| Полиэтилен | |
|---|---|
 | |
 | |
 Международный знак вторичной переработки для полиэтилена высокой плотности  Международный знак вторичной переработки для полиэтилена низкой плотности | |
| Общие | |
| Сокращения | ПЭ, PE |
| Хим. формула | (С2H4)n |
| Классификация | |
| Рег. номер CAS | 9002-88-4 |
| Рег. номер EINECS | 618-339-3 |
| ChEBI | 53227 |
| Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного. | |
Полиэтиле́н — термопластичный полимер этилена, относится к классу полиолефинов[1]. Является органическим соединением и имеет длинные молекулы …—CH2—CH2—CH2—CH2—…, где «—» обозначает ковалентные связи между атомами углерода.
Представляет собой массу белого цвета (тонкие листы прозрачны и бесцветны). Химически стоек, диэлектрик, не чувствителен к удару (амортизатор), при нагревании размягчается (80—120°С), адгезия (прилипание) — чрезвычайно низкая. Часто неверно называется целлофаном[2].
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. 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, 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 завершились успешно, получением патента на полиэтилен низкой плотности (ПЭНП). Коммерческое производство ПЭНП было начато в 1938 году[4].
История полиэтилена высокой плотности (ПЭВП или ПЭНД) развивалась с 1920-х, 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 ПЭНД[4].
Названия
Различные виды полиэтилена принято классифицировать по плотности[5]. Несмотря на это, имеется множество ходовых названий гомополимеров и сополимеров, часть из которых приведена ниже.
- Полиэтилен низкой плотности (высокого давления) — ПЭНП[6], ПЭВД, ПВД, LDPE (Low Density Polyethylene).
- Полиэтилен высокой плотности (низкого давления) — ПЭВП[6], ПЭНД, ПНД, HDPE (High Density Polyethylene).
- Полиэтилен среднего давления (высокой плотности) — ПЭСД[6].
- Линейный полиэтилен средней плотности — ПЭСП[6], MDPE или PEMD[1].
- Линейный полиэтилен низкой плотности — ЛПЭНП[6], LLDPE или PELLD[1].
- Полиэтилен очень низкой плотности — VLDPE
- Полиэтилен сверхнизкой плотности — ULDPE
- Металлоценовый линейный полиэтилен низкой плотности — MPE
- Сшитый полиэтилен — PEX или XLPE, XPE.
- Высокомолекулярный полиэтилен — ВМПЭ, HMWPE или PEHMW или VHMWPE[1].
- Сверхвысокомолекулярный полиэтилен — UHMWPE
В данном разделе не рассматриваются названия разных сополимеров, иономеров и хлорированного полиэтилена.
Молекулярное строение
 | В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. |
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.
| 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 , % | 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 высокой плотности HDPE (High-Density - высокая плотность)
| 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
| 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 |
| 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.).
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.[7]
Химические свойства
Горит голубоватым пламенем, со слабым светом[8], при этом издаёт запах парафина[9], 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[8].
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.
Получение
На обработку поступает в виде гранул от 2 до 5 мм. Полиэтилен получают полимеризацией этилена:
Получение полиэтилена высокого давления
Полиэтилен высокого давления (ПЭВД), или Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), образуется при следующих условиях:
- температура 200—260 °C;
- давление 150—300 МПа;
- присутствие инициатора (кислород или органический пероксид);
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
Полиэтилен среднего давления (ПЭСД) образуется при следующих условиях:
- температура 100—120°C;
- давление 3—4 МПа;
- присутствие катализатора (катализаторы Циглера — Натта, например, смесь TiCl4 и AlR3);
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
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
Существуют и другие способы полимеризации этилена, например под влиянием радиоактивного излучения, однако они не получили промышленного распространения.
Модификации полиэтилена
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
- Полиэтиленовая плёнка (особенно упаковочная, например, пузырчатая упаковка или скотч),
- Тара (бутылки, банки, 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 следующие марки: МультиФлекс, Изоком, Изолон, Порилекс, Алентекс
- Полиэтилен низкого давления (ПЭНД), или высокой плотности (HDPE), применяется при строительстве полигонов переработки отходов, накопителей жидких и твёрдых веществ, способных загрязнять почву и грунтовые воды.[13]
- Полиэтилен низкого давления широко применяется в благоустройстве придомовых территорий и детских площадок, отодвигая фанеру и дерево на второй план, ведь срок использования скатов из ПНД более 15 лет в то время как у "деревянных аналогов" срок использования всего 10 лет причем через 3-5 лет дерево теряет товарный вид
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 прессованием.
Для борьбы с загрязнением окружающей среды полиэтиленовыми пакетами применяются различные меры, и уже 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.
Биоразложение
Плесневые грибки Penicillium simplicissimum способны за три месяца частично утилизировать полиэтилен, предварительно обработанный азотной кислотой. Относительно быстро разлагают полиэтилен бактерии Nocardia asteroides. Некоторые бактерии, обитающие в кишечнике южной амбарной огнёвки (Plodia interpunctella), способны разложить 100 миллиграммов полиэтилена за восемь недель. Гусеницы пчелиной огнёвки (Galleria mellonella) могут утилизировать полиэтилен еще быстрее[14][15].
См. также
Примечание
- 1 2 3 4 Описание и марки полимеров - Полиэтилен
- ↑ Король упаковки: как появился целлофан
- ↑ История полиэтилена: неожиданное рождение пластикового пакета
- 1 2 Дж. Уайт, Д.Чой.// Полиэтилен, полипропилен и другие полиолефины. — СПб.: Профессия, 2007.
- ↑ Vasile C., Pascu M.// Practical Guide to Polyethylene. — Shawbury: Smithers Rapra Press, 2008.
- 1 2 3 4 5 Кулезнев В. Н. (ред.), Гусев В. К. (ред.)// Основы технологии переработки пластмасс. — М.: Химия, 2004.
- ↑ Сайт Polymeri.ru " Сверхвысокомолекулярный полиэтилен: рынок в ожидании переработчиков"
- 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.
- ↑ Шульпин Г. Эти разные полимеры // Наука и жизнь. — 1982. — № 3. — С. 80—83.
- ↑ Сжать и провернуть: Сделано в России
- ↑ Доспехи XXI века
- ↑ Total Petrochemicals создала ротомолдинговую лодку из полиэтилена
- ↑ Геомембрана HDPE
- ↑ Русакова Е. Гусеницы приспособились к скоростному перевариванию полиэтилена. N+1 Интернет-издание (25 апреля 2017). Проверено 25 апреля 2017.
- ↑ 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.
Ссылки
- ГОСТ 16338-85 (Взамен ГОСТ 16338-77) Полиэтилен низкого давления
- ГОСТ 16336-77. Композиции полиэтилена для кабельной промышленности. Технические условия.
Данная страница на сайте WikiSort.ru содержит текст со страницы сайта "Википедия".
Если Вы хотите её отредактировать, то можете сделать это на странице редактирования в Википедии.
Если сделанные Вами правки не будут кем-нибудь удалены, то через несколько дней они появятся на сайте WikiSort.ru .