Полиэтилену дана новая жизнь: Исходные отходы проходят многоступенчатую переработку. В этом процессе отходы сначала тщательно промываются, затем измельчаются и отделяются от влаги и остатков в центрифуге. Далее они снова промываются и отправляются в сушильную камеру. В результате всех этих операций получается перерабатываемое сырье, которое пригодно для новых применений. Таким образом, в ходе экструзии переработанный полиэтилен используется для производства труб и пленки.
Что такое полиэтилен и в чем отличия его основных видов, особенности получения и применения
Полиэтилен — это самый широко используемый полимер на планете, благодаря чему его популярность обусловлена множеством факторов, включая его физические свойства и характеристики, а также огромное количество практических применений как в быту, так и в промышленности. Благодаря варьированию давления во время производства конкретного типа полиэтилена, можно изменять физические свойства полимера в довольно широком диапазоне.
Полиэтилен (ПЭ) представляет собой полимер, который синтезируется путем термополимеризации этилена. Этот этилен, в свою очередь, получают в результате химических реакций из природного газа и нефти. В повседневной жизни полиэтилен почти всегда обозначается термином «пластик». Этот синтетический полимер в своей наиболее распространенной форме изготавливается современными нефтегазовыми компаниями. На территории России полиэтилен синтезируется преимущественно на заводах компаний таких, как «Роснефть», «Газпром», «Лукойл» и «Нижнекамскнефтехим». Обычно полиэтиленовые гранулы имеют размер от 2 до 5 мм, однако также существует версия этого полимера, которая импортируется для промышленного использования в виде порошка. Для производства полиэтилена используется бесцветный газ этилен, обладающий характерным сладковатым запахом.
Это очень важно:
Этилен может растворяться как в этаноле, так и в воде при определенных условиях, однако для синтеза полиэтилена необходимо использовать только глубоко очищенный газ с содержанием 99.8%. Наличие посторонних примесей мешает реакции синтеза, и в результате материал может обесцветиться.
Как появился полиэтилен
Полиэтилен известен уже больше ста лет. Его изобретателем является инженер Ганс фон Пехман, который сделал свое открытие в Германии в 1899 году. Однако на тот момент это полезное изобретение не получило широкой популярности и долгое время не использовалось. ПЭ стал синтезироваться лишь в конце 1920-х годов. В самом начале это был не полиэтилен в привычном понимании, а парафинистое вещество с низкой молекулярной массой, так называемый олигомерный полиэтилен. Лишь в 1936 году исследователи разработали эффективные методы для успешного синтеза полиэтилена низкой плотности, на которое затем был получен патент. А в 1938 году началось промышленное использование полиэтилена, сначала в производстве телефонных кабелей, а позже он нашел применение и в упаковке продуктов питания.
Формула полиэтилена
ПЭ представляет собой органическое вещество с длинными цепочками молекул. Химический состав молекулы этого полимера очень прост и состоит из цепочки атомов углерода, к каждому из которых присоединены две молекулы водорода. Формула полиэтилена может быть записана как:
C₂H₄)n, где n — степень полимеризации.
Полиэтилен синтезируется в двух основных модификациях, которые происходят из мономеров CH₂=CH₂. Эти модификации имеют различные структуры и, соответственно, разные свойства. В одной из модификаций мономеры соединяются в линейные цепи с индексом полимеризации более 5000. В другой модификации сшивают ветви молекул, состоящие из 4-6 атомов углерода, forming a more branched chain. Для синтеза линейных полиэтиленов, которые производятся при температурах до 150 °C и давлениях до 20 атмосфер, используют специальные катализаторы.
Получение полиэтилена
Устроение макромолекул полиэтилена имеет линейный характер, при этом они также имеют ряд боковых ответвлений. Способ полимеризации непосредственно влияет на свойства получаемого полиэтилена. Он может быть получен двумя основными химическими методами:
- Первый метод включает радикальную полимеризацию этилена в газовой среде — именно таким образом производится полиэтилен высокого давления (ПЭВД). Его синтезируют в автоклаве, используя окислительные агенты, например, кислород (O₂) или пероксиды. Прочность на сжатие при этом достигает 25 МПа, а температура обычно не превышает 70 °C. Используется двухступенчатый реактор: на первой стадии смесь нагревается, затем на второй стадии полимеризуется при более высокой температуре — до 300 °C и давлении до 250 МПа.
- Второй метод базируется на ионной термополимеризации этилена в растворе гексана. Этот метод используется для получения полиэтилена с пониженным давлением. В процессе растворения этилена в бензине температура доводится до 180-250 °C, а давление должно быть в пределах 3,4-5,3 МПа. Влияние катализатора на смесь длится около 15 минут, степень зрелости полиэтилена определяется по испарению растворителя.
Весь процесс получения полиэтилена можно разбить на несколько основных технологических этапов:
- Сочетание этилена с газовой средой и кислородом.
- Компрессия газообразного этилена в два этапа.
- Полимеризация самой массы.
- Сепарация полученного ПЭ от непрореагировавшего этилена.
- Пеллетизация готового продукта.
Виды полиэтилена
Полиэтилен низкого давления, также известный как полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), обладает низким количеством молекулярных ветвей и производится при пониженном давлении с использованием процессов суспензионной, растворной и газофазной полимеризации. ПЭНД обычно бесцветен и может транспортироваться в различных контейнерах — от мешков до больших цистерн. Он востребован при производстве контейнеров, емкостей для растворителей и отходов благодаря своей высокой прочности (например, мешок из ПНД способен выдерживать до 20 кг).
Полиэтилен высокого давления (низкой плотности) обозначается как ПВД или ПНД. Он производится под более высоким давлением, и его структура характеризуется сочетанием длинных и коротких ветвей, которые характерны для типа ПВД. Обычно он выпускается в виде бесцветного гранулята. Наиболее известное применение этого типа полиэтилена заключается в производстве упаковочных материалов, пластиковых пакетов и контейнеров. Хотя ПЭНД и ПЭВД составляют основные категории полиэтилена, в промышленности также используются и другие варианты этого полимера.
Линейный полиэтилен — это полиэтилен низкой плотности, который имеет большое число мелких ответвлений в молекулярной цепи. Он обладает высокими прочностными характеристиками и устойчивостью к разрыву и растяжению. Линейный полиэтилен плавится при высоких температурах, что делает его идеальным для упаковки горячих продуктов. Кратковременные боковые ветки в его структуре создают дополнительные эластичные свойства, которые используются для производства тонких пленок. В сравнении с другими формами полиэтилена, этот вид является наименее прозрачным и предлагается с различной плотностью.
Очевидно, что полиэтилен имеет пористую структуру, благодаря чему он выступает хорошим материалом для тепло- и гидроизоляции. В качестве изоляционного материала пенополиэтилен обычно производится в виде гибких листов или жгутов.
Сшитый полиэтилен формируется так, что молекулы сшиваются в устойчивую трехмерную сеть. Такой способ сшивания придает ему жесткость и термостойкость.
ПЭ — это органическое вещество с длинными цепочками молекул. Химический состав молекулы этого полимера прост — это цепочка атомов углерода, к каждому из которых присоединены две молекулы водорода. Формула полиэтилена может быть записана следующим образом: C₂H₄)n.
Поставки полимеров пластиковой и выдувной тары
В истории можно найти примеры, когда высоко востребованные материалы получались в результате научных экспериментов как побочный продукт.
Ярким примером можно назвать анилиновые пигменты, которые произвели настоящую революцию в светотехнической промышленности, а полиэтилен является аналогичным случаем.
История открытия
Впервые этот материал был получен случайно в 1899 году химиком Гансом фон Пехманом, когда он нагрел трансметан. Химик заметил, что на дне пробирки образовался плотный воскообразный материал, однако об этом открытии забыли, и только спустя три десятилетия побочный продукт был вновь извлечен исследователями М. Перриным и Дж. Паттоном. В 1936 году Паттон получил патент на полиэтилен низкой плотности, а массовое производство началось несколькими годами позже.
Свойства
Полученный материал представляет собой белый твердый полимер, который относится к органическим соединениям. Основное сырье для производства полиэтилена — это этилен, от названия которого и происходит название этого полимера. Этилен полимеризуется при низком и высоком давлении для получения сырья в виде гранул, которые в дальнейшем используются в производстве. В некоторых вариантах полиэтилен может производиться в виде порошка.
Существует множество разновидностей этого материала, каждая из которых обладает своими определенными свойствами и областью применения. Полиэтилен может различаться по давлению при производстве, плотности и многим другим критериям. При производстве гранулированных вариантов могут добавляться различные пигменты для достижения нужного цвета.
Свойства
Материал проявляет устойчивость к влаге, различным растворителям, органическим и неорганическим кислотам, не вступая в реакцию с солью. При горении он издает характерный восковой запах и голубоватое свечение, образуя легкое пламя. Однако материал разрушается при контакте с азотной кислотой, фтором и хлором. По мере старения между молекулярными цепями полиэтилена возникают поперечные связи, что делает его более хрупким.
Производство линейного полиэтилена
Процесс производства полиэтилена варьируется в зависимости от его типа. Для линейных сортов полиэтилена температура должна быть доведена до 120 °C, давление должно находиться в пределах 4 МПа, а катализатором служит смесь металлоорганических соединений и хлорида титана. В процессе получения линейного полиэтилена материал осаждается в виде хлопьев, которые затем отделяются от раствора в ходе дальнейшего грануляционного процесса.
Производство полиэтилена низкого давления
ПЭНП может быть произведен тремя основными способами. Главный метод — это суспензионная полимеризация, которая требует непрерывного перемешивания исходного сырья и катализатора для инициирования процесса. Второй способ — растворная полимеризация, которая предполагает поддержание необходимой температуры и использование реактивного катализатора, из-за чего данный метод не всегда эффективен. Последний метод — это газофазная полимеризация, в которой исходные газовые фазы смешиваются путём диффузии.
Важно отметить, что упаковка из ПЭВД имеет свои недостатки, например, наличие несоответствующих включений, что может привести к различиям в толщине стенок.
Виды полиэтилена
Кроме ПЭНД и ПЭВД, которые более детально описаны выше, в промышленности существует множество других видов полиэтилена, среди которых следует выделить следующие важные группы:
LLDPE, ЛПЭНП — это линейный полиэтилен низкой плотности. Этот вид становится все более популярным благодаря своим свойствам, которые схожи с ПЭВД, но отчасти превосходят их по ряду показателей, включая прочность и устойчивость к деформациям готовых изделий.
mLLDPE, MPE — это металлоценовый LLDPE.
MDPE — полиэтилен средней плотности.
VMPE, HMWPE, VHMWPE — это высокомолекулярные виды полиэтилена.
UHMWPE — это материал с ультравысоким молекулярным весом.
Также существуют многочисленные сополимеры этилена с различными другими мономерами. Наиболее известными являются сополимеры с пропиленом, которые производятся под общими названиями — случайные или статические полимеры и блок-сополимеры. В дополнение к ним производятся сополимеры этилена с акриловой кислотой, бутиловой и этиловой акриловой кислотой, метиловой акриловой кислотой и метилметакриловой кислотой, винилацетатом и другими мономерами. Также имеются эластомеры на основе этилена, обозначаемые аббревиатурами POP и POE.
Свойства полиэтилена
Что касается характеристик, то следует заметить, что свойства различных типов полиэтилена могут сильно различаться. Давайте рассмотрим наиболее типичные случаи на примере двух самых распространенных типов.
ПЭ высокого давления (LDPE)
Молекулярная масса ПЭВД варьируется от 30,000 до 400,000 атомов.
Индекс текучести расплава (MFR) может колебаться от 0.2 до 20 г/10 мин, в зависимости от конкретной марки полиэтилена.
Степень кристалличности для ПЭВД составляет около 60%. Температура стеклования находится на уровне минус 4 градуса Цельсия.
Температура плавления марок ПЭВД находится в диапазоне от 105 до 115 градусов Цельсия.
Плотность ПЭВД составляет приблизительно 930 кг/м³.
Технологическая усадка при обработке этого типа полиэтилена составляет 1.5 – 2%.
Ключевым свойством структуры полиэтилена высокого давления является его разветвленная структура, что и обуславливает его низкую плотность, а также рыхлую аморфно-кристаллическую структуру на молекулярном уровне.
ПЭ низкого давления (HDPE)
Молекулярная масса ПЭВП колеблется от 50,000 до 1,000,000 атомных единиц.
Индекс текучести расплава PFR составляет от 0.1 до 20 г/10 мин, в зависимости от сорта.
Степень кристалличности ПЭВП варьируется от 70 до 90 процентов.
Температура стеклования ПЭВП составляет около 120 градусов Цельсия.
Температура плавления этого типа полиэтилена составляет 130-140 градусов Цельсия.
Плотность ПЭВП составляет приблизительно 950 кг/м³.
Технологическая усадка при переработке данной марки полиэтилена также составляет 1.5-2.0 процента.
Общие свойства полиэтиленов
Что касается химических свойств, полиэтилен известен низкой газопроницаемостью. Химическая стойкость этого полимера зависит от молекулярной массы и плотности. ПЭ инертен к разбавленным и концентрированным основаниям, а также ко многим солям, некоторым сильным кислотам и органическим растворителям, жирам и маслам. Однако полиэтилен не устойчив к воздействию 50% азотной кислоты и к галогенным элементам, таким как чистый хлор и бром. Более того, бром и йод способны диффундировать через полиэтилен.
Что касается физических характеристик, полиэтилен является гибким и достаточно жестким материалом (ПЭНП гораздо более мягкий, чем ПЭВП). Механизмы морозостойкости изделий из полиэтилена способны выдерживать температуры до минус 70 градусов Цельсия. Полиэтилен также проявляет высокую ударную прочность и вязкость, а его диэлектрические свойства достаточно хороши. Влаго- и водопроницаемость материала незначительны. С точки зрения физиологии и экологии полиэтилен является нейтральным и инертным веществом без запаха и вкуса.
Касаясь эксплуатационных свойств полиэтилена, его разрушение в атмосфере начинается при температуре около 80 градусов Цельсия. Полиэтилен, за исключением специализированных добавок, не проявляет устойчивости к солнечной радиации и особенно к ультрафиолетовому излучению, что приводит к значительной фотодеградации. Для снижения данного эффекта в состав добавляют стабилизаторы, такие как технический углерод. Полиэтилен не выделяет в окружающую среду вредных веществ, однако процесс его разложения происходит крайне медленно и занимает десятилетия. ПЭ считается легковоспламеняющимся и горючим материалом, что следует учитывать при его использовании.
Применение полиэтилена
Полиэтилен признан самым популярным полимером в мире. Он легко поддается переработке и может быть многократно использован. В большинстве процессов переработки возможно созидание изделий из полиэтилена без необходимости в специальной предварительной подготовке, такой как сушка. Индустрия производит огромное количество полимерных концентратов и добавок на основе ПЭ. Многие из них успешно применяются для объемного окрашивания как изделий из других полиолефинов, так и изделий из других полимеров.
При экструзии полиэтилена производятся пленки, которые идут в повседневном использовании на всех этапах — как в чистом виде, так и в форме упаковок, в сельском хозяйстве, а также в производстве полиэтиленовых труб для водо- и газоснабжения, оболочек для кабелей, листов, вспененных профилей и многих других изделий.
Метод литья под давлением используется для производства множества видов упаковки, включая крышки, пробки и контейнеры. Также данного метода придерживаются в изготовлении медицинских изделий, бытовых товаров, канцелярских принадлежностей и игрушек.
Полиэтилен может перерабатываться различными способами, включая экструзию, литье под давлением, ротационное формование, каландрирование и листовую формовку с использованием сжатого воздуха или вакуумом.
Среди редких специализированных видов полиэтилена, такие как сшитый, хлорсульфированный и сверхвысокомолекулярный полиэтилен, находят применение в различных отраслях, преимущественно в строительстве. Например, сверхвысокомолекулярный полиэтилен используется в составах для изготовления оболочек оптоволоконных кабелей, в то время как армированный полиэтилен может служить в качестве строительного материала. Изделия из полиэтилена легко соединяются всеми известными методами, включая тепловой, газовый, наполнительный стержень и трение.
Для достижения оптимальных потребительских свойств при переработке добавляют регранулят, который может составлять до 80% в зависимости от качества.
Применение полиэтилена
Полиэтилен очень присутствует в повседневной жизни.
Полиэтиленовая пленка используется для упаковки продуктов питания, а пузырчатая пленка — для транспортировки хрупких материалов. В сельском хозяйстве полипропиленовые пленки применяются для покрытия теплиц, что способствует повышению температуры внутри и, соответственно, повышению урожайности продукции.
Полиэтилен также используется для производства различных сосудов, таких как бутылки, коробки и емкости для жидкостей, включая агрессивные химикаты, а также для сельского хозяйства: лейки и горшки для рассады.
В строительстве полиэтилен находит применение при производстве канализационных, дренажных, газовых и водопроводных труб.
Полиэтиленовый порошок используется в качестве компонента для изготовления клеев-расплавов.
Хотя это может показаться странным, однако полиэтилен также используется в производстве пуленепробиваемых жилетов, в корпусах судов и в двигателях некоторых технических устройств.
Пенополиэтилен служит в качестве материала для теплоизоляции.
Высокий полиэтилен используется для производства резервуаров для хранения опасных твердых и жидких отходов, тем самым защищая окружающую среду.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен уникален, так как он не содержит низкомолекулярных добавок и характеризуется высокой линейностью и молекулярной массой, что делает его полезным в медицине, где его применяют для замены суставного хряща. Тем не менее, область применения этого материала сравнительно ограничена, так как переработка представляет собой серьезную трудность.
Экология и вторичное использование
Несмотря на удобство использования полиэтилена, его утилизация представляет собой серьезную проблему. Из-за этого многие страны вводят ограничения на производство, продажу и использование пластиковых пакетов.
Материал перерабатывается обычными для пластмасс методами, такими как литье под давлением и экструзия.
Также полиэтилен можно сжигать, но при этом в атмосферу выбрасывается большое количество продуктов сгорания, поэтому этот способ требует особого внимания.
Полиэтилену удается возвращаться в производственный цикл: исходные отходы сначала промываются, затем измельчаются и очищаются от влаги и остатков в центрифуге, после чего подвергаются последующей промывке и отправляются на сушку. В итоге получается перерабатываемое сырье, которое можно использовать в новых приложениях. Так, в процессе экструзии переработанный полиэтилен становится трубами или пленкой.
Отметим также, что природа пытается справиться с негативным воздействием полиэтилена. Разработаны даже специфические плесени, которые способны «перерабатывать» полиэтилен, при этом они были «подготовлены» специальной обработкой азотной кислоты в течение трех месяцев.
На нашей планете созданы все условия для жизни человека, и поэтому мы должны использовать их с уважением и бережно относиться к окружающей среде. К примеру, раздельный сбор отходов по разным контейнерам является вполне простой, но очень важной мерой, способствующей сохранению нашей планеты и созданию новых полезных материалов.
ПЭВП (полиэтилен высокой плотности) изготавливается при низком давлении в реакторе. Синтез осуществляется с помощью трех основных типов полимеризационных процессов: суспензия, раствор и газовая фаза.
Свойства полиэтилена
Если говорить о характеристиках полиэтилена, то стоит отметить, что свойства различных видов этого полимера могут значительно различаться. Давайте подробнее рассмотрим два наиболее распространенных типа.
ПЭ высокого давления (LDPE)
Молекулярная масса ПЭВД однозначно варьируется в диапазоне от 30 000 до 400 000 атомов.
Индекс текучести расплава (MFR) колеблется от 0,2 до 20 г/10 мин, что зависит от конкретной марки.
Степень кристалличности ПЭВД составляет примерно 60 процентов.
Температура стеклования для данного типа полиэтилена — минус 4 градуса Цельсия.
Температура плавления колеблется от 105 до 115 градусов Цельсия.
Плотность составляет около 930 кг/м³.
Технологическая усадка при переработке варьируется от 1.5 до 2 %.
Наиболее заметным свойством структуры полиэтилена высокого давления является его разветвленная структура, что обуславливает его низкую плотность, образованную рыхлой аморфно-кристаллической структурой на молекулярном уровне.
ПЭ низкого давления (HDPE)
Молекулярная масса ПЭВП составляет от 50,000 до 1,000,000 атомных единиц.
Индекс текучести расплава (MFR) колеблется от 0,1 до 20 г/10 мин, что зависит от марки.
Степень кристалличности ПЭВП варьируется от 70 до 90 процентов.
Температура стеклования в этом случае — 120 градусов Цельсия.
Температура плавления находится в диапазоне от 130 до 140 градусов Цельсия.
Плотность ПЭВП составляет около 950 кг/м³.
Технологическая усадка при переработке составляет 1.5-2.0 процента.
Общие свойства полиэтиленов
Полиэтилен обладает низкой газопроницаемостью. Химическая стойкость этого полимера зависит от молекулярной массы и плотности. ПЭ инертен к разбавленным и концентрированным растворам оснований, многим солям, некоторым сильным кислотам, органическим растворителям, жирам и маслам. Тем не менее, не стоит забывать, что полиэтилен не устойчив к 50% азотной кислоте и к галогенам, таким, как чистый хлор и бром. Также стоит отметить, что бром и йод могут диффундировать через полиэтилен.
По физическим характеристикам полиэтилен является гибким и в то же время достаточно жестким материалом (при этом ПЭНП более мягкий, чем ПЭВП). Морозостойкость изделий из полиэтилена может достигать до минус 70 градусов Цельсия. Этот полимер характеризуется высокой ударной прочностью, вязкостью и хорошими диэлектрическими свойствами. Уровень поглощения воды и водяного пара полимером незначителен. С физиологической и экологической точки зрения полиэтилен считается нейтральным и инертным веществом без запаха и вкуса.
Говоря об эксплуатационных свойствах полиэтилена, следует отметить, что разрушение этого материала в атмосфере начинается при температуре около 80 градусов Цельсия. Полиэтилен, не содержащий специальных добавок, не устойчив к ультрафиолетовому излучению и солнечной радиации и поэтому легко подвергается фотодеградации. Чтобы уменьшить эти последствия, в состав добавляют стабилизаторы, например, технический углерод, который стабилизирует свет. Полиэтилен не выделяет в окружающую среду вредных и токсичных для здоровья веществ, но его разложение происходит чрезвычайно медленно — этот процесс может занять десятилетия. Кроме того, ПЭ считается легковоспламеняющимся и горючим материалом, что следует принимать во внимание.
Какую продукцию можно изготовить?
Использование переработанных гранул полиэтилена имеет некоторые ограничения: их нельзя применять для производства упаковки для пищевых продуктов или фармацевтических препаратов.
При производстве вторичной парниковой пленки добавляют светостабилизирующие вещества, которые предотвращают или замедляют старение пленки под влиянием ультрафиолетового света.
Чтобы добиться оптимальных потребительских свойств, в качестве добавки вводят регранулят, доля которого может достигать 80%, в зависимости от качества.
Переработанный ПЭВД может использоваться без ограничений для производства следующих изделий:
- Мешки для мусора и вкладыши для мусорных ведер.
- Влаго- и пароизоляционные мембраны.
- Безнапорные трубы.
- Декоративные элементы.
- Садовая мебель.
- Черепица, брусчатка и прочие строительные элементы.
- Композитные панели.
Для изготовления готовой продукции используются следующие технологии:
- Литье под давлением.
- Экструзия.
- Объемная и плоская листовая экструзия.
Применение полиэтилена
Полиэтилен остается одним из самых распространенных полимеров в мире благодаря своей доступности и возможности переработки. Практически все существующие сегодня технологии переработки позволяют производить изделия на основе полиэтилена. Нет необходимости в специальной подготовке отходов перед переработкой, например, их можно не сушить. Промышленность концентратов полимеров и добавок активно производит разнообразные суперконцентраты на основе ПЭ и других полимеров. Эти материалы могут использоваться для объемного окрашивания изделий, не только из других полиолефинов, но также и других видов полимеров.
При экструзии полиэтилена выпускаются пленки, которые широко используются при упаковке, в сельском хозяйстве, а также в виде труб для водо- и газоснабжения, оболочек для кабелей, листов, вспененных профилей и других изделий.
Метод литья под давлением применяют для производства упаковки, таких как крышки, пробки и коробки. Кроме того, медицинские изделия, домашние приборы, канцелярские товары и игрушки также изготавливаются с использованием этого метода.
Методы переработки полиэтилена включают экструзию, литье под давлением, ротационное формование, каландрирование и листовую штамповку с использованием вакуума или сжатого воздуха.
Некоторые из редких специализированных видов полиэтилена, таких как сшитый, хлорсульфированный и сверхвысокомолекулярный полиэтилен, находят применение в различных отраслях, включая строительство. Например, сверхвысокомолекулярный полиэтилен служит для создания оболочек оптоволоконных кабелей. Армированный полиэтилен, по сравнению с чистым полимером, может использоваться в качестве строительного материала. Изделия из полиэтилена, как правило, легко свариваются различными методами, включая тепловой, газовый, наполнительный стержень и трение.
Плотность полиэтилена не оказывает значительного влияния на его электрические свойства. Однако примеси, содержащиеся в полиэтилене высокой плотности, могут увеличить диэлектрические потери. В то же время, благодаря низким диэлектрическим потерям, полиэтилен может использоваться как ценный диэлектрик в широком диапазоне частот и температур.
Когда появился полиэтилен
Этот материал стал известен только в конце 19 века. Его можно назвать первым полимером, так как в 1899 году он был впервые случайно получен немецким химиком Гансом фон Пехманом. Однако, ввиду недостатка знаний о свойствах, этот материал долго не использовался. Лишь в 1930 году полиэтилен был впервые использован в качестве изоляционного материала для силовых кабелей. После детального изучения его свойств было установлено, что данный материал является химически нейтральным. Именно по этой причине полиэтилен стал масштабно использоваться для упаковки пищевых продуктов с 1950 года, заменив бумагу, которая использовалась до того времени.
Процесс производства полиэтилена включает сложные химические реакции, в результате которых углеводородные молекулы этилена полимеризуются, образуя прочный и стабильный материал. Конечные свойства получаемого полиэтилена зависят от условий, в которых происходит реакция полимеризации, включая соотношение компонентов, уровень давления и температурные условия.
По своей сути, ПЭ преимущественно производится в виде маленьких гранул (размером от 2 до 5 мм), которые позже закупаются производственными компаниями. Эти гранулы расплавляют и формуют в различные изделия. Это возможно благодаря применяемым в производственных процессах способам экструзии или формовки.
Физические и химические характеристики
Часто у людей возникает заблуждение, что целлофан и полиэтилен — это один и тот же материал. Это не так; эти два полимера обладают совершенно отличительными свойствами. Для определения, изготовлен ли продукт из полиэтилена, можно использовать метод сжигания. Пламя, образующееся при сгорании полиэтилена, имеет голубоватый цвет и не дает значительного света. Запах от горения напоминает аромат сгоревшего парафина. Полимер не выделяет дымы, как это происходит с другими видами пластика, и его запах аналогичен аромату горящей свечи.
Основные химические свойства материала заключаются в следующем:
- не вступает в реакцию с кислотами и щелочами в высоких концентрациях,
- подвержен эффекту старения,
- поддается растворению только при нагревании.
Изделия из полиэтилена демонстрируют высокую химическую стойкость. Даже при воздействии концентрированных кислот и щелочей они остаются неповрежденными. Эта важная характеристика материала дала толчок к созданию контейнеров для хранения химических реактивов, например, таких как серная кислота. Чтобы разрушить полиэтилен при комнатной температуре, необходимо воздействовать на него 50% азотной кислотой в сочетании с хлором или фтором в газовой форме. Эти условия возможно создать только искусственно, поэтому полиэтилен не может быть разрушен непреднамеренно.
Растворение полиэтилена возможно с использованием циклогексана или четыреххлористого углерода при температуре 80 °C. Полиэтилен не разбухает под влиянием влаги, благодаря своим водоотталкивающим свойствам. Он также подходит для производства зубных протезов, при контакте с живыми тканями тела не происходит никаких химических реакций.
Важно упомянуть, что полиэтилен подвержен старению. Он постепенно разлагается, становясь довольно хрупким. В процессе разложения образуются альдегиды и H2O2 (перекись водорода). Что касается этого явления, его можно считать как положительным, так и отрицательным. Позитивный аспект заключается в том, что полиэтилен, как правило, используется для изготовления одноразовой упаковки, которая выбрасывается после использования. Со временем этот материал разлагается, образуя простые соединения. На воздухе и под воздействием ультрафиолетового излучения процессы старения протекают быстрее.
К числу ценных физических свойств полиэтилена можно отнести:
- это диэлектрик,
- выступает отличным изолятором,
- обладает низкой теплопроводностью и высокой прочностью.
Полиэтилен отлично подходит для создания непроводящих изделий. Благодаря этому он используется в качестве изолятора в электрических кабелях. Кроме того, он используется для создания гидроизоляционных мембран. ПЭ также применяем для создания мембран, которые используют в фундаментных работах, бассейнах и других конструкциях. Данное применение обусловлено его способностью отталкивать воду и стойкостью к воздействию химических веществ.
Полиэтилен характеризуется высокой прочностью, что позволяет его использование для изделий, подвергающихся большим нагрузкам (например, расширение, давление). Наиболее уместным примером будут водопроводные трубы из полиэтилена. Более того, они проявляют хорошую устойчивость к коррозии и не растворяются в агрессивных средах.
Самые популярные виды
Существует множество типов полиэтилена, каждый из которых требует своих условий для реакции полимеризации. Разделение существует на различных уровнях:
- Ультрамолекулярный.
- Линейный.
- HDPE (полиэтилен высокого давления).
- PSD (полиэтилен среднего давления).
- LDPE (полиэтилен низкого давления).
ПЭНП имеет сравнительно низкую плотность, что делает его самой гибкой и мягкой формой среди всех видов полиэтилена. На ощупь он отличается гладкостью и умеренной прозрачностью. Продукты из этого материала имеют часто глянцевую поверхность. Он широко используется для производства резиновых листов различных типов. ПЭВД производится путем полимеризации этилена при температуре 190-300 °C и давлении 130-250 МПа, при использовании инициаторов реакции, таких как кислород, бензоил, лаурил или их смеси.
Полиэтилен среднего давления изготавливается при следующих условиях: Давление 2,5-7 МПа, температура 130-240 °C с добавлением окислительных катализаторов, таких как Cr₂O₃. В результате такой химической реакции образуются хлопья, которые осаждаются в растворе. Его степень кристалличности примерно на 30% выше, чем у полиэтилена высокого давления. Кроме того, данный материал имеет более высокую плотность по сравнению с LDPE.
Плотность ПЭВД особенно высокая, что делает этот материал пригодным для создания различных машинных деталей, которые подвергаются высоким нагрузкам. Для производства ПЭВД необходимы следующие условия: температура — 60-80 °C, давление — 0,2-0,6 МПа (реакция возможна и при атмосферном давлении), а также участие сложных металлоорганических катализаторов.
Линейный полиэтилен объединяет характеристики предыдущих типов ПЭ. Он обладает такой же высокой прочностью, как ПЭНД, и эластичностью, как ПЭВД. Поэтому этот материал часто применяется для производства пленок. Самым сложным в производстве является ультрамолекулярный полиэтилен, однако получаемый с его помощью материал превосходит все остальные виды полиэтилена. Он с успехом используется для создания композитных деталей машин.
Самый первый шаг — это регистрация вашей компании, будь то акционерное общество или общество с ограниченной ответственностью. Необходимы также соответствующие разрешения от различных инстанций.
Краткий исторический очерк
Изучение полимеризации этилена началось с А. М. Бутлеровым. В 1884 году впервые низкомолекулярный полимер этилен был синтезирован Густавсоном в России. Однако долгое время удавалось получать только полимеры с низкой молекулярной массой (менее 500), которые представляли собой вязкие жидкости и использовались лишь в технических приложениях как синтетические смазочные масла.
В 1930-х годах в Англии и Советском Союзе в лабораторных условиях при давлении более 50 МПа и температуре около 180 °C было впервые получено твердый полиэтилен с высокой молекулярной массой.
Промышленный процесс получения полиэтилена под высоким давлением был осуществлен в Англии в 1937 году. В 1952 году Циглер открыл катализаторы на основе комплекса триэтилалюминия и тетрахлорида титана, которые вызывали полимеризацию этилена под низким давлением до получения твердого продукта с высокой молекулярной массой.
В последующие годы компания Phillips (США) разработала новый катализатор для полимеризации этилена под средним давлением на основе оксидов металлов с переменной валентностью (оксид хрома), который осаждали в алюмосиликате. Полимеризацию этилена проводили при давлении 3,5-7,0 МПа в инертной углеводородной среде (пентан, гексан, октан и др.).
В 1970-75 годах в сотрудничестве со специалистами по СПГ был разработан и внедрен в промышленность Советского Союза новый процесс получения полиэтилена под высоким давлением в конденсированной газовой фазе (так называемый процесс «Полимир»).
В последние годы были выработаны эффективные методы получения полиэтилена в присутствии различных катализаторов. Наиболее интересные из них — это создание полиэтилена низкого давления в газовой фазе при использовании катализаторов на основе органических соединений хрома на силикатной основе при давлении 2,2 МПа и температуре 85-100 °C, а также производство линейного полиэтилена в газовой фазе в кипящем слое с помощью высокоэффективного катализатора на основе хрома при давлении 0,68-2,15 МПа и температуре 100 °C (процесс Unipol). Оба процесса реализуются на одном и том же оборудовании.
На сегодняшний день в промышленности используются следующие методы производства полиэтилена:
Полимеризация этилена под высоким давлением (150-350 МПа и теми же условиями температуры 200-300 °C) в конденсированной газовой фазе с использованием инициаторов (кислород, органические пероксида). Полученный полиэтилен имеет плотность 916-930 кг/м³ и называется полиэтиленом высокого давления (ПВД) или полиэтиленом низкой плотности (ПНД).
Полимеризация этилена высокое давление (0,2-0,5 МПа) и температура примерно 80 °C в суспензии (в среде органического растворителя) в сочетании с металлоорганическими катализаторами. Полиэтилен, полученный в ходе такой реакции, имеет плотность 959–960 кг/м³. Полимеризация этилена в условиях, где применяется металлоорганический катализатор, производится при давлениях 2,2 МПа и температурах 90-105 °C в газовой фазе (без растворителя). В этом случае плотность получаемого полиэтилена составляет 950-966 кг/м³ и называется полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП) или полиэтиленом высокой плотности (ПЭВП).
Полимеризация этилена при среднем давлении (3-4 МПа) и температуре 150 °C в растворе с применением катализаторов — оксидов металлов различной валентности (полиэтилен имеет плотность около 960-970 кг/м³). Производимый полиэтилен также носит название полиэтилен средней плотности (MDPE) или полиэтилен высокой плотности.
Свойства полиэтилена
Полиэтилен — это термопластичный полимер, плотность которого варьируется от 910 до 970 кг/м³ с температурой размягчения 110-130 °C. Производимый полиэтилен варьируется по следующим критериям:
- Плотность
- Молекулярная масса
- Степень кристалличности.
Таблица 1: Различия между ПЭВД и ПЭНД по плотности, молекулярной массе и степени кристалличности
| Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) | Полиэтилен высокой плотности (ПЭВД) | |
| Плотность, кг/м³ | 910-930 | 950-970 |
| Молекулярная масса | 80,000-500,000 | 80,000-800,000 |
| Кристалличность, % | 50-65 | 75-90 |
В зависимости от заданных свойств и предназначения полиэтилен выпускается в различных марках, которые могут отличаться по плотности, индексу текучести расплава и наличию или отсутствию стабилизаторов.
Таблица 2: Основные физико-механические свойства полиэтиленов:
| Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) | Полиэтилен высокой плотности (ПЭВД) | |
| Разрывное напряжение, МПа | причина не высокого | полиэтилен высокой плотности1 |
На основании вышесказанного, можно с уверенностью сказать, что полиэтилен оказался одним из самых универсальных и востребованных материалов, использующихся в современном производстве. С каждым годом его применение расширяется, а технологии переработки и производства все улучшатся, чтобы соответствовать требованиям современного общества и экологии.
