Termoplast ved lave temperature : en undersøkelse og metodeutvikling for testing av ringstivhet og E-modul

Abstract

I materialteknologiens univers finner man mye informasjon om mange materialer, ved veldig forskjellige forhold. Om plastmaterialer vet man veldig mye om oppførselen ved høye temperaturer, men hvordan de oppfører seg ved lave temperaturer er det vanskeligere å finne informasjon om. Hvordan plastmaterialer, og da i dette tilfellet de enkleste polymerene, oppfører seg ved temperaturer på ned mot 75 minusgrader er det ikke gjort veldig mye forskning på. Dette er kunnskap som kan være meget nyttig nå og fremover, og både i olje- og flyindustrien vil den kunnskapen være etterspurt. I denne sammenheng hadde tilleggsveileder Aage Kollen et forslag på en masteroppgave som omhandlet nettopp dette, som jeg fant meget spennende. Målsettingen med denne oppgaven ble da å gjøre en undersøkelse av termoplast ved lave temperaturer, og utvikle en metode for å teste ringstivheten og E-modulen til rør laget av polymerene PP, PE og PVC. Oppgaven startet med en undersøkelse av hva som fantes av litteratur omkring egenskapene til termoplast ved lave temperaturer, i tillegg til generell informasjon om både materiallære og plastmaterialer. Det viste seg at enkelte studier av disse egenskapene hadde blitt gjennomført før, blant annet en undersøkelse av polymerer ved kryogeniske temperaturer. Der var funnene at enkelte av polymerene øker E-modulen med ca. 300 % ved veldig lave temperaturer [26]. En annen studie viste at HDPE doblet E-modulen ved en senkning av temperaturen fra 0 °C til -50 °C [29]. En metode for å fysisk teste ringstivheten og E-modulen, og endringene av disse ved lave temperaturer, ble utviklet, og standarden EN ISO 9969:2007 ble lagt til grunn så langt det var mulig. Testutstyr ble bygget i mekanisk verksted ved NMBU, og fire termoplastrør laget av HDPE, PE, PP og PVC ble testet ved hjeøå av frysekammere ved Senter for Klimaregulert Planteforskning (SKP). Det viste seg at ved en endring av temperaturen fra romtemperatur til -25 °C ble E-modulen til rørene laget av PE, PP og PVC nesten doblet, mens HDPE-røret bare opplevde en mindre økning. Ved ytterligere senkning av temperaturen til -72 °C økte E-modulen enda mer, og for de tre førstnevnte rørene var denne økningen på mellom 166 % og 204 %. HDPE-røret økte E-modulen med bare 36 % i forhold til ved romtemperatur. Disse resultatene stemte godt overens med hva som ble funnet i eksisterende litteratur, selv om feilkildene ved testingen utført i denne oppgaven kunne være store. En økonomisk analyse ble også gjennomført, hvor det hovedsakelig ble sett på hvilke makroøkonomiske faktorer som påvirker både plastproduksjonsindustrien og prisen på polymerene. Det viser seg at plastindustrien kan virke å oppleve en litt flatere vekst, men at etterspørselen ikke stiger nok til at prisene vil øke. En prediksjon av fremtidige plastpriser er vanskelig å gjennomføre, da særlig den usikre oljeprisen har stor innvirkning på plastprisene.

In the universe of material science, you can find a lot of information about many materials, under very different conditions. We know much about the behavior of thermoplastics at high temperatures, but not as much about how they behave at low temperatures. It is hard to find good information about how polymers and plastics in general behave at temperatures as low as 75 degrees below zero. Knowledge about this can be very useful in many industries, especially the oil and aerospace industry. With this in mind, Aage Kollen, the additional supervisor for this thesis, had a suggestion on a master’s thesis that dealt with this kind of information. The objective was to do a research on the behavior of thermoplastics at low temperatures, and develop a method to test the ring stiffness and modulus of elasticity, and the change of these properties, at low temperatures for pipes made of the polymers polyethylene (PE), polypropylene (PP) and polyvinyl chloride (PVC). The process started with searching for information about the mechanical behavior of materials in general and thermoplastics at low temperatures, in addition to more information in general of both thermoplastics and ways of testing the properties. It turned out that some research had been done before, including a book written about polymers at cryogenic temperatures. The findings in the book were that some of the polymers increased their modulus of elasticity with about 300 % at very low temperatures [26]. Another study showed that the polymer PEHD doubled its modulus of elasticity when the temperature dropped from 0 °C to -50 °C [29]. A method to test physically the ring stiffness and modulus of elasticity, and the changes of these properties at low temperatures, was developed with the help of the standard EN ISO 9969:2007. The test equipment was built at the workshop at NMBU, and four thermoplastic pipes made of HDPE, PE, PP and PVC were tested using the freezing chambers at the Center for Climate Regulated Plant Research (SKP). It turned out that changing the temperature from room temperature to -50 °C almost doubled the modulus of elasticity of the pipes made of PE, PP and PVC, while the pipe made of HDPE only experienced a smaller increase of the modulus of elasticity. By further lowering the temperature to -72 °C, the modulus of elasticity increased even more. The increase of the modulus of elasticity was between 166 % and 204 % for the pipes made of PE, PP and PVC compared to room temperature, while the increase for the HDPE pipe was only 36 %. These results coincided with what was found in the existing theory about thermoplastics at low temperatures, even though the way of testing was questionable. An economic analysis of the plastic production industry was also conducted, as well as an analysis of the polymer price in the future. The macroeconomic factors affecting the plastic industry and the polymer prices were evaluated. The conclusion of the analysis was that the plastics industry could seem to be experiencing a slightly flatter growth, but the demand does not increase enough to make the polymer prices increase further. A prediction of the future plastic prices is difficult to implement, with especially the oil price having a huge impact on polymer prices.