Что такое полиэтилен и в чем отличия его основных видов, особенности получения и применения

Оглавление

Полиэтилен – это самый часто встречающийся в мире полимер, и его популярность объясняется большим перечнем физико-эксплуатационных характеристик и массой практичных бытовых и промышленных свойств. А меняя показатель давления, применяемого для получения того или иного вида полиэтилена, параметры этого полимера можно варьировать в широком спектре.

Что такое полиэтилен?

Полиэтилен (ПЭ, PE) – полимер, который добывается путем термополимеризации этилена, в свою очередь получаемого из газа и нефти путем химического реагирования. В быту полиэтиленом называют пластмассу практически в любом ее виде. Этот синтетический полимер в наиболее потребляемых его видах производится передовыми компаниями, специализирующимися на добыче нефти и газа. В частности, в России его синтезируют на заводах «Роснефть», «Газпром», «Лукойл», «Нижнекамскнефтехим». Серийные марки ПЭ производят в виде микрогранул не более 2-5 мм, однако, есть разновидность этого полимера, поступающая в промышленный обиход в виде порошка. Сырьем для выработки полиэтилена служит бесцветный газ этилен, его особенность – характерный сладковатый запах.

Гранулы полиэтилена

Важно:

Этилен может растворяться в этаноле и в воде при некоторых условиях, а для синтезирования полиэтилена применяют только газ, прошедший глубокую очистку – до 99,8%. Посторонние примеси препятствуют нормальному течению реакции синтеза, а материал может поменять свой окрас.

Как появился полиэтилен

Полиэтилен известен уже более века. Его изобретателем признан инженер Ганс фон Пехманн, который сделал свое открытие в 1899 году в Германии. Однако в те годы полезное изобретение не было воспринято «на ура», ему долгое время не могли найти применения. Лишь в конце 1920-х годов синтез ПЭ был налажен. Но сначала это не был полиэтилен в привычном для современности понимании: первоначально проводился синтез низкомолекулярного парафинового вещества – олигомера полиэтилена. Только в 1936 году им удалось разработать меры для успешного синтеза ПЭ низкой плотности и получить на него патент. И в 1938 году было запущено синтезирование промышленного ПЭ, сферой применения которого на начальном этапе стало производство проводов для телефонов, а чуть позже – выпуск упаковки для продовольственных товаров.

Формула полиэтилена

ПЭ является органическим веществом, имеющим длинные «тела» молекул. Химический состав молекулы этого полимера имеет простой вид и визуализируется как цепочка из атомов углерода, к каждому из которых прикреплены по две молекулы водорода. Формула полиэтилена может быть записана как

(–CH2–)n или (C2H4)n,

где n – степень полимеризации.

Формула полиэтилена

Полиэтилен синтезируется в двух вариантах, получаемых из СН2=СН2, отличных по структуре, а значит, и по свойствам. В одной из модификаций мономеры связываются в линейные цепи с показателем полимеризации выше 5000. В другой – ответвления из 4-6 атомов углерода крепятся к цепи хаотично. Для синтеза линейных полиэтиленов используются специальные катализаторы, выработка происходит при температурном режиме до 150°С и давлении до 20 атмосфер.

Получение полиэтилена

Принцип построения макромолекул полиэтилена – линейный, они также имеют некоторое число боковых ответвлений. Способ полимеризации материала отражается на свойствах, которыми будет обладать готовый ПЭ. Его получение возможно в двух химических концепциях:

  • С помощью радикальной полимеризации этилена в газовой среде – так получают ПВД – это полиэтилен высокого давления. Синтезируется в автоклаве под окисляющим воздействием О2 или пероксидов. Сила давления – 25МПа, показатель температуры обычно не превышает 70°С. Используется двухступенчатый ректор: в первой стадии смесь сильнее разогревают, а во второй – полимеризуют при ужесточенных показателях – температуре до 300°С и давлении до 250 МПа.
  • Путем ионной термополимеризации этилена в гексановом растворе – так синтезируется полиэтилен сниженного давления. Раствор этилена в бензине доводят до температуры 180-250°С. Показатель давления, необходимый для процесса – 3,4-5,3 МПа, катализатор воздействует на смесь в течение 15 минут. Степень готовности полиэтилена определяют по испарению растворителя.

Схема процесса выработки ПЭ

Общий процесс выработки ПЭ можно охарактеризовать такими основными технологическими фазами:

  • соединение этилена с газовой средой и кислородом;
  • сжатие газово-этиленовой субстанции в двух стадиях;
  • собственно, полимеризация массы;
  • отделение непосредственно ПЭ от этилена, не вступившего в реакцию;
  • гранулирование продукта.

Виды полиэтилена

Полиэтилен низкого давления – он же полиэтилен высокой плотности (ПЭВП). Для этого вида полиэтилена характерно малое число молекулярных ветвей, производят его при сниженном уровне давления, применяя суспензионный, растворный и газофазный техпроцессы полимеризации. ПЭНД обычно получается бесцветным и может отгружаться в любой подходящей таре – от мешков до цистерн. Используется для изготовления канистр, контейнеров для растворителей и мусора, отличается повышенной прочностью (к примеру, пакет из ПЭНД может выдержать до 20 кг).

Полиэтилен высокого давления (низкой плотности) ПЭВД или ПЭНП. Производится при повышенном давлении, а особенность его структуры – в сочетании продольных и укороченных ответвлений, которым богата формула ПЭВД. Производят его чаще всего в форме бесцветных гранул. Самая известная сфера применения этого вида полиэтилена – выработка оберточного материала, производство пластиковых пакетов и емкостей.
И хотя основными используемыми в промышленности видами полиэтилена являются ПЭНД и ПЭВД, есть другие формы производства этого полимера.

Линейный полиэтилен – это низкоплотный ПЭ с большим числом коротких ответвлений в молекулярной цепи. При растяжении и разрыве имеет максимальные значения прочности и растяжения. Плавится линейный ПЭ при повышенном температурном показателе, что делает его идеальным сырьем для упаковки под горячие продукты. Многочисленные боковые укороченные ветви, которыми характеризуется структура его молекул, делает особенно высокой эластичность расплава, и это свойство используют для произведения тонкой пленки. По сравнению с другими видами ПЭ наименее прозрачен, бывает разных уровней плотности.

Пенополиэтилен – материал с пористой структурой, что делает его хорошим вариантом средства для гидро- и теплоизоляции. В качестве материла для изоляции, вспененный полиэтилен производят в виде гибких листов или жгутов.

Сшитый полиэтилен – ПЭ, молекулы которого сшиты поперек, и за счет этих поперечных связей звенья его молекул образуют трехмерную сеть. Эта особенность наделяет ПЭ жесткостью и термоустойчивостью.

Свойства полиэтилена

Химические свойства

ПЭ практически газонепроницаем, а его химическая устойчивость зависит от плотности полиэтилена. Он инертен ко всем солевым растворам и концентратам, растворителям и отдельным сильным кислотам, маслам и смазывающим веществам, не взаимодействует с органическими растворителями. Но при показателе выше 60°С полиэтилен поддается воздействию азотной и серной кислот в концентрации 50%, не устойчив к хлору и брому.

Физические свойства

ПЭ – материал достаточной жесткости, эластичный, морозоустойчивый (выдерживает температуру до -70°С), гибкий. Обладает высокой вязкостью, диэлектрик, не увлажняется жидкостями. Полиэтилен – нейтральное вещество, бесцветное, но непрозрачное в толстом слое, не имеющее запаха и вкуса. Температура плавления полиэтилена в среднем 105-115°С, но точный показатель колеблется в зависимости от вида ПЭ.

Наименование физических характеристик Средние показатели ПЭ
Плотность, г/см3 0,955 - 0960
Напряжение при растяжении, МПа 22 - 23
Температурная амплитуда применения от -50°С до 80°С
Удлинение при разрыве, % 300-600
Ударная вязкость, кДж/м2 12
Теплопроводность, В/(м·°С) 44·10-2
Теплоемкость при 20-25 °С, Дж/кг·°С 1880
Кристаллизация при температуре от -60 °С ­до -369 °С

Эксплуатационные характеристики

При температуре выше 80°С полиэтилен начинает разрушаться. Без добавления спецдобавок и стабилизаторов материал абсолютно неустойчив к УФ-излучению, подвержен фотодеструкции. ПЭ не источает в окружающую среду вредные вещества, но разлагаться самостоятельно может на протяжении десятилетий. Стоит учитывать пожароопасность материала и его свойство поддерживать горение.

Важно:

Физические свойства полимера и характер его эксплуатации будут разниться в зависимости от вида ПЭ.

Остановимся на самых распространенных его типах – ПЭВД и ПЭНД.

Вид полиэтилена Мол. масса, а.е.м. Плотность, кг/м3 Температурный показатель плавления, °С Показатель упругости, МПа Кристалличность Относ. удлинение, % Температура стеклования, °С Показатель усадки при обработке
ПЭВД 30 тыс. – 400 тыс. 913-930 103-115 100-200 60% 100-800 -4 1,5-2%
ПЭНД 50 тыс. –1 млн 940-970 120-140 400-1250 70-90% 100-1200 120

Применение полиэтилена

Полиэтилен – самый известный и востребованный из-за своей практичности и универсальности полимер в мире. Выявлена масса способов переработки пластмассы, которые позволяют производить изделия из него.

Важно:

Полиэтилен обвиняют в неэкологичности, на самом же деле этот полимер один из наиболее безопасных, неприхотливых, хорошо поддается переработке, после которой нередко используется повторно.

Рассмотрим самые распространенные формы применения полиэтилена.

Пленка из гранулированного полиэтилена

  • Пленка. Этот универсальный материал повсеместно используют в виде разнофактурных пленок в промышленности, на производстве, в строительных работах. Производится она с помощью экструдера из гранулированного полиэтилена, который доводят до нужной температуры, плавят, после чего формируют.
  • Трубы из полиэтилена используют для выкладывания инженерных сообщений (канализация, газо- и водопроводы) и коммуникаций. Процесс их изготовления идентичен этапам производства пленки, за исключением конструкции экструдера.
  • Полиэтиленовые пакеты – легкая и удобная тара, в которой потребители переносят вещи и продукты. Сегодня невозможно представить свою жизнь без прозрачных пакетов для фасовки, «маек», практичных мусорных пакетов, пакетов с логотипами супермаркетов или торговых точек.
  • Упаковка. Современная тара для продуктов питания также производится преимущественно из полиэтилена – бутылки, контейнеры, пластиковые пакеты и одноразовая посуда.
  • Нельзя не упомянуть о широком производстве одноразовых полиэтиленовых перчаток, которые нашли широкое применение в промышленности, медицине и быту.
  • Полиэтиленовые листы, производимые из ПЭВП или ПЭНП, являются отличной альтернативой древесине и стеклу, имеют небольшой вес и высокую жесткость. ПЭ прессуется в прочные листы разной толщины с высокой термостойкостью.

Продукты из полиэтилена с каждым годом находят все больше сфер для своего применения, занимая ранее пустующие области рынка. Включая в свой производственный процесс изделия из этого полимера, многие предприятия разных отраслей промышленности существенно облегчают его, делая максимально рентабельным. Статистические данные прогнозируют и дальнейший рост популярности полиэтилена, а значит, его производство в товарных масштабах будет только расти.

Смотрите также по теме «Что такое полиэтилен и в чем отличия его основных видов, особенности получения и применения»:


Спецпердложения

Новости

2019-04-06

Ложементы и полимеры в упаковочной индустрии: от идеи к реализации

2019-03-27

Полимерная индустрия и интернет: проверка на прочность

2019-03-14

Мастер класс по пайке ППР труб

2019-01-12

Промагросоюз: промышленное и агротехническое оборудование с доставкой по всей России

2018-08-05

Промышленное оборудование для торцевания и резки: движение в сторону эффективности

2018-06-09

Полимеры, лазеры и микрохирургия при помощи роботов: клиники Швейцарии идут вперед

Все новости RSS / Atom