Что такое полиэтилен в химии
Виды и свойства полиэтилена
Полиэтиленовые пакеты знают все. В них упаковывают конфеты, фрукты, рыбу, бытовые товары. Но мало кто задумывается о том, из чего их получают. Познакомимся с пакетами поближе.
Характеристика полиэтилена
Полиэтилен – полимер этилена. Органическое соединение, имеющее формулу:—CH2—CH2—CH2—CH2—. Связь между атомами углерода – ковалентная.
Свойства полиэтилена
Полиэтилен представляет собой массу белого цвета. Тонкие листы полиэтилена бесцветные или прозрачные.
Обладает следующими свойствами:
Но данный минус может быть переведен в плюс: возможно использование данной реакции для утилизации полимера, получения новых соединений.
Мономер этилен подвергают полимеризации двумя способами, в зависимости от способа получения выделяют полиэтилен высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления.
Также среди собратьев выделяют класс линейного полиэтилена.
Полиэтилен высокого давления
Свойства находятся в зависимости от плотности. Чем выше плотность, тем выше прочность, жесткость, твердость, стойкость к действию химических реагентов.
Полиэтилен низкого давления
Свойства также определяются плотностью. Повышение прочности приводит к увеличению жесткости, химической стойкостью, но при этом уменьшается ударопрочность при низких температурах, проницаемость для газов. Материал инертен к биопоражению. Но с легкостью подвергается переработке.
Виды полиэтилена
Полиэтилен нашел широкое применение у потребителей. Растущий к материалу интерес был двигателем науки, создавались все новые и новые материалы, обладающие новыми свойствами. В настоящее время можно выделить четыре основные группы полиэтилена. Способ получения, определяет свойства, которыми награжден материал, ну а свойства, определяют область использования.
Четыре основных вида полиэтилена:
Следует отметить, что полиэтилен среднего и низкого давления, это достаточно условное разделение, так как получаемый материал имеет одинаковую плотность и молекулярную массу, и схожие условия синтеза.
Существует дополнительная классификация полиэтилена, так сказать более специфическая. Данные материалы применяют для строительных, медицинских нужд.
Получение полиэтилена
Основным сырьем для получения служит чистый этилен. Определены две основные химические технологии получения полиэтилена:
По данным технологиям получают два вида материала:
Полиэтилен высокого давления
Синтезируется при давлении 150-300 МПа, температуре 200-2600С, в присутствии кислородсодержащего катализатора – кислород, перекись водорода.
Технология получения протекает через образование промежуточного соединения с последующим его распадом.
Радикалы, которые образуются, являются основоположниками полимеризации мономера.
Технологию получения можно представить следующими стадиями:
Полиэтилен низкого давления
Название говорит само за себя. В технологии получения используют низкое давление. Исходным сырьем является также мономер – этилен.
По способу получения разделяют:
Реакции, протекающие в жидкой фазе, нашли более широкое применение, нежели в газовой.
Процесс в жидкой среде протекает при высокой температуре до 25000 С. При этом установленном давлении, находящемся в диапазон 3,4-5,3 МПа.
Контакт с катализатором недолгий и составляет всего 10-15 минут.
Из реакционной смеси продукт выделяют удалением растворителя. Этот процесс протекает в испарителе, затем смесь передается в сепаратор, а из него в вакуумную камеру, где происходит уже грануляция. Полученный твердый продукт пропаривают водяным паром.
Применение полиэтилен
Полиэтилен очень широко распространен в нашей жизни.
Полиэтиленовая пленка применяется для упаковки продуктов товаров, пузырчатая пленка используется в перевозке хрупких материалов. В сельском хозяйстве полипропиленовыми пленками укрывают парники, для повышения температуры внутри них и сохранении тепла – это повышает урожайность.
Из полиэтилена производят различную тару – это и бутылки, ящики, канистры под различные, в том числе агрессивные жидкости, опять-таки для сельского хозяйства производят лейки и горшки для выращивания рассады.
В строительной сфере из полиэтилена производят канализационные, дренажные трубы, трубы газового и водоснабжения.
Из полиэтиленного порошка изготавливают термоклей.
Что может показаться удивительным, но также полиэтилен идет на производство бронежилетов, корпусов судоходных плавательных средств, двигателей некоторой технической аппаратуры.
Вспененный полиэтилен применяется в качестве теплоизолятора.
А полиэтилен высокого давления идет на строительство накопителей твердых и жидких отходов, опасных для окружающего мира.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен – это индивидум, но он специфичен. Не имеет низкомолекулярных добавок, характеризуется высокой линейностью, большой молекулярной массой. Применяется в медицинской области для замены хрящевой ткани суставов. Сфера применения, несмотря на выгодно отличающие его свойства, не очень велика. Так как этот полимер плохо поддается переработке.
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.
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.
Что такое полиэтилен
Полиэтилен – это материал, получаемый из этилена. Это термопластичный полимер, который в толстом слое становится непрозрачным. Его химическая структура – это цепочка атомов углерода, к каждому из которых присоединяется по две молекулы водорода.
Полиэтилен нашел широкое распространение среди упаковочных материалов, на то есть свои причины. Он устойчив к воздействию солей, водных растворов, щелочей и кислот. При температуре выше 60 градусов Цельсия азотная и серная кислота могут разрушить материал, но в обычных условиях он зарекомендовал себя как прочный, надежный, долговечный.
Современные производители предлагают изделия из полиэтилена двух разновидностей. Первую группу составляют материалы высокого давления или низкой плотности, а вторую – полиэтилен низкого давления или высокой плотности. Последние часто называют линейными полиэтиленами. Поскольку группы материалов различаются по свойствам: температуре плавления, плотности, прочности, твердости, их используют для различных целей. Тонкие пленки отличаются повышенной гибкостью и прозрачностью, а листы из данного материала являются жесткими и матовыми.
Как и любого состава, у полиэтилена есть и недостатки. Главным из них считается быстрое старение материала. Чтобы снизить воздействие данного фактора, в состав полимера производители вводят противостарители: специальные амины, фенолы, газовую сажу.
Какие изделия можно получить из полиэтилена? В первую очередь это пленки толщиной от 0,03 до 0,30 мм и шириной до 1400 мм. Помимо тонких пленок, из данного материала получают листы шириной до 1400 мм и толщиной в 1-6 мм. Они находят свое применение в качестве электроизоляционного и футировочного изделия. Меньшая часть полиэтилена идет на изготовление мешков, сумок, облицовки коробок и ящиков, а также на получение другой тары.
Пленки применяются при упаковке замороженных продуктов, а в сельском хозяйстве полиэтиленовые листы заменяют стекла в парниках и теплицах. Черная пленка способна задерживать тепло, поэтому используется при выращивании бобовых и плодово-ягодных культур, овощей. Также черной полиэтиленовой пленкой выстилают дно водоемов и каналов, силосные ямы. Все чаще данный материал используют для оформления навесов над оборудованием и транспортом, над помещениями для хранения урожая.
Если необходимо использовать материал повышенной прочности, то можно обратиться к армированному полиэтилену. Он состоит из двух пленок, между которыми проходят армирующие нити из природных или синтетических волокон. Иногда роль армирования выполняет редкая стеклянная ткань.
Таким образом, полиэтилен можно назвать универсальным упаковочным материалом, незаменимым в быту и на производстве.
Полиэтилен, виды, характеристики, свойства и получение
Полиэтилен, виды, характеристики, свойства и получение.
Полиэтилен – термопластичный полимер этилена. Является органическим соединением и имеет длинные молекулы.
Описание и характеристики полиэтилена:
Полиэтилен – термопластичный полимер этилена, относится к классу полиолефинов. Также называется политеном.
Химическая формула полиэтилена (С2H4)n. Молекулярный вес – до 500 000 г/моль.
Химическая формула этилена, из которого производится полиэтилен, C2H4. Рациональная формула этилена CH2=CH2.
В свою очередь полиолефины представляют собой класс высокомолекулярных соединений (полимеров), получаемых из низкомолекулярных веществ – олефинов (мономеров) – непредельных углеводородов (этилена, пропилена, бутилена и других альфа-олефинов). Они вырабатываются из нефти или природного газа путём полимеризации одинаковых (гомополимеризации) или разных (сополимеризации) мономеров в присутствии катализатора.
Полиэтилен внешне представляет собой твердую массу белого цвета (тонкие листы прозрачны и бесцветны).
Существует две модификации полиэтилена: линейный и нелинейные полиэтилен. Они отличаются друг от друга по структуре и соответственно по свойствам. В первой –линейной форме мономеры связаны в линейные цепи со степенью полимеризации обычно 5000 и более. Они не имеют боковых ответвлений от основной цепи. В другой – нелинейной форме имеются многочисленные боковые ответвления мономеров, которые присоединены к основной цепи случайным способом.
Полиэтилен проявляет различные свойства. Разнообразие свойств полиэтилена можно объяснить его молекулярной структурой, молекулярной массой и степенью кристалличности, которая, в свою очередь, зависит от молекулярной массы и степени ветвления мономеров. Чем меньше разветвлены полимерные цепи и чем меньше молекулярная масса, тем выше кристалличность полиэтилена и тем более он плотный. Таким образом, существует линейная зависимость между плотностью и степенью кристалличности.
Физические, химические и иные свойства полиэтилена:
– чистый полиэтилен имеет белый цвет, непрозрачен в толстом слое, тонкие листы прозрачны и бесцветны,
– имеет небольшой вес и различную плотность, которая зависит от разновидности и способа получения определенного вида полиэтилена,
– не чувствителен к удару, является амортизатором,
– имеет чрезвычайно низкую адгезию,
– характеризуется абсолютной водонепроницаемостью. Он не смачивается водой и не впитывает ее. Однако кратковременная обработка полиэтилена кислотой или окислителями приводит к окислению поверхности и смачиванию ее водой, полярными жидкостями и клеями. В этом случае изделия из полиэтилена можно склеивать,
– при нагревании до 80-120°С размягчается. Полиэтилен не способен противостоять высоким температурам, что не дает возможность использовать его в экстремальных условиях,
– полиэтилен в виде тонких пленок обладает высокой гибкостью и прозрачностью, а в виде листов становится жестким и непрозрачным,
– устойчив к действию воды,
– под действием солнечного света становится хрупким. В качестве добавки-стабилизатора от воздействия ультрафиолетового излучения используют углеродную сажу,
– является химически стойким веществом,
– 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 температурах выше 60 °С серная и азотная кислоты также быстро его разрушают.
– при комнатной температуре не растворяется в органических растворителях. При температуре выше 80 °С сначала набухает, а затем растворяется в ароматических углеводородах и их галогенопроизводных,
– из-за своей химической стойкости в естественной среде разлагается в течение порядка 500 лет, что существенно ухудшает экологическую обстановку. Поэтому для борьбы с загрязнением окружающей среды полиэтиленовыми пакетами около 40 стран ввели запрет или ограничение на продажу и (или) производство пластиковых пакетов. Однако если в состав полиэтилена ввести специальные добавки-деграданты время разложения в естественной среде составляет до 1,5-3 лет. Благодаря добавкам-биодеградантам он разлагается на элементарные составляющие: воду, углекислый газ и биомассу,
Полиэтилен
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.
Содержание
История
Названия
Полиэтилен высокой плотности имеет зарегистрированный товарный знак СНОЛЕН (Свидетельство на товарный знак № 380910) [3]
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:
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:
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:
Полимеризация идёт в суспензии по ионно-координационному механизму. Получаемый по этому методу полиэтилен имеет средневесовой молекулярный вес 80 000—3 000 000, 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.
Молекулярное строение
Макромолекулы полиэтилена высокого давления (n≅1000) содержат боковые углеводородные цепи C1—С4, молекулы полиэтилена среднего давления практически неразветвлённые, в нём больше доля кристаллической фазы, поэтому этот материал более плотный; молекулы полиэтилена низкого давления занимают промежуточное положение. Большим количеством боковых ответвлений объясняется более низкая кристалличность 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 | 0,91-0,93 | 0,93-0,94 | 0,94-0,96 |
| 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.).
Химические свойства
Общие свойства
Устойчив к действию воды, не реагирует с щелочами любой концентрации, с растворами нейтральных, кислых и основных солей, органическими и неорганическими кислотами, даже концентрированной серной кислоты, но разлагается при действии 50%-ой азотной кислоты при комнатной температуре и под воздействием жидкого и газообразного хлора и фтора.
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.
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. [4]
Переработка
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.
Применение
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
Переработка
Изделия из полиэтилена пригодны для переработки и последующего использования.
Сжигание
При нагревании полиэтилена выше 140 °С возможно выделение в воздух 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).