall’aver posto prima la domanda.

In pratica, ciò si traduce in tre elementi che vale la pena richiedere al produttore del prodotto e conservare in archivio: le specifiche relative allo stabilizzatore e ai raggi UV della resina, i dati sulla resistenza relativi al metodo di formatura effettivo piuttosto che ai tubi, e una dichiarazione scritta sui limiti per l’acqua specifica in cui sarà immersa la struttura. Inserite questi tre elementi in un preventivo e la conversazione cambierà. Il cliente smetterà di confrontare i galleggianti in base al prezzo al metro quadrato e inizierà a valutare chi è in grado di sostenere una garanzia ventennale con un documento scritto.

Il grafico non è mai stato la promessa. Era l’inizio della domanda.

Ogni galleggiante stampato da Hisea Dock nasce da HDPE ad alto peso molecolare, scelto per la sua resistenza ai raggi UV e agli agenti atmosferici piuttosto che per la sola densità (come definiamo le caratteristiche dell'HDPE che stampiamo). Se l'acqua in cui verrà collocato il vostro pontile presenta caratteristiche chimiche particolari, che si tratti di un attracco per il rifornimento di carburante, del bordo piscina clorato o di uno stagno agricolo, dicci cosa c'è dentro prima di chiederci un preventivo. Preferiamo rispondere prima a questa domanda un po’ imbarazzante.

Riferimenti

1. INEOS Olefins & Polymers USA. “Guida alla resistenza chimica dell’HDPE.” https://www.ineos.com/globalassets/ineos-group/businesses/ineos-olefins-and-polymers-usa/products/technical-information–patents/ineos-hdpe-chemical-resistance-guide.pdf
2. Organizzazione internazionale per la normazione. “ISO/TR 10358:2021 — Tubi e raccordi in materia plastica per applicazioni industriali: raccolta di dati sulla resistenza chimica combinata.” https://www.iso.org/standard/77005.html
3. Coastal Resource Group. “Tabella di resistenza chimica dell’HDPE — Acidi, basi e solventi.” https://www.coastalrgp.com/blog/hdpe-chemical-resistance/
4. Primepoly. “Guida alla resistenza chimica dei tubi in HDPE: cosa può (e cosa non può) sopportare il PE100.” https://hdpepipefactory.com/blog/hdpe-pipe-chemical-resistance
5. Silver-Line Plastics. “Guida alla resistenza chimica dell’HDPE.” https://www.slpipe.com/wp-content/uploads/2016/07/HDPE-Chemical-Resistance-Guide.pdf
6. Piedmont Plastics. “Le migliori materie plastiche per banchine e attrezzature portuali.” https://www.piedmontplastics.com/blog/marina-plastics
7. eng-tips. “HDPE.” https://www.eng-tips.com/threads/hdpe.270867/