Полиэтилен

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Полиэтилен
Polyethylene-repeat-2D.png
Полиэтилен
Международный знак вторичной переработки для полиэтилена высокой плотности
Международный знак вторичной переработки для полиэтилена высокой плотности

Международный знак вторичной переработки для полиэтилена низкой плотности
Международный знак вторичной переработки для полиэтилена низкой плотности

Общие
Сокращения ПЭ, PE
Хим. формула (СH2)n
Классификация
Рег. номер CAS 9002-88-4
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иначе.

Полиэтиле́н — термопластичный полимер этилена. Является органическим соединением и имеет длинные молекулы …—CH2—CH2—CH2—CH2—…, где «—» обозначает ковалентные связи между атомами углерода. Самая распространённая в мире пластмасса[1].

Представляет собой воскообразную массу белого цвета (тонкие листы прозрачны и бесцветны). Химически- и морозостоек, изолятор, не чувствителен к удару (амортизатор), при нагревании размягчается (80—120°С), при охлаждении застывает, адгезия (прилипание) — чрезвычайно низкая. Иногда в народном сознании отождествляется с целлофаном — похожим материалом растительного происхождения.

История[править | править вики-текст]

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[2].

Названия[править | править вики-текст]

Полиэтилен высокой плотности (низкого давления) имеет общепринятое сокращение ПНД или в иностранной аббревиатуре HDPE (High Density Polyethylene), а полиэтилен низкой плотности (высокого давления) соответственно ПВД или LDPE (Low Density Polyethylene).

Молекулярное строение[править | править вики-текст]

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 ПЭВД по сравнению с ПЭНД и ПЭСД.

Показатели, характеризующие строение полимерной цепи различных видов полиэтилена:
Показатель ПЭВД ПЭСД ПЭНД
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 (Пример винилдиеновой двойной связи), % 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 высокого давления LDPE (Low-Density PE - низкая плотность)[править | править вики-текст]

Физико-химические свойства ПЭНД 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, ºС
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 ПЭВД 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

Необходимо отметить, что свойства изделий из полиэтилена будут существенно зависеть от режимов их изготовления (скорости и равномерности охлаждения) и условий эксплуатации (температуры, давления, продолжительности. воздействия нагрузки и т. п.).

Полиэтилен низкого давления HDPE (High-Density PE - высокая плотность)[править | править вики-текст]

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности[править | править вики-текст]

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.[3]

Химические свойства[править | править вики-текст]

Горит голубоватым пламенем, со слабым светом[4], при этом издаёт запах парафина[5], 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 разлагается при действии 50%-ой азотной кислоты при комнатной температуре и под воздействием жидкого и газообразного хлора и фтора. В отличие от непредельных углеводородов, не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия[4].

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, деструктурирует 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.

Получение[править | править вики-текст]

На обработку поступает в виде гранул от 2 до 5 мм. Полиэтилен получают полимеризацией этилена:

Получение полиэтилена высокого давления[править | править вики-текст]

Полиэтилен высокого давления (ПЭВД), или Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), образуется при следующих условиях:

в автоклавном или трубчатом реакторах. Реакция идёт по радикальному механизму. Получаемый по этому методу полиэтилен имеет средневесовой молекулярный вес 80 000—500 000 и степень кристалличности 50-60 %. Жидкий продукт впоследствии гранулируют. Реакция идёт в расплаве.

Получение полиэтилена среднего давления[править | править вики-текст]

Полиэтилен среднего давления (ПЭСД) образуется при следующих условиях:

продукт выпадает из раствора в виде хлопьев. Получаемый по этому методу полиэтилен имеет средневесовой молекулярный вес 300 000—400 000, степень кристалличности 80-90 %.

Получение полиэтилена низкого давления[править | править вики-текст]

Полиэтилен низкого давления (ПЭНД), или Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), образуется при следующих условиях:

  • температура 120—150 °C;
  • давление ниже 0.1 — 2 МПа;
  • присутствие катализатора (катализаторы Циглера—Натта, например, смесь TiCl4 и AlR3);

Полимеризация идёт в суспензии по ионно-координационному механизму. Получаемый по этому методу полиэтилен имеет средневесовой молекулярный вес 80 000—300 000, степень кристалличности 75-85 %.

Следует иметь в виду, что названия «полиэтилен низкого давления», «среднего давления», «высокой плотности» и т. д. имеют чисто риторическое значение. Так, полиэтилен, получаемый по 2- и 3-му методам, имеет одинаковую плотность и молекулярный вес. Давление в процессе полимеризации при так называемых низком и среднем давлениях в ряде случаев одно и то же.

Другие способы получения полиэтилена[править | править вики-текст]

Существуют и другие способы полимеризации этилена, например под влиянием радиоактивного излучения, однако они не получили промышленного распространения.

Модификации полиэтилена[править | править вики-текст]

Ассортимент полимеров этилена может быть значительно расширен получением сополимеров его с другими мономерами, а также путём получения композиций при компаундировании полиэтилена одного типа с полиэтиленом другого типа, полипропиленом, полиизобутиленом, каучуками и т. п.

На основе полиэтилена и других полиолефинов могут быть получены многочисленные модификации — привитые сополимеры с активными группами, улучшающими адгезию полиолефинов к металлам, окрашиваемость, снижающими его горючесть и т. д.

Особняком стоят модификации так называемого «сшитого» полиэтилена ПЭ-С (PE-X). Суть сшивки состоит в том, что молекулы в цепочке соединяются не только последовательно, но и образуются боковые связи которые соединяют цепочки между собой, за счёт этого достаточно сильно изменяются физические и в меньшей степени химические свойства изделий.

Различают 4 вида сшитого полиэтилена (по способу производства): пероксидный (а), силановый (b), радиационный (с) и азотный (d). Наибольшее распространение получил РЕх-b, как наиболее быстрый и дешёвый в производстве.

Применение[править | править вики-текст]

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 ПЭНД и ПЭВД своими физическими свойствами, применяется редко из-за трудности его переработки, так как обладает низким ПТР и перерабатывается только литьём.

Утилизация[править | править вики-текст]

Переработка[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

При нагревании полиэтилена на воздухе выше 120 °С возможно выделение в атмосферу летучих продуктов термоокислительной деструкции, содержащих уксусную кислоту, формальдегид (оказывает общетоксичное действие), ацетальдегид (вызывает раздражение слизистых оболочек верхних дыхательных путей, удушье, резкий кашель, бронхиты, воспаление легких), оксид углерода (вызывает удушье).

См. также[править | править вики-текст]

Примечание[править | править вики-текст]

  1. Piringer, Otto G.; Baner, Albert Lawrence (2008). Plastic packaging: interactions with food and pharmaceuticals (2nd ed.). Wiley-VCH. ISBN 9783527314553.
  2. История полиэтилена: неожиданное рождение пластикового пакета
  3. Сайт Polymeri.ru " Сверхвысокомолекулярный полиэтилен: рынок в ожидании переработчиков"
  4. 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.
  5. Шульпин Г. Эти разные полимеры // Наука и жизнь. — 1982. — № 3. — С. 80—83.
  6. Сжать и провернуть: Сделано в России
  7. Доспехи XXI века
  8. Total Petrochemicals создала ротомолдинговую лодку из полиэтилена
  9. Геомембрана HDPE

Ссылки[править | править вики-текст]