Полиэтилен: свойства и применение

Производство полиэтилена всех видов: вспененного, сшитого, листового, вторичного, а также изделий из этого материала на
промышленных предприятиях.

История возникновения

Первая дата упоминания об изобретения полиэтилена относится к 1899 г. Родина возникновения химического соединения – Германия. Однако заслуга практичного применения и распространения материала в его современном виде принадлежит инженерам Гибсону и Фосету. С середины прошлого столетия для производства кабельной продукции, позднее для выработки упаковочного материала широкое использование получил синтетический полимерный материал. Так применение полиэтилена в промышленности позволило создавать новые виды продукции.

Химическая формула полиэтилена (CH2CHR)n

История

Изобретателем полиэтилена считается немецкий инженер Ганс фон Пехманн, который впервые случайно получил этот продукт в 1899 году. Однако это открытие не получило распространения. Вторая жизнь полиэтилена началась в 1933 году благодаря инженерам Эрику Фосету и Реджинальду Гибсону. Сначала полиэтилен использовался в производстве телефонного кабеля и лишь в 1950-е годы стал использоваться в пищевой промышленности как упаковка[3].

По другой версии, более принятой в научных кругах, развитие полиэтилена можно рассматривать с работ сотрудников компании Imperial Chemical Industries по созданию промышленной технологии производства, проводившихся начиная с 1920-х годов. Активная фаза создания начата после монтажа установки для синтеза, с которой в 1931 году работали Фосет и Гибсон. Ими был получен низкомолекулярный парафинообразный продукт, имеющий мономерное звено, аналогичное полиэтилену. Работы Фоссета и Гибсона продолжались вплоть до марта 1933 года, когда было принято решение модернизировать аппарат высокого давления для получения более качественного результата и большей безопасности. После модернизации эксперименты были продолжены совместно с М. В. Перрином и Дж. Г. Паттоном и в 1936 году завершились получением патента на полиэтилен низкой плотности (ПВД). Коммерческое производство ПВД было начато в 1938 году[4].

История полиэтилена высокой плотности (ПНД) развивалась с 1920-х годов, когда Карл Циглер начал работы по созданию катализаторов для ионно-координационной полимеризации. В 1954 году технология была в целом освоена, и был получен патент. Позже было начато промышленное производство ПНД[4].

Что это такое?

В первую очередь следует разобраться с тем, что из себя представляет полиэтилен. По сути, данный материал является термопластичным полимером этилена. Его можно отнести к категории полиолефинов. Определение полиэтилена включает в себя обозначение того, что с химической точки зрения данный материал являет собой органическое соединение, а его молекулы обладаю существенной длиной.

Если говорить о внешних характеристиках материала, то он чаще всего представлен в виде тонких листов, которые могут быть бесцветными или белыми. На ощупь полиэтилен довольно твердый. В качестве сырья он довольно распространен и используется для самых разных целей.

Ученые, которые изобрели полиэтилен, не настаивают на том, что материал является идеальным. Как и любые другие химические соединения, он обладает рядом уникальных свойств, которые носят как положительный, так и негативный характер.

Рассмотрим их подробнее.

К достоинствам полиэтилена можно отнести следующие характеристики:

  • высокий уровень прочности (в этом отношении имеется в виду тот факт, что материал способен выдерживать механические повреждения и другие негативные воздействия окружающей среды);
  • эластичность;
  • водонепроницаемость;
  • простота использования;
  • низкий уровень теплопроводности;
  • безопасность для человека (полиэтилен не выделяет веществ, которые могли бы нанести вред здоровью человека);
  • доступная цена;
  • широкий ассортимент;
  • разнообразный дизайн и многое другое.

Но даже несмотря на такое большое количество положительных характеристик, необходимо помнить и об имеющихся недостатках:

  • разрушение под воздействием прямых солнечных лучей;
  • относительная недолговечность;
  • загрязнение окружающей среды, что является ключевой отрицательной характеристикой материала.

Технология утепления ППЭ

Свойства любого теплоизолирующего материала определяют технологию утепления. У пенополиэтилена есть свои особенности при укладке:

  1. Перед началом работ поверхность очищают, выравнивают и заделывают все щели на ней.
  2. ППЭ укладывают, наклеивая на утепляемую поверхность и закрепляя дюбелями-грибками. Между теплоизоляцией и отделочным материалом должна быть прослойка толщиной 1,5–2 см. Чтобы создать такую прослойку, поверх утеплителя сооружают обрешетку из брусков, на которую затем монтируют панели отделочного материала. Бруски крепят дюбелями к стене через слой утеплителя. При таком монтаже конденсат, образовавшийся при колебаниях температуры на поверхности ППЭ, испаряется, не нанося вреда отделочному материалу.
  3. Утеплитель, покрытый фольгой, всегда укладывают металлизированным слоем к потоку тепла и света: при внутреннем утеплении – внутрь, при наружном – наружу.
  4. Листы укладывают встык, склеивая боковые поверхности. Места стыков дополнительно проклеивают металлизированным скотчем.

Разновидности

Известно две основные группы полимеров, которые различают по прочности и плотности основы материала. Это

  • Полиэтилен высокой плотности (высокого давления)
  • Полиэтилен низкой плотности (низкого давления)
  • Промышленность также выпускает полиэтилен средней плотности.

В разных источниках можно встретить другие названия, к примеру, сополимеры и гомополимеры. Но все они являются производными от двух основных групп. В процессе производства разработаны различные технологии выпуска широко востребованного материала. Именно технологические различия и физические свойства полиэтилена обосновывают разнообразность данного вида продукции.

Высокая прочность материала, другие востребованные свойства, которые обосновывают широкое использование тонкой прозрачной пленки, в сочетании с относительно низкой стоимостью производства, позволяют постоянно расширять область применения. Особенное свойство, обуславливающее термопластичность полиэтилена, вывело продукт на верхние позиции популярных упаковочных материалов.

Особенности химического состава дают поистине неограниченные возможности его использования. В своей основе вещество является высокомолекулярным соединением, которое состоит из длинных разветвленных цепей. В зависимости от технологических особенностей производственного процесса при полимеризации вещества изменяются свойства конечного продукта.

Полимеризация при давлении 130 -150 МПа дает полиэтилен низкой плотности, он более пластичный. Полиэтилен высокой плотности, имеет склонность растрескиваться при физическом воздействии. Это обуславливается тем, что изготавливается в процессе каталитической полимеризации, линейная структура практически не содержит боковых ответвлений.

Особенности производства полиэтилена

Чтобы изготовить полиэтилен, требуется особая химическая реакция, в результате которой упрочняются молекулы углеводорода этилена. Какими будут окончательные характеристики полученного материала, зависит от того, как происходила реакция полимеризации. Особенное внимание должно уделяться пропорциям компонентов, а также давлению и температуре, при которых протекает реакция.

ПЭ изготавливается, чаще всего, в форме маленьких (от 2 мм до 5 мм) гранул. В дальнейшем производственные предприятия покупают нужный объем такого сырья. При помощи плавки из него изготавливаются предметы различной формы. Это возможно благодаря способам экструзии либо литья, используемым на предприятии.

Молекулярное строение

Макромолекулы полиэтилена высокого давления (n ≅ 1000) содержат боковые углеводородные цепи C1—С4, молекулы полиэтилена низкого давления практически неразветвлённые, в нём больше доля кристаллической фазы, поэтому этот материал более плотный; молекулы полиэтилена среднего давления занимают промежуточное положение. Большим количеством боковых ответвлений объясняется более низкое содержание кристаллической фазы и соответственно более низкая плотность ПВД по сравнению с ПНД и ПСД.

Показатели, характеризующие строение полимерной цепи различных видов полиэтилена
Показатель ПВД ПСД ПНД
Общее число групп СН3 на 1000 атомов углерода: 21,6 5 1,5
Число концевых групп СН3 на 1000 атомов углерода: 4,5 2 1,5
Этильные ответвления 14,4 1 1
Общее количество двойных связей на 1000 атомов углерода 0,4—0,6 0,4—0,7 1,1—1,5
в том числе:
* винильных двойных связей (R-CH=CH2), % 17 43 87
* винилиденовых двойных связей , % 71 32 7
* транс-виниленовых двойных связей (R-CH=CH-R’), % 12 25 6
Степень кристалличности, % 50—65 75—85 80—90
Плотность, г/см³ 0,9—0,93 0,93—0,94 0,94—0,96

Полиэтилен низкого давления

Физико-механические свойства ПНД при 20 °C
Параметр Значение
Плотность, г/см³ 0,94—0,96
Разрушающее напряжение, кгс/см²
* при растяжении 100—170
* при статическом изгибе 120—170
* при срезе 140—170
Относительное удлинение при разрыве, % 500—600
Модуль упругости при изгибе, кгс/см² 1200—2600
Предел текучести при растяжении, кгс/см² 90—160
Относительное удлинение в начале течения, % 15—20
Твёрдость по Бринеллю, кгс/мм² 1,4—2,5

С увеличением скорости растяжения образца разрушающее напряжение при растяжении и относительное удлинение при разрыве уменьшаются, а предел текучести при растяжении возрастает.

С повышением температуры разрушающее напряжение полиэтилена при растяжении, сжатии, изгибе и срезе понижается. а относительное удлинение при разрыве возрастает до определённого предела, после которого также начинает снижаться

Изменение разрушающего напряжения при сжатии, статическом изгибе и срезе в зависимости от температуры (определено при скорости деформации 500 мм/мин и толщине образца 2 мм)
Разрушающее напряжение, кгс/см² Температура, °С
20 40 60 80
при сжатии 126 77 40
при статическом изгибе 118 88 60
при срезе 169 131 92 53
Зависимость модуля упругости при изгибе ПВД от температуры
Температура, °С −120 −100 −80 −60 −40 −20 0 20 50
Модуль упругости при изгибе, кгс/см² 28100 26700 23200 19200 13600 7400 3050 2200 970

Свойства изделий из полиэтилена существенно зависят от режимов их изготовления (скорости и равномерности охлаждения) и условий эксплуатации (температуры, давления, продолжительности. воздействия нагрузки и т. п.).

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности

Относительно новой и перспективной разновидностью полиэтилена является сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (СВМПЭ, англ. UHMW PE), изделия из которого обладают рядом замечательных свойств: высокой прочностью и ударной вязкостью в большом диапазоне температур (от −200°С до + 100°С), низким коэффициентом трения, большими химо- и износостойкостью и применяются в военном деле (для изготовления бронежилетов, шлемов), машиностроении, химической промышленности и др.[источник не указан 342 дня]

Химические свойства

Горит голубоватым пламенем, со слабым светом[7], при этом издаёт запах парафина[8], то есть такой же, какой исходит от горящей свечи.

Устойчив к действию воды, не реагирует со щелочами любой концентрации, с растворами нейтральных, кислых и основных солей, органическими и неорганическими кислотами, даже с концентрированной серной кислотой, но разрушается при действии 50%-й азотной кислоты при комнатной температуре и под воздействием жидкого и газообразного хлора и фтора. При реакции полиэтилена с галогенами образуется множество полезных для народного хозяйства продуктов, поэтому эта реакция может быть использована для переработки отходов полиэтилена. В отличие от непредельных углеводородов, не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия[7].

При комнатной температуре нерастворим и не набухает ни в одном из известных растворителей. При повышенной температуре (80 °C) растворим в циклогексане и четырёххлористом углероде. Под высоким давлением может быть растворён в перегретой до 180 °C воде.

Со временем подвергается деструкции с образованием поперечных межцепных связей, что приводит к повышению хрупкости на фоне небольшого увеличения прочности. Нестабилизированный полиэтилен на воздухе подвергается термоокислительной деструкции (термостарению). Термостарение полиэтилена проходит по радикальному механизму, сопровождается выделением альдегидов, кетонов, перекиси водорода и др.

Виды полиэтилена

Помимо детально описанных в этой статье ПЭНД и ПЭВД промышленностью производятся и используются другие многочисленные типы полиэтиленов, основными группами из которых являются:

ЛПНП, LLDPE – линейный полиэтилен низкой плотности. Этот тип завоевывает всё большую популярность. По свойствам этот полиэтилен подобен ПЭВД, однако превосходит его по многим параметрам, в том числе по прочности и стойкости изделий к короблению.  

mLLDPE, MPE – металлоценовый ЛПЭНП.

MDPE – ПЭ средней плотности.

ВМПЭ, HMWPE, VHMWPE – высокомолекулярный.

СВМПЭ, UHMWPE – сверхвысокомолекулярный.

EPE – вспенивающийся.

PEC – хлорированный.

Также существует большое количество сополимеров этилена с различными другими мономерами. Наиболее известными из них являются сополимеры с пропиленом, которые производят под общими названиями рандом- или статсополимер и блоксополимер. Помимо них производят сополимеры этилена с акриловой кислотой, бутил- и этилакрилатом, метилакрилатом и метилметилакрилатом, винилацетатом и т.д. Существуют и эластомеры на основе этилена, их обозначают аббревиатурами POP и POE.

Применение

  • Полиэтиленовая плёнка (особенно упаковочная, например, пузырчатая упаковка или скотч),
  • Тара (бутылки, ящики, канистры, садовые лейки, горшки для рассады)
  • Полимерные трубы для канализации, дренажа, водо-, газоснабжения
  • Электроизоляционный материал.
  • Полиэтиленовый порошок используется как термоклей[10].
  • Броня (бронепанели в бронежилетах)[11]
  • Корпуса для лодок[12], вездеходов, деталей технической аппаратуры, диэлектрических антенн, предметов домашнего обихода и др.
  • Вспененный полиэтилен (пенополиэтилен) используется, как теплоизолятор. Наиболее известны[источник не указан 342 дня] следующие марки: «Мультифлекс», «Изоком», «Изолон», «Порилекс», «Алентекс».
  • Полиэтилен низкого давления (ПНД) применяется при строительстве полигонов переработки отходов, накопителей жидких и твёрдых веществ, способных загрязнять почву и грунтовые воды.[13]
  • Полиэтилен используется для радиационной защиты от нейтронного излучения[14][15][16], для усиления эффективности в него могут быть добавлены примеси, к примеру бор[17].

Малотоннажная марка полиэтилена — так называемый «сверхвысокомолекулярный полиэтилен», отличающийся отсутствием каких-либо низкомолекулярных добавок, высокой линейностью и молекулярной массой, используется в медицинских целях в качестве замены хрящевой ткани суставов. Несмотря на то, что он выгодно отличается от ПНД и ПВД своими физическими свойствами, применяется редко из-за трудности его переработки, так как обладает низким ПТР и перерабатывается только прессованием.

Для борьбы с загрязнением окружающей среды полиэтиленовыми пакетами применяются различные меры, и около 40 стран ввели запрет или ограничение на продажу и(или) производство пластиковых пакетов.

Утилизация

Переработка

Изделия из полиэтилена пригодны для переработки и последующего использования. Полиэтилен (кроме сверхвысокомолекулярного) перерабатывается всеми известными для пластмасс методами, такими как экструзия, экструзия с раздувом, литьё под давлением, пневматическое формование.Экструзия полиэтилена возможна на оборудовании с установленным «универсальным» червяком.

Сжигание

При нагревании полиэтилена на воздухе возможно выделение в атмосферу летучих продуктов термоокислительной деструкции. При термической деструкции полиэтилена в присутствии воздуха или кислорода образуется больше низкокипящих соединений, чем при термической деструкции в вакууме или в атмосфере инертного газа. Исследование структурных изменений полиэтилена во время деструкции на воздухе, в атмосфере кислорода или в смеси, состоящей из O2 и О3, при 150—210 °С показало, что образуются гидроксильные, перекисные, карбонильные и эфирные группы. При нагревании полиэтилена при 430°С происходит очень глубокий распад на парафины (65—67 %) и олефины (16—19 %). Кроме того, в продуктах разложения обнаруживаются: окись углерода (до 12 %), водород (до 10 %), углекислый газ (до 1,6 %). Из олефинов основную массу составляет обычно этилен. Наличие окиси углерода свидетельствует о присутствии кислорода в полиэтилене, то есть о наличии карбонильных групп.

Экология и вторичное использование

Удобство использования полиэтилена омрачено сложностью утилизации. Поэтому во многих странах уже ввели ограничение на выпуск, продажу и применение полиэтиленовых пакетов.

Переработка материала проводится известными для пластика способами: литье под давлением, экструзией.

Также возможно проводить сжигание, но при этом в атмосферу выделается огромное количество продуктов горения.

Новая жизнь полиэтилену дается следующим способом: исходный мусор отмывают, измельчают, отделяют от влаги и мусора в центрифуге, вновь промывают, отправляют в сушильную камеру – на выходе получают вторичное сырье, которое пригодно для нового использования. Так методом экструдирования из него производят трубы, второсортную пленку.

Стоит отметить, что природа пытается сама спасти себя от пагубного действия полиэтилена. Выведены плесневые грибы, которые способны за три месяца «слопать» полиэтилен, который был «приготовлен» для них – обработкой азотной кислотой.

Наша планета создала все условия, для проживания человека, мы должны пользоваться ее дарами с уважением и беречь природу. Разделить отходы по разным мусорным корзинам – это простое, но очень полезное действие, которое спасает нашу Землю и позволяет получать новые полезные материалы.

Автор: Гарифуллина Надежда Николаевна Все статьи этого автора

Экология и вторичное использование полиэтилена

В последние годы полиэтилен подвергается серьезному давлению из-за своей якобы не экологичности. На самом деле этот материал – один из самых безопасных. Проблема ПЭ в том, что это основной полимер, применяемый для производства пленок, в том числе тонких, и пакетов из них. Не имея адекватной политики по раздельному сбору мусора, многие низкоразвитые страны занимаются захоронением огромного количества ПЭ отходов, что приводит к попаданию полиэтилена в окружающую среду и водные ресурсы и загрязнению их.

Изображение пакетов для мусора – типичное применение вторичного ПЭ

Рис.3. Пакеты для мусора – типичное применение вторичного ПЭ

При этом в случае правильного сбора и сортировки мусора, полиэтиленовые отходы становятся ценным ресурсом и отличным вторичным сырьем. Уже достаточно большое количество предприятий в странах бывшего СССР закупают отходы полимера для переработки во вторсырье, получением гранул и последующим использованием в своем производстве или продажей вторичного ПЭ на рынке. Таким образом загрязнение планеты полиэтиленом должно в скором времени сойти на нет.

ПластЭксперт искренно надеется, что читателям статья понравилась и они отблагодарят писателей, поделившись ею в соцсетях.

Объявления о покупке и продаже оборудования можно посмотреть на         

Доске объявлений ПластЭксперт

Обсудить достоинства марок полимеров и их свойства можно на               

Форуме о полимерах ПластЭксперт

Примечание

  1. 1 2 3 4 Описание и марки полимеров — Полиэтилен
  2. Король упаковки: как появился целлофан
  3. История полиэтилена: неожиданное рождение пластикового пакета
  4. 1 2 Дж. Уайт, Д. Чой.// Полиэтилен, полипропилен и другие полиолефины. — СПб.: Профессия, 2007.
  5. Vasile C., Pascu M. Practical Guide to Polyethylene. — Shawbury: Smithers Rapra Press, 2008.
  6. 1 2 3 4 5 Кулезнев В. Н. (ред.), Гусев В. К. (ред.)// Основы технологии переработки пластмасс. — М.: Химия, 2004.
  7. 1 2 Цветков Л. А. § 10. Понятие о высокомолекулярных соединениях // Органическая химия. Учебник для 10 класса. — 20-е изд. — М.: Просвещение, 1981. — С. 52—57. — 1 210 000 экз.
  8. Шульпин Г. Эти разные полимеры // Наука и жизнь. — 1982. — № 3. — С. 80—83.
  9. Чешуев В. И., Гладух Е. В., Сайко И. В. и др. Технология лекарств промышленного производства / В 2 частях, часть 1 // Винница, Нова Книга, 2014. — 696 с., ил. ISBN 978-966-382-540-3. С. 114.
  10. Сжать и провернуть: Сделано в России
  11. Доспехи XXI века (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 26 декабря 2009. Архивировано 27 июня 2009 года.
  12. Total Petrochemicals создала ротомолдинговую лодку из полиэтилена
  13. Геомембрана HDPE
  14. Новое в жизни, науке, технике // М.: Знание, 1970. С. 14.
  15. Погосов А. Ю., Дубковский В. А. Ионизирующая радиация: радиоэкология, физика, технологии, защита // Одесса: Наука и техника, 2013. — 804 с., ил. ISBN 978-966-1552-27-1. С. 469, 563.
  16. Ученые предложили защитить космонавтов от радиации шлемом из полиэтилена // Статья 15.08.2019 г. «ТАСС-Наука».
  17. Экранирующие блоки NEUTROSTOP // Статья на сайте kopos.ru.
  18. Русакова Е. Гусеницы приспособились к скоростному перевариванию полиэтилена (неопр.). N+1 Интернет-издание (25 апреля 2017). Дата обращения: 25 апреля 2017.
  19. Bombelli P., Howe C. J., Bertocchini F. Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella // Current Biology. — Vol. 27. — P. R283—R293. — doi:10.1016/j.cub.2017.02.060.

Литература

  • ГОСТ 16338-85. Полиэтилен низкого давления. Технические условия.
  • ГОСТ 16336-77. Композиции полиэтилена для кабельной промышленности. Технические условия.
  • ГОСТ 16337-77. Полиэтилен высокого давления. Технические условия.
modif.png Эта страница в последний раз была отредактирована 9 июня 2021 в 21:19.

Как только страница обновилась в Википедии она обновляется в Вики 2.
Обычно почти сразу, изредка в течении часа.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...