Торцевые изделия из полиэтилена могут потрескаться, если они находятся под напряжением в течение длительного периода времени. Увеличение молекулярной массы и уменьшение степени кристалличности и полидисперсности повышает устойчивость полиэтилена к растрескиванию.
Список тематических статей
Полиэтилен (ПЭ) — один из первых и наиболее широко используемых полимерных материалов большого объема. Без преувеличения можно сказать, что полиэтилен известен практически каждому, а сам термин в повседневной жизни является синонимом пластика как такового. Обыватели часто называют полиэтиленом различные материалы, которые не имеют к нему никакого отношения.
ПЭ — простейший полиолефин, его химическая формула — (-CH2-)n, где n — степень полимеризации. Наиболее важными видами полиэтилена являются полиэтилен низкого давления (ПНД, HDPE), также полиэтилен высокой плотности (HDPE, PEHD, HDPE) и полиэтилен высокого давления (ПВД, LDPE), также полиэтилен низкой плотности (LDPE, PELD, LDPE). Далее мы более подробно рассмотрим эти и другие типы PE.
Полиэтилен является синтетическим полимером и производится путем полимеризации этилена (химическое название — этилен) по радикальному механизму. Крупномасштабный синтез ПЭВД и ПЭНД осуществляется практически всеми ведущими нефтегазовыми компаниями мира. В России полиэтилен производится на нефтехимических заводах Роснефти, Лукойла, Газпрома, СИБУРа, Казаньоргсинтеза и Нижнекамскнефтехима. В бывшем Советском Союзе полимер производится в Беларуси, Узбекистане и Азербайджане. Обычные марки полиэтилена выпускаются в виде гранул размером 2-5 мм, но есть и марки в виде порошка, например, сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), который выпускается именно в таком виде.
Рисунок 1. Полимер в виде гранул
Полиэтилену уже более 100 лет. Впервые он был открыт в 1899 году немецким инженером Гансом фон Пехманом, которому с тех пор приписывают изобретение полимера. Но, как это часто бывает, прорыв был использован не сразу. Он появился лишь в конце 1920-х годов, и только в 1930-х годах производство полиэтилена было окончательно налажено, причем важную роль в этом сыграли инженеры Эрик Фосетт и Реджинальд Гибсон. Сначала они синтезировали низкомолекулярный парафиновый продукт, который можно было назвать полиэтиленовым олигомером. Поиски инженерами установки высокого давления привели к получению патента на ПЭВД (LLDPE) в 1936 году, а производство товарного полиэтилена началось в 1938 году. Первоначально он был предназначен для производства корпусов телефонных кабелей, а вскоре после этого — для производства упаковки.
Разработка полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) также началась в 1920-х годах. Карл Циглер, изобретатель катализатора ионной полимеризации, важнейший представитель которого впоследствии получил название Циглер-Натта, сыграл важную роль в производстве этого материала. Процесс производства ПЭНД был полностью описан только в 1954 году, когда была подана заявка на патент. Вскоре после этого началось промышленное производство нового полиэтилена, обладающего лучшими свойствами, чем ПЭНП.
Получение полиэтилена
Кратко опишем технологию производства обоих основных видов полиэтилена.
ПЭВД (LDPE)
Этот полиэтилен, как следует из названия, синтезируется под высоким давлением. Синтез обычно проводится в трубчатом реакторе или автоклаве. Синтез происходит под действием окислителей — кислорода, пероксидов или обоих. Этилен смешивается с инициатором полимеризации, сжимается до давления 25 МПа и нагревается до 70 градусов Цельсия. Реактор обычно состоит из двух стадий: На первом этапе смесь дополнительно нагревается, а на втором этапе происходит непосредственно полимеризация в еще более жестких условиях — при температуре до 300 градусов Цельсия и давлении до 250 МПа.
Обычное время пребывания этиленовой смеси в реакторе составляет 70-100 секунд. В течение этого периода 18-20 % этилена преобразуется в полиэтилен. Непреобразованный этилен затем рециркулирует, а полученный полиэтилен охлаждается и гранулируется. Гранулы полиэтилена снова охлаждают, сушат и отправляют на упаковку. Полиэтилен низкой плотности производится в виде неокрашенных гранул.
ПЭНД (HDPE)
ПЭВП (полиэтилен высокой плотности) производится при низком давлении в реакторе. Для синтеза используются три основных типа полимеризационных процессов: Суспензия, раствор и газовая фаза.
Для производства ПЭ обычно используется раствор этилена в гексане, нагретый до 160-250 °C. Процесс проводят при давлении 3,4-5,3 МПа и времени контакта смеси с катализатором 10-15 минут. Готовый ПЭНД отделяется путем выпаривания растворителя. Полученные гранулы ПЭ выпариваются при температуре выше температуры плавления ПЭ. Это делается для того, чтобы перевести низкомолекулярные фракции ПЭ в водный раствор и удалить следы катализаторов. Как и ПЭНД, готовый ПЭНД обычно бесцветен и поставляется в мешках по 25 кг, реже — в биг-бегах, цистернах или других контейнерах.
Виды полиэтилена
Помимо ПЭНД и ПЭВД, которые подробно описаны в данной статье, в промышленности производится и используется множество других видов полиэтилена, включая основные группы:
LLDPE, ЛПЭНП — линейный полиэтилен низкой плотности. Этот тип становится все более популярным. Этот полиэтилен по своим свойствам похож на ПЭВД, но превосходит его по многим параметрам, включая прочность и устойчивость к деформации изделий.
mLLDPE, MPE — металлоценовый LLDPE.
MDPE — полиэтилен средней плотности.
VMPE, HMWPE, VHMWPE — высокомолекулярные.
UHMWPE — полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы.
Существует также большое количество сополимеров этилена с различными другими мономерами. Наиболее известными являются сополимеры с пропиленом, которые выпускаются под общими названиями случайный или статический сополимер и блок-сополимер. Кроме того, производятся сополимеры этилена с акриловой кислотой, бутиловой и этиловой акриловой кислотой, метиловой акриловой кислотой и метилметил акриловой кислотой, винилацетатом и т.д. Существуют также эластомеры на основе этилена, которые обозначаются аббревиатурами POP и POE.
Характеристика полиэтилена
Полиэтилен — это полимер, изготовленный из этилена. Органическое соединение с формулой: -CH2-CH2-CH2-. Связь между атомами углерода ковалентная.
Полиэтилен представляет собой белую массу. Тонкие листы полиэтилена бесцветны или прозрачны.
Он обладает следующими свойствами:
- Не проводит электрический ток.
- Не подвергается изменению формы при ударе – амортизирует.
- Размягчается при нагревании свыше 800С.
- Имеет низкую адгезию.
- Не реагирует с водой, она просто с него стекает.
- Не вступает в химическую реакцию со щелочами, кислотами, солями.
- Подвергается химическому разрушению – 50% азотной кислотой, а также галогенами – хлором и фтором.
Однако этот недостаток можно превратить в преимущество: Эту реакцию можно использовать для повторного использования полимера и получения новых соединений.
Мономер этилена полимеризуется двумя способами, при этом различают полиэтилен высокого давления (ПВД) и полиэтилен низкого давления (ПНД), в зависимости от метода выделения.
- ПВД – полиэтилен низкой плотности.
- ПНД – полиэтилен высокой плотности.
Среди его гомологов существует также категория линейного полиэтилена.
Полиэтилен высокого давления
Молекулярная масса 80000-500000. Полученный материал легкий, термостойкий и выдерживает охлаждение д о-1200 °C.
Свойства зависят от плотности. Чем выше плотность, тем выше прочность, жесткость, твердость и устойчивость к воздействию химических веществ.
Полиэтилен низкого давления
- Теплостойкость до 1100С.
- Переносимое охлаждение до – 800С.
- Имеет глянцевую, блестящую поверхность.
- Характеризуется ударопрочностью, высокими диэлектрическими показателями.
Свойства также определяются плотностью. Повышение прочности увеличивает жесткость и химическую стойкость, но прочность при ударе в холодном состоянии и газопроницаемость снижаются. Материал инертен к биологическому разрушению. Но его можно легко переработать.
Виды полиэтилена
Полиэтилен нашел широкое применение среди потребителей. Растущий интерес к этому материалу стал движущей силой науки, и разрабатываются все новые и новые материалы с новыми свойствами. Сегодня можно выделить четыре основные группы полиэтилена. Процесс производства определяет свойства, которые придаются материалу, а свойства определяют область применения.
Четыре основных типа полиэтилена:
- Линейный полиэтилен высокого давления, обозначающийся аббревиатурой ЛПВД.
- Полиэтилен высокого давления, обозначающийся аббревиатурой ПВД.
- Полиэтилен среднего давления, обозначающийся аббревиатурой ПСД.
- Полиэтилен низкого давления, обозначающийся аббревиатурой ПНД.
Следует отметить, что полиэтилен среднего и низкого давления является более традиционным подразделением, так как получаемый материал имеет одинаковую плотность и молекулярную массу и схожие условия синтеза.
Существует и другая классификация полиэтилена, более специфическая. Эти материалы используются в строительстве и медицинских целях.
- Сшитый полиэтилен, имеющий обозначение РЕХ.
- Вспененный полиэтилен, имеющий обозначение ПП.
- Свервысокмолекулярный полиэтилен, имеющий обозначение СВМП.
- Хлорсульфированный полиэтилен, имеющий обозначение ХСП.
Получение полиэтилена
Чистый этилен является основным сырьем. В нем определены две основные химические технологии производства полиэтилена:
- радикальная полимеризация, которая протекает в газовой фазе;
- координационно-ионая полимеризация, которая осуществляется в жидкой среде бензина.
С помощью этих технологий производятся два типа материалов:
- первое — это полиэтилен высокого давления;
- второе – это полиэтилен низкого давления.
Полиэтилен высокого давления
Синтезируют при давлении 150-300 МПа, температуре 200-2600С, в присутствии катализатора с кислородом — кислород, перекись водорода.
Технология производства проходит через образование промежуточного продукта, а затем его разложение.
Образующиеся радикалы являются основой полимеризации мономеров.
- Смешение исходного сырья с возвратным газом и «товарищем» кислородом.
- Сжатие газовой смеси, протекающее в две стадии.
- Этап полимеризации исходного сырья.
- Разделения продукта и непрореагировавшего сырья.
- Перевод жидкого продукта в гранулы.
Полиэтилен низкого давления
Название говорит само за себя. В процессе производства используется низкое давление. Исходным материалом также является мономер этилена.
В зависимости от способа производства они различаются:
- Полимеризацию, протекающую в суспензии.
- Полимеризацию, протекающую в растворе, чаще всего жидкой средой служит гексан.
- Полимеризация в газовой среде.
Реакции, происходящие в жидкой фазе, используются чаще, чем реакции в газовой фазе.
Жидкофазный процесс происходит при высоких температурах до 25 000 °C. При этом фиксированное давление составляет от 3,4 до 5,3 МПа.
Контакт с катализатором короткий и длится всего 10-15 минут.
Продукт отделяют от реакционной смеси путем удаления растворителя. Этот процесс происходит в испарителе, после чего смесь поступает в сепаратор, а оттуда в вакуумную камеру, где происходит грануляция. Твердый продукт выпаривается с паром.
Поставки полимеров пластиковой и выдувной тары
История полна случаев, когда материалы, востребованные в той или иной отрасли, производились как побочный продукт научных экспериментов.
Ярким примером являются анилиновые красители, которые произвели революцию в светотехнической промышленности. Полиэтилен — аналогичный случай.
История открытия
Впервые это вещество было получено случайно в 1899 году химиком Гансом фон Пехманом, который нагрел трансметан. Химик заметил плотный, воскообразный материал, осевший на дно пробирки, но об этом происшествии забыли, и только спустя три десятилетия побочный продукт был вновь извлечен М. Перрином и Дж. Паттоном. В 1936 году он получил патент на полиэтилен низкой плотности, а массовое производство началось несколько лет спустя.
Свойства
Полученный материал представляет собой белый и твердый полимер, относящийся к органическим соединениям. Основным сырьем для производства полиэтилена является этилен, от которого происходит и его название. Этот газ полимеризуется при низком и высоком давлении для получения сырья в виде гранул для дальнейшего использования. В некоторых случаях материал производится в виде порошка.
Существует множество разновидностей этого материала, каждая из которых имеет свои свойства и применение. Полиэтилен может различаться по давлению при изготовлении, плотности и многим другим аспектам. В процессе производства в гранулированные варианты могут быть добавлены различные пигменты для достижения определенного цвета.
Свойства
Материал устойчив к воздействию влаги, многих растворителей, органических и неорганических кислот и не реагирует на соль. При горении он издает восковой запах, голубоватое свечение и легкое пламя. Материал разлагается при контакте с азотной кислотой, фтором и хлором. В процессе старения между молекулярными цепями полиэтилена образуются поперечные связи, делающие его хрупким.
Производство линейного полиэтилена
Процесс производства различается в зависимости от типа материала. Для линейного сорта полиэтилена температура нагрева должна достигать 120 °C, давление должно быть в пределах 4 МПа, а катализатор представляет собой смесь металлоорганического соединения и хлорида титана. В процессе производства материал осаждается в виде хлопьев, которые затем отделяются от раствора в процессе дальнейшего гранулирования.
Производство полиэтилена низкого давления
Повышение нефтеотдачи может быть произведено тремя способами. Основным методом является суспензионная полимеризация, которая требует непрерывного перемешивания исходного материала и катализатора для начала процесса. Второй метод — это полимеризация в растворе при определенной температуре и катализаторе, которая склонна к реакциям и поэтому не очень эффективна. Последний метод — это газофазная полимеризация, при которой исходные газовые фазы смешиваются путем диффузии.
Переработка и применение полиэтилена
Полиэтилен перерабатывается всеми обычными для термопластов методами: Литье под давлением, экструзия и прессование. Около половины всего производимого полиэтилена HD используется для изготовления пленки для сельского хозяйства и упаковочной продукции. Полиэтилен в основном используется для производства бытовых товаров, игрушек, комплектующих и труб. Используется в качестве электроизоляционного материала в радио- и телевизионной промышленности, в кабельной промышленности, в строительстве, в качестве антикоррозийного покрытия, для пропитки текстиля, бумаги, дерева и т.д.
Все марки полиэтилена физиологически безвредны и поэтому широко используются в медицине, строительстве домов и различных бытовых и потребительских товаров.
Зубакова Л.Б., Твелика А.С., Даванков А.Б. Синтетические ионообменные материалы, Москва, Химия, 1978. 183 с. Салдадзе К.М., Валова-Копылова В.Д. Салдадзе К.М., Валова-Копылова В.Д.. Ионообменники, образующие комплекситы, Москва, Химия, 1980. 256 с. Казанцев Е. Я. Я., Пахолков В. С., Кокошко 3. /О., Чупахин О. Я. Ионообменные материалы, их состав и свойства. Свердловск. Издательство Уральского политехнического института, 1969. 149 с. Самсонов Г.В., Тростянская Е.Б., Елкин Г.Е. Ионный обмен. Поглощение органических веществ. Л., Наука, 1969. 335 с. Тулупов П. Е. Устойчивость ионообменных материалов, М., Химия, 1984. 240 с. Полянский Я. Г. Катализ с помощью ионообменников. Москва, Химия, 1973. 213 с. Кессиди Г. Кун, К.А. Окислительно-восстановительные полимеры. Москва, Химия, 1967. 214 с. Херниг Р. Ионообменники, образующие хелатные соединения. Москва, Мир, 1971. 279 с. Тремийон Б. Разделение в ионообменных смолах. Москва, Мир, 1967. 431 с. Ласкорин Б.Я., Смирнова Я. M., Gantman M.Y. Ионообменные мембраны и их применение. Москва, Госатомиздат, 1961. 162 с. Егоров Е. В., Новиков П. Д. Влияние ионизирующего излучения на ионообменные материалы. Москва, Атомиздат, 1965. 398 с. Егоров Е. В., Макарова С. Б. Ионный обмен в радиохимии. М., Атомиздат, Автор: Коршак В.В., академик Источник: Коршак В.В., Технология пластмасс, 1985 Источник: 1985.
Применение
Как уже упоминалось ранее, полиэтилен является одним из самых распространенных и востребованных материалов, поэтому он используется во многих отраслях промышленности и для производства различных изделий.
Применение полиэтилена:
- производство плотной пищевой и технической пленки в рулонах;
- производство тары и упаковочной продукции (например, полиэтиленовых пакетов);
- изготовления канализационных труб, а также труб для водоснабжения;
- изготовления полотна для изоляции (например, электрической изоляции);
Этот список, конечно, далеко не исчерпывающий.
Однако следует помнить, что широкое использование полиэтилена может оказать негативное влияние на экологическую ситуацию в окружающей среде.
Это связано с тем, что данный материал очень долго разлагается (в некоторых случаях он вообще не разлагается). Это может привести к загрязнению атмосферы, океанов и всей планеты, а также к другим негативным последствиям (например, многие животные погибают, поедая полиэтилен).
Утилизация
Полиэтилен может быть как первичным, так и вторичным. Имеется в виду, что первоначально изготовленный полиэтиленовый продукт может быть переработан и повторно использован после его разрушения. Процессы переработки полиэтиленовых соединений включают экструзию, выдувное формование, литье под давлением и пневматическое формование.
Что касается непосредственной утилизации, то наиболее распространенным методом является кремация. При нагревании полиэтилена (например, под прямыми солнечными лучами) из него выделяются летучие продукты. Следовательно, осуществляется процесс получения низкокипящей смеси.
Таким образом, процесс горения полиэтилена является сложным химическим процессом по своим характеристикам и особенностям.
Особенности разложения
Как упоминалось выше, полиэтилен — это материал, который очень долго разлагается, и для завершения этого процесса требуется много лет. Процессы биологической деградации этого химического соединения становятся все более популярными в настоящее время.
Например, для биоразложения используются специальные плесени Penicillium simplicissimum. С их помощью полиэтилен может быть частично израсходован в течение 90 дней. Однако, чтобы этот процесс был максимально эффективным, материал сначала необходимо обработать азотной кислотой. В дополнение к вышеуказанным видам бактерий рекомендуется также использовать микроорганизм Nocardia asteroides, учитывая, что разложение полиэтилена (даже при использовании специфических бактерий) может занять несколько лет (не менее 8 лет).
Полиэтилен — популярный и востребованный материал, который используется для различных целей. Он отличается от многих других материалов своими физическими и химическими свойствами, поэтому широко используется. При этом существует несколько разновидностей, каждая из которых обладает своими уникальными свойствами.
Посмотрите это видео, чтобы узнать больше о полиэтилене и продуктах из него.
