Полиэтилен - термопластичный полимер с относительно невысокой твердостью, не имеющий запаха и вкуса. Различные методы исследования (микроскопический, рентгено- и электронографический и др.) показывают, что полиэтилен обладает кристаллической структурой, аналогичной структуре нормальных парафинов (например, С60Н122 и др.). Степень кристалличности полимера, получаемого полимеризацией этилена, не достигает 100%: наряду с кристаллической фазой всегда содержится аморфная. Соотношение этих фаз зависит от способа получения полимера и температуры. Подобно высокоплавким воскам и парафинам он медленно загорается и горит слабым пламенем без копоти. В отсутствие кислорода полиэтилен устойчив до 290° С. В пределах 290 - 350° С он разлагается на низкомолекулярные полимеры типа восков, а выше 350° С продуктами разложения являются низкомолекулярные жидкие вещества и газообразные соединения - бутилен, водород, окись углерода, двуокись углерода, этилен, этан и др.
1.1. Молекулярная структура полиэтилена
Молекула полиэтилена представляет собой длинную цепь метиленовых групп, содержащую некоторое количество боковых групп. Чем больше боковых групп в цепочке полимера и чем они длиннее (полимер имеет разветвленную структуру), тем ниже степень кристалличности. Обычно в полиэтилене низкой плотности одна метильная группа приходится на 30 атомов углерода, однако можно получить полимеры, содержащие одну метильную группу как на 10 атомов углерода, так и на 1000 и более атомов углерода. Исследования показывают, что метильные группы чаще всего находятся на концах боковых цепей, состоящих по крайней мере из четырех атомов углерода:
Недостаточно упорядоченные участки полимерных молекул составляют аморфные области. Тот факт, что величина аморфных областей возрастает пропорционально степени разветвленности молекулы, позволяет сделать вывод, что в аморфные области входят части разветвленных молекул.
В расплавленном состоянии полиэтилен находится в аморфном состоянии. Независимо от скорости охлаждения расплава полиэтилен не получен полностью в аморфном состоянии даже при моментальном охлаждении тонких пленок жидким воздухом. Быструю кристаллизацию полиэтилена можно объяснить небольшой длиной элементарных звеньев (2, 53 Å), соответствующей одному зигзагу углеродной цепи, высокой симметрией молекул и их расположением в виде пачки. Пачки намного длиннее макромолекул и состоят из многих рядов цепей. Кристаллизация начинается в пачках и проходит последовательно либо через образование «лент», «лепестков» и правильных кристаллов, либо через возникновение «лент», «лепестков» и сферолитных структур. Структура молекулы полиэтилена показана на рис.1
Рис.1 Структура молекулы полиэтилена
Скорость охлаждения расплава полиэтилена определяет размеры кристаллических участков и степень кристалличности. Быстрое охлаждение (закалка) приводит к снижению процента кристаллической фазы и увеличению размеров кристаллических участков.
Между кристалличностью и содержанием метильных групп наблюдается ясно выраженная связью Ниже показана зависимость содержания аморфной фазы от концентрации метильных групп в полиэтилене:
Число CH3-групп на 100 атомов С Содержание аморфной фазы, %
Различие в степени кристалличности обусловливает плотность полимера. Так, полиэтилен низкой плотности содержит 55-65% кристаллической фазы, средней 66-73%, а высокой 74-95%.
В образцах полиэтилена с высокой степенью разветвленности весовая доля кристаллической фазы может достигать 40%.
С повышением температуры снижается степень кристалличности полимера: снижение становится все более резким по мере приближения к температуре размягчения (рис. 2).
Рис 2. Изменение доли кристаллической фазы в полиэтилене с повышением температуры
Кристаллические участки в полиэтилене имеют длину до нескольких сот ангстрем и соответствуют не целой молекуле, а небольшой части ее, так что одна полимерная молекула (длина ее достигает 1000 Å) может проходить через несколько кристаллических областей.
Конфигурация и упаковка линейных молекул полиэтилена в кристаллитах такие же, как у молекул нормальных олефинов. Об этом свидетельствуют размеры прямоугольной элементарной кристаллической ячейки: а = 7,40 Å, b =4.93 Å, с = 2,534 Å.
Период идентичности в 2,534 Å соответствует повторяющемуся расстоянию зигзагообразной углеродной цепи между атомамиуглерода С-С 1,54 Å и углу между углеродными связями 109 28"
Соседние молекулы находятся на расстоянии 4,3 Å друг от друга; атомы же водорода соседних молекул так расположены по отношению друг к другу так, что расстояние между их центрами становится почти постоянной величиной 2,5 Å , т. е. равно удвоенной величине эффективного ван-дер-ваальсового радиуса 1,25 Å. Кристалличность полимера при обычных температурах влияет посредственно на многие его свойства: плотность, поверхностную твердость, модуль упругости при изгибе, пределы прочности и текучести, растворимость и набухание в органических растворителях, паро- и газопроницаемость.
В присутствии катализаторов Циглера и Филлипса можно провести сополимеризацию этилена и α-олефинов и тем самым контролировать число ответвлений. Так, например, сополимер этилена и пропилена (6,25% по весу пропилена) содержит 21 метильную группу на 1000 углеродных атомов и имеет кристалличность на 20% меньше кристалличности полиэтилена. Сополимер этилена и 1-бутена (5,6% по весу 1-бутена) при наличии 14 этильных ответвлении на 1000 углеродных атомов снижает кристалличность на 20%, т. е. 1 этильная группа эквивалентна 1,5 метильным группам по влиянию на снижение степени кристалличности сополимеров.
Полиэстер – мировой лидер среди синтетических волокон. Технология его производства стала одним из больших открытий сороковых годов прошлого века. В промышленных масштабах ткань начали производить с 1947 года из кислот и спирта, угля и нефти с добавлением воды и воздуха.
Волокна полиэстера широко используются в производстве тканей для одежды: юбок, брюк, платьев, костюмов, блузок, курток, верхней одежды. Очень популярны его смеси: с хлопком, шерстью, их называют классическими. Подразумевается соотношение шерсти и полиэстера в отношении 55% к 45%. В 2013 году Германия произвела 198 000 тон волокон полиэстера, не отстают и другие страны, что делает этот вид лидером производства.
Описание
Получают полиэстер путем расплава. Сырье нагревают, получая прядильную массу, потом продавливают через тончайшие отверстия. Уже во время производства учитывается сфера применения волокна, ему придается треугольная, округлая, овальная форма для создания различных эффектов: прозрачности, блеска, тактильного комфорта. Волокно с углами образует жесткую ткань. Полые волокна используются для изготовления легких, амортизирующих тканей, обладающих изоляционными свойствами. Продукции можно придать любой цвет: спокойный нейтральный или яркий, блестящий оттенок. Волокна полируются для придания блеска, текстурируются для приобретения волнистости.
Свойства
Характеристики волокна высоко оценили производители различных изделий и потребители. Одно из его преимуществ – устойчивость против воздействия погодных факторов: интенсивного солнца, мороза, дождя. В это же время, он является тонкой и легкой тканью, которая хорошо сочетается с натуральными волокнами.
Такие изделия не требовательны к уходу, имеют высокую устойчивость к износу. На изделиях из этих волокон легко сформировать стрелки и складки путем термической обработки.
Наиболее распространенными являются две разновидности:
- PET – очень прочный вид ткани, волокна используются в сочетании с другими видами для придания им прочности и стабильности формы; основное сырье для производства – этилен, получаемый из нефти; из мягких волокон формируется пряжа;
- PCDT – обладает эластичностью и упругостью, волокна используются для изготовления мебельной обивки и портьер; сырье – конденсат терефталевой кислоты, из расплава формируются нити.
Представленая ткань, полностью изготовленная из полиэстера, абсолютно немнущаяся, даже после увлажнения, она очень быстро сохнет.
После экструзии волокна формируются и вытягиваются, после контакта с воздухом они затвердевают. Для большей прочности волокна сплетаются в нити, которые наматывают на бобины и отправляют на производство тканей.
Тюль, вуаль и органза – пример прозрачной ткани из 100% полиэстера. Обычное применение – изготовление эластичного кружевного белья, рубашек и блузок. Из толстых нитей изготавливают сети и веревки.
Свойства полиэстера 100%:
- гладкая поверхность, разнообразие цветов;
- большое разнообразие фактур – толстая и тонкая ткань, с шелковистым блеском или матовая;
- материал очень приятен на ощупь и при одевании вещи;
- износостойкость без потери цвета;
- незначительный вес;
- ткань не склонна к появлению устойчивых заломов при сминании;
- простой уход – стирка в прохладной воде, быстрая утюжка слегка нагретым утюгом;
- доступная цена в сравнении с натуральным шелком.
- это шовный материал, пригодный для пошива любых вещей.
Недостатком 100% полиэстера является высокая плотность, делающая невозможным ношение изделий из него в жарком климате.
Сочетания с другими видами волокон
Существует несколько видов сочетаний:
- С полиамидом . Такое сочетание позволяет получить очень упругие, эластичные, износостойкие ткани, не теряющие цвет в процессе эксплуатации. Из них шьют женское белье, обладающее мягкостью и благородством шелка, эластичностью и износостойкостью настоящей синтетики. Разбавленный , полиэстер теряет часть своей термостойкости, ткань слегка электризуется, не впитывает влагу.
- Со спандексом . Позволяет получить прочный и очень эластичный материал для изготовления чулочно-носочных изделий, прочной спортивной одежды, облегающих трикотажных изделий, перчаток. Благодаря , материал становится менее плотным и более воздухопроницаемым, хорошо тянется. Сочетание не так устойчиво к выгоранию, как чистый полиэстер, белоснежные ткани могут на солнце пожелтеть.
- С хлопком . Хлопок является классическим примером гигроскопичности, гигиеничности, натуральности и простоты. Сочетание его с полиэстером в соотношении 65% и 35%, лишает ткань присущих хлопку недостатков. Трикотажные изделия из хлопка с полиэстером не выгорают, не растягиваются, дольше носятся и используются. Постельное белье из хлопка с полиэстером имеет двукратную продолжительность эксплуатации, по сравнению с чистым хлопком, оно не мнется и сохнет очень быстро.
- С вискозой . Благодаря наличию полиэстера, вискоза приобретает стабильность, гигроскопичность, она не растягивается, не линяет. Из нее шьют одежду для работы и отдыха. Очень популярен вариант – вискоза 30 полиэстер 70. Подробные характеристики ткани вискоза можно найти .
- Пряжа . Упаковки вязальной пряжи могут маркироваться как “Полиэстер”, так и “Полиэфир”, “ПЭФ”. Она обладает теплопроводностью и несминаемостью шерсти. Изделия, связанные из этой пряжи, трудно отличить от шерстяных, они не подвержены порче молью, быстро сохнут, износостойкие, не растягиваются.
Полиэстер – относительно недорогая ткань, ее цена около 300 рублей за метр, в зависимости от политики магазина.
[–СН 2 -СН 2 –]n существует в двух основных модификациях, которые отличаются по структуре молекул полиэтилена, и, как следствие - по своим свойствам. Обе модификации получаются из этилена СН 2 =СН 2 . В одной из форм мономеры связаны в линейные цепи со степенью полимеризации (СП) обычно 5000 и более; в другой – разветвления из 4-6 углеродных атомов присоединены к основной цепи случайным способом. Линейные полиэтилены производятся с использованием особых катализаторов, полимеризация протекает при умеренных температурах (до 150 0С) и давлениях (до 20 атм).
Оснвоные свойства и характеристики полиэтилена
Полиэтилен - термопластичный полимер, который:
- непрозрачен в толстом слое;
- кристаллизуется в диапазоне температур от -60 °С до -269 °С;
- не смачивается водой;
- при комнатной температуре не растворяется в органических растворителях;
- при температуре выше 80 °С сначала набухает, а затем растворяется в ароматических углеводородах и их галогенопроизводных;
- ПЭ устойчив к действию водных растворов солей, кислот, щелочей , но при температурах выше 60 °С серная и азотная кислоты быстро его разрушают;
- кратковременная обработка ПЭ окислителем (например, хромовой смесью) приводит к окислению поверхности и смачиванию ее водой, полярными жидкостями и клеями. В этом случае изделия из ПЭ можно склеивать.
Газообразный этилен может быть полимеризован несколькими способами, в зависимости от этого полиэтилен разделяют на:
- полиэтилен высокого давления (ПЭВД) или низкой плотности (ПЭНП);
- полиэтилен низкого давления (ПЭНД) или высокой плотности (ПЭВП);
- а также еще на линейный полиэтилен.
ПЭВД полимеризуется радикальным способом под давлением от 1000 до 3000 атмосфер и при температуре 180 градусов. Инициатором служит кислород. ПЭНД полимеризуется при давлении не менее 5 атмосфер и температуре 80 градусов при помощи катализаторов Циглера-Натта и органического растворителя.
Линейный полиэтилен (есть еще название полиэтилен среднего давления) получают при 30-40 атмосферах и температуре около 150 градусов. Такой полиэтилен является как бы «промежуточным» продуктом между ПЭНД и ПЭВД, что касается свойств и качеств. Не так давно начала применяться технология, где используются так называемые металлоценовые катализаторы. Смысл технологии заключается в том, что удается добиться более высокой молекулярной массы полимера, это, соответственно, увеличивает прочность изделия.
По своей структуре и свойствам (несмотря на то, что используется один и тот же мономер), ПЭВД, ПЭНД, линейный полиэтилен отличаются, и, соответственно, применяются для различных задач. ПЭВД мягкий материал, ПЭНД и линейный полиэтилен имеют жесткую структуру.
Также отличия проявляются в плотности, температуре плавления, твердости, и прочности.
Сравнительная характеристика полиэтилена высокого и низкого давления (ПЭВД и ПЭНД)
Основной причиной различий свойств ПЭ , является разветвленность структуры его макромолекул: чем больше разветвлений в цепи, тем выше эластичность и меньше кристалличность полимера. Paзветвления затрудняют более плотную упаковку макромолекул и препятствуют достижению степени кристалличности 100 %; наряду с кристаллической фазой всегда имеется аморфная, содержащая недостаточно упорядоченные участки макромолекул. Соотношение этих фаз зависит от способа получения ПЭ и условии его кристаллизации. Оно определяет и свойства полимера. Пленки из ПЭНП в 5-10 раз более проницаемы, чем пленки из ПЭВП.
Механические показатели ПЭ возрастают с увеличением плотности (степени кристалличности) и молекулярной массы. В виде тонких пленок ПЭ (особенно полимер низкой плотности) обладает большей гибкостью и некоторой прозрачностью, а в виде листов приобретает большую жесткость и непрозрачность.
Полиэтилен устойчив к ударным нагрузкам . Среди наиболее важных свойств полиэтилена можно отметить морозостойкость. Изделия из полиэтилена могут эксплуатироваться при температурах от -70°С до 60 °С (ПЭНП) и до 100 °С (ПЭВП), некоторые марки сохраняют свои ценные свойства при температурах ниже -120°С.
Существенным недостатком полиэтилена является его быстрое старение . Срок старения увеличивают за счет специальных добавок - противостарителей (фенолы, амины, газовая сажа).
Электричские свойства полиэтилена характерны для неполярного полимера, поэтому он относится к высококачественным высокочастотным диэлектрикам. Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь мало изменяются с изменением частоты электрического поля, температуры в пределах от -80 °С до 100 °С и влажности. Однако остатки катализатора в ПЭВП повышают тангенс угла диэлектрических потерь, особенно при изменении температуры, что приводит к некоторому ухудшению изоляционных свойств.
Характеристики полиэтилена низкого давления (минимальные и максимальные значения для промышленных марок)
| Показатели (при 23°С) | |
| Плотность | 0,94-0,97 г/см 3 |
| Теплостойкость по Вика (в жидкой среде, 50°С/ч, 50Н) | 18-32 МПа |
| 10-19 МПа | |
| 610-1600 МПа | |
| Относительное удлинение при растяжении (50мм/мин) | 600-700 % |
| 2-NB кДж/м2 | |
| Твердость при вдавливании шарика (358 Н, 30с) | 38-59 МПа |
| 10^14-10^15 Ом | |
| 0,1 % |
Полиэтилен высокого давления
Полиэтилен ПНД (высокой плотности) применяется преимущественно для выпуска тары и упаковки . За рубежом примерно третья часть выпускаемого полимера используется для изготовления контейнеров выдувным формованием (емкости для пищевых продуктов, парфюмерно-косметических товаров, автомобильных и бытовых химикатов, топливных баков и бочек). При этом стоит отметить, что по сравнению с другими областями, опережающими темпами растет использование ПЭНД для производства упаковочных пленок. ПЭНД находит также применение в производстве труб и деталей трубопроводов, где используются такие достоинства материала как долговечность (срок службы - 50 лет), простота стыковой сварки, дешевизна (в среднем на 30% ниже по сравнению с металлическими трубами).
Другие обозначения : PE-LD, PEBD (французское и испанское обозначение).
Легкий эластичный кристаллизующийся материал с теплостойкостью без нагрузки до 60°С (для отдельных марок до 90 °С). Допускает охлаждение (различные марки в диапазоне от -45 до -120°С).
Свойства ПЭВД сильно зависят от плотности материала. Увеличение плотности приводит к повышению прочности, жесткости, твердости, химической стойкости. В то же время при увеличении плотности снижается ударопрочность при низких температурах, удлинение при разрыве, трещиностойкость, проницаемость для газов и паров. Склонен к растрескиванию при нагружении. Не отличается стабильностью размеров.
- Обладает отличными диэлектрическими характеристиками.
- Имеет очень высокую химическую стойкость.
- Не стоек к жирам, маслам.
- Не стоек к УФ-излучению.
- Отличается повышенной радиационной стойкостью.
- Биологически инертен.
- Легко перерабатывается.
Характеристики полиэтилена высокого давления (минимальные и максимальные значения для промышленных марок)
| Показатели (при 23°С) | Значения для ненаполненных марок |
| Плотность | 0,91-0,925 г/см 3 |
| Предел текучести при растяжении (50 мм/мин) | 8-13 МПа |
| Модуль упругости при растяжении (1 мм/мин) | 118-350 МПа |
| Относительное удлинение при растяжении (50 мм/мин) | 100-150 % |
| Ударная вязкость по Шарпи (образец с надрезом) | NB |
| Удельное поверхностное электрическое сопротивление | 1014-1015 Ом |
| Водопоглощение (24 ч, влажность 50%) | 0,01 % |
Структура потребления полиэтилена в различных секторах промышленности, %
Изоляция электрических проводов из полиэтилена.
Высокие диэлектрические свойства полиэтилена и его смесей с полиизобутиленом, малая проницаемость для паров воды позволяют широко использовать его для изоляции электропроводов и изготовления кабелей, применяемых в различных средствах связи (телефонной, телеграфной), сигнальных устройствах, системах диспетчерского телеуправления, высокочастотных установках, для обмотки проводов двигателей, работающих в воде, а также для изоляции подводных и коаксиальных кабелей.
Кабель с изоляцией из полиэтилена имеет преимущества по сравнению с каучуковой изоляцией. Он легок, более гибок и обладает большей электрической прочностью. Провод, покрытый тонким слоем полиэтилена, может иметь верхний слой из пластифицированного поливинилхлорида, образующего хорошую механическую защиту от повреждений.
В производстве кабелей находит применение ПЭНП, сшитый небольшими количествами (1-3 %) органических перекисей или облученный быстрыми электронами.
Пленки и листы из полиэтилена.
Пленки и листы могут быть изготовлены из ПЭ любой плотности. При получении тонких и эластичных пленок более широко применяется ПЭНП. Листы ПЭ-пленки изготовляются двумя методами: экструзией расплавленного полимера через кольцевую щель с последующим раздувом или экструзией через плоскую щель с последующей вытяжкой. Они выпускаются толщиной 0,03-0,30 мм, шириной до 1400 мм (в некоторых случаях до 10 м) и длиной до 300 м.
Кроме тонких пленок, выпускается полиэтилен в листах , толщиной 1-6 мм и шириной до 1400 мм, Их применяют в качестве футеровочного и электроизоляционного материала и перерабатывают в изделия технического к бытового назначения методом вакуумного формования.
Большая часть продукции из ПЭНП служит упаковочным материалом, конкурируя с другими пленками (целлофановой, поливинилхлоридной , поливинилиденхлоридной, поливинилфторидной, полиэтилентерефталатнсй, из поливинилового спирта и др.), меньшая часть используется для изготовления различных изделий (сумок, мешков, облицовки для ящиков, коробок и других видов тары).
Широко применяются пленки для упаковки замороженного мяса и птицы, при изготовлении аэростатов и баллонов для проведения метеорологических и других исследований верхних слоев атмосферы, защиты от коррозии магистральных нефте- и газопроводов. В сельском хозяйстве прозрачная пленка используется для замены стекла в теплицах и парниках. Черная пленка служит для покрытия почвы в целях задержания тепла при выращивании овощей, плодово-ягодных и бобовых культур, а также для выстилания силосных ям, дна водоемов и каналов. Все больше применяется полиэтиленовая пленка в качестве материала для крыш и стен при сооружении помещений для хранения урожая, сельскохозяйственных машин и другого оборудования.
Из полиэтиленовой пленки изготовляют предметы домашнего обихода: плащи, скатерти, гардины, салфетки, передники, косынки и т. п. Пленка может быть нанесена с одной стороны на различные материалы: бумагу, ткань, целлофан, металлическую фольгу.
Армированная полиэтиленовая пленка отличается большей прочностью, чем обычная пленка такой же толщины. Материал состоит из двух пленок, между которыми находятся армирующие нити из синтетических или природных волокон или редкая стеклянная ткань.
Из очень тонких армированных пленок изготовляют скатерти, а также пленки для теплиц; из более толстых пленок - мешки и упаковочный материал. Армированная пленка, упрочненная редкой стеклянной тканью, может быть применена для изготовления защитной одежды и использована в качестве обкладочного материала для различных емкостей.
На основе пленок из ПЭ могут быть изготовлены липкие (клеящие) пленки или ленты, пригодные для ремонта кабельных линий вы¬сокочастотной связи и для защиты стальных подземных трубопроводов от коррозии. Полиэтиленовые пленки и ленты с липким слоем содержат на одной стороне слой из низкомолекулярного полиизобутилена, иногда в смеси с бутилкаучуком. Выпускаются они толщиной 65-96 мкм, шириной 80-I50 мм.
ПЭНП и ПЭВП применяют и для защиты металлических изделий от коррозии. Защитный слой наносится методами газопламенного и вихревого напыления.
Трубы и трубная продукция из полиэтилена
Из всех видов пластмасс ПЭ нашел наибольшее применение для изготовления экструзии и центробежного литья труб, характеризующихся легкостью, коррозионной стойкостью, незначительным сопротивлением движению жидкости, простотой монтажа, гибкостью, морозостойкостью, легкостью сварки.
Непрерывным методом выпускаются трубы любой длины с внутренним диаметром 6-300 мм при толщине стенок 1,5-10 мм. Полиэтиленовые трубы небольшого диаметра наматываются на барабаны. Литьем под давлением изготовляют арматуру к трубам, которая включает коленчатые трубы, согнутые под углом 45 и 90 град; тройники, муфты, крестовины, патрубки. Трубы большого диаметра (до 1600 мм) с толщиной стенок до 25 мм получают методом центробежного литья.
Полиэтиленовые трубы вследствие их химической стойкости и эластичности применяются для транспортировки воды, растворов солей и щелочей, кислот, различных жидкостей и газов в химической промышленности, для сооружения внутренней и внешней водопроводной сети, в ирригационных системах и дождевальных установках.
Трубы из ПЭНП могут работать при температурах до 60°С, а из ПЭВП - до 100°С. Такие трубы не разрушаются при низких температурах (до – 60°С) и при замерзании воды; они не подвержены почвенной коррозии.
Основные физико-химические свойства
Полиэтилен (ПЭ) [–CH2–CH2–]n существует в двух модификациях, отличающихся по структуре, а значит, и по свойствам. Обе модификации получаются из этилена CH2=CH2. В одной из форм мономеры связаны в линейные цепи с СП обычно 5000 и более; в другой – разветвления из 4–6 углеродных атомов присоединены к основной цепи случайным способом. Линейные полиэтилены производятся с использованием особых катализаторов, полимеризация протекает при умеренных температурах (до 150° С) и давлениях (до 20 атм).
Молекула полиэтилена представляет из себя не что иное, как длинную цепь из атомов углерода, к каждому из которых присоединено по два атома водорода. В зависимости от метода изготовления получаются макромалекулы с различной степенью разветвления и различной плотностью. Поэтому ПЭ подразделяется на две основные группы:
1. Полиэтилен низкой плотностиПолиэтилен низкой плотности (LDPE) – ПЭ с сравнительно сильно разветвленной макромолекулой и низкой плотностью (0,916–0,935 г/см³). Процесс его изготовления протекает при очень высоком давлении от 100 до 300 мПа и температуре 100–300 °С, поэтому обозначается так же, как полиэтилен высокого давления (ПЭВД).
2. Полиэтилен высокой плотностиПолиэтилен высокой плотности (НDPE) – ПЭ с линейной макромолекулой и относительно высокой плотностью (0,960 г/см³). Это полиэтилен, называемый также полиэтиленом низкого давления (ПЭНД), его получают полимеризацией со специальными катализаторными системами.
Линейные полиэтилены образуют области кристалличности, которые сильно влияют на физические свойства образцов. Этот тип полиэтилена обычно называют полиэтиленом высокой плотности; он представляет собой очень твердый, прочный и жесткий термопласт, широко применяемый для литьевого и выдувного формования емкостей, используемых в домашнем хозяйстве и промышленности. Полиэтилен высокой плотности прочнее полиэтилена низкой плотности.
Таблица. Свойства полиэтилена высокой плотностиЛинейное строение, о котором упоминалось ранее, характерно для ПЭ, получаемых при низком давлении, боковые цепи образуются, но они коротки и количество их невелико. Сополимеры этилена, например с бутеном-1, также получают при низком давлении для того, чтобы ввести контролируемое число ответвлений в линейную, в сущности, молекулу. Плотность сополимеров составляет 0,945-0,950 г/см3, в то время как линейных гомополимеров - 0,960 г/см3.
Пленки на основе ПЭВП более жесткие, прочные, менее воскообразные на ощупь по сравнению с пленками на основе ПЭНП. Они могут быть получены методом экструзии с раздувом или через плоскую щель (с поливом на охлаждаемый валок или водяным охлаждением). При экструзии с раздувом, однако, получают более мутную, полупрозрачную пленку.
Температура размягчения ПЭВП (121 °С) выше, чем у ПЭНП, поэтому он выдерживает стерилизацию паром. Морозостойкость примерно такая же, как у ПЭНП.
Прочность при растяжении и сжатии выше, чем у ПЭНП, а сопротивление удару и раздиру ниже. Из-за линейной структуры молекулы ПЭВП стремятся ориентироваться в направлении те чения, и сопротивление раздиру в продольном направлении пленок значительно ниже. Различия сопротивлений раздиру в продольном и поперечном направлениях могут быть увеличены при ориентации, и пленке будут присущи свойства ленточек, работающих на раздир.
Проницаемость ПЭВП ниже, чем у ПЭНП, примерно в 5-6 раз, и он является прекрасной преградой влаге.
Среди обычных пленок ПЭВП по влагопроницаемости уступает только пленкам на основе сополимеров винилхлорида и винил-иденхлорида.
По химической стойкости ПЭВП также превосходит ПЭНП, особенно по стойкости к маслам и жирам.
С увеличением плотности растворимость в органических растворителях уменьшается, как и проницаемость по отношению к растворителям.
ПЭВП подвержен растрескиванию под действием среды, как и ПЭНП, но этот эффект может быть уменьшен благодаря использованию высокомолекулярных марок ПЭ, у которых этот недостаток отсутствует.
СВОЙСТВА ПНД ТРУБНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
- Плотность = 0,948-0,964 кГ/см3 (по ГОСТ 15199-69).
- Предел текучести при растяжении = не менее 21,6 МПа (по ГОСТ 11262-80).
- Относительное удлинение при разрыве = не менее 700% (по ГОСТ 11262-80).
- Модуль упругости при изгибе = 680-750 МПа (по ГОСТ 9550-81).
- Температура плавления = 125-132°С (поляризационный микроскоп).
- Температура размягчения = 120-125°С (по Вика).
- Термический коэффициент линейного расширения = (1,7-2,0) 0,0001-41/°С (по ГОСТ 15173-70).
- Коэффициент теплопроводности = 0,41-0,44 Вт/м °С.
- Электрическая прочность (толщина образца 1 мм при частоте 50 Гц) = не менее 40 кВ/мм (по ГОСТ 6433.3-7).
Удельное объемное электрическое сопротивление = 1 1016-1 1017 Ом см (ГОСТ 6433.2-71).
Области примененияСущественные свойства всех типов полиэтилена (HDPE, LDPE, LLDPE):
- малая плотность (легче воды);
- очень хорошая химическая стойкость;
- очень незначительное водопоглощение;
- непроницаемость для водяного пара;
- высокая вязкость, гибкость, растяжимость и эластичность в интервале температур от –70 до +100 °С;
- хорошая прозрачность;
- легкая перерабатываемость всеми пригодными для термопластов методами;
- очень хорошая свариваемость.
А вот относительно высокая проницаемость полиэтилена для кислорода, двуокиси углерода, ароматических веществ, а также проблемы при контакте с определенными средами (например, растворами смачивающих веществ), феномен так называемого образования трещин вследствие внутренних напряжений, в особенности у HDPE, сужают область его применения. Различные свойства HDPE по сравнению с LDPE обусловлены его высокой плотностью. При одинаковой толщине изделия из HDPE жестче и их поверхность тверже. Температура плавления на 20 °С выше, и вследствие более плотной структуры молекулы непроницаемость для водяного пара, кислорода, углекислого газа и ароматических веществ, а также химическая стойкость лучше, чем у LDPE. Высокая температура плавления дает возможность изготовления упаковок с более высокой теплостойкостью (кратковременно до 100 °С).
Удачное и редкое сочетание в полиэтилене химической стойкости, механической прочности, морозостойкости, хороших диэлектрических свойств, стойкости к радиоактивным излучениям, чрезвычайно низкие газопроницаемость и влагопоглощение, легкость и безвредность делают полиэтилен незаменимым в целом ряде областей применения.
ПЭНД перерабатывается практически всеми базовыми способами, используемыми при работе с термопластами – экструзия, выдув, литье под давлением, ротоформование.
Таблица. Области применения ПЭНД|
Экструзия |
|
|
Фасовочный пакет, пакет "майка", пакет с вырубной ручкой, барьерный слой многослойных упаковочных материалов (ламинаты и коэкструзионные пленки), воздушно-пузырьковая пленка, мусорные пакеты |
|
|
Газоснабжение, холодное водоснабжение, защита электросетей, дренаж, внешняя канализация, внутренняя канализация, обсадные трубы для скважин |
|
|
Кабельная изоляция |
Изоляция кабелей высокого напряжения |
|
Листы, мембраны, мягкие ленты |
Листы: гидроизоляция, формование деталей изделий для машиностроения. Мембраны: гидроизоляционные работы. Ленты : конвейерные ленты, геоячейки |
|
Бытовые, сельскохозяйственные, сетки для армирования дорожных покрытий, сетки для проведения строительных работ, сетки для ограждения зданий и сооружений |
|
| Выдув | |
|
Фасовочный пакет, пакет "майка", пакет с вырубной ручкой, мусорные пакеты |
|
|
Флаконы для косметики, парфюмерии, бытовой химии, канистры, бочки, баки, цистерны |
|
| Литье под давлением | |
|
Товары народного потребления |
Изделия для цветоводства, изделия для ванной комнаты, изделия для кухни, предметы домашнего обихода, детские товары, садово-огородный инвентарь |
|
Двухсоставные и односоставные крышки для ПЭТ бутылок, укупорочные изделия для парфюмерии, косметики, бытовой химии, автохими |
|
|
Тарные ящики |
|
|
Мебельная фурнитура |
Лицевая, декоративная, крепежная, опорные элементы, прочие комплектующие |
|
Автокомплектующие |
Около 400 наименований изделий для автомобиля |
|
Другая продукция |
Не будучи приоритетным видом сырья ПЭНД используется при произодстве другой литьевой продукции: мебели, тарных ведер, детских игрушек, фитингов |
| Ротоформование | |
|
Баки, мусорные баки, бочки, |
|
|
Мобильные туалеты |
Передвижные туалеты |
|
Детские площадки |
Детские игровые комплексы (горки, горки-тоннель, городки) |
|
Дорожные огрждения |
Дорожные блоки, конусы, буферы |
|
Колодцы, септики, мусоросборы |
|
|
Эстакады |
Эстакады для мойки колес, установки оборотного вод |
| Вспенивание | |
|
Пенополиэтилен |
P.S. Основные группы марок полиэтилена и сополимеров этилена, выпускаемые на сегодняшний день:
Полиэтилен
HDPE - Полиэтилен высокой плотности (полиэтилен низкого давления)
LDPE - Полиэтилен низкой плотности (полиэтилен высокого давления)
LLDPE - Линейный полиэтилен низкой плотности
mLLDPE, MPE - Металлоценовый линейный полиэтилен низкой плотности
MDPE - Полиэтилен средней плотности
HMWPE, VHMWPE - Высокомолекулярный полиэтилен
UHMWPE - Сверхвысокомолекулярный полиэтилен
EPE - Вспенивающийся полиэтилен
PEC - Хлорированный полиэтилен
Cополимеры этилена
EAA - Сополимер этилена и акриловой кислоты
EBA, E/BA, EBAC - Сополимер этилена и бутилакрилата
EEA - Сополимер этилена и этилакрилата
EMA - Сополимер этилена и метилакрилата
EMAA - Сополимер этилена и метакриловой кислоты, Сополимер этилена и метилметилакрилата
EMMA - Сополимер этилена и метил метакриловой кислоты
EVA, E/VA, E/VAC, EVAC - Сополимер этилена и винилацетата
EVOH, EVAL, E/VAL - Сополимер этилена и винилового спирта
POP, POE - Полиолефиновые пластомеры
Ethylene terpolymer - Тройные сополимеры этилена
Одним из наиболее распространённых в быту видов пластика является полиэтилен.
Современный человек встречает его буквально на каждом шагу: в него упаковывают продукты и непродуктовые товары, из него делают бутылки для воды и напитков, одноразовую посуду и множество других вещей.
Но что мы знаем о полиэтилене?
Что такое полиэтилен?
Как понятно из названия, полиэтилен – это полимер , т.е. вещество с длинной молекулой, образованной соединением ряда мономерных молекул. Мономеры могут соединяться в виде цепочек, сеток, образовывать формации неправильной формы. От того, при каких условиях происходит полимеризация, т.е. образование этих длинных молекул, зависят свойства получаемого полимера.
Основой для полиэтилена служит бесцветный газ этилен, который получают, перерабатывая определённые нефтепродукты – прямогонный бензин, газойль и др. Вещество, получаемое в ходе полимеризации, обладает хорошей термопластичностью, химической стойкостью, устойчивостью к ударным нагрузкам. Полиэтилен является диэлектриком, т.е. не проводит электроток.
Это твёрдое беловатое вещество, обладающее прозрачностью при раскатывании тонким слоем. Полиэтилен является одним из самых распространённых в мире полимеров.
Способы изготовления полиэтилена
В настоящее время существует три основных вида полиэтилена, которые различаются по способу переработки этилена:
При высоком давлении получают полиэтилен небольшой плотности, который обозначается аббревиатурой ПВД либо ПЭНП;
Полученный при среднем давлении продукт обозначают как ПЭСД;
При низком давлении образуется полиэтилен высокой плотности, который обозначают аббревиатурами ПНД либо ПЭНД.
Прочие способы полимеризации этилена не приобрели достаточной популярности, так как они либо чересчур затратны, либо не обеспечивают нужных качеств полимера.
Кроме того, существует ряд технологий для получения композитных составов и сополимеров. Полиэтилен объединяют с полипропиленом, каучуком, полиизобутиленом и др. В последние десятилетия активно используется так называемый сшитый полиэтилен, полимерная молекула которого обрзована мономерами, соединёнными не только в виде цепи, но и боковыми связями, напоминающими стежки нити.
Сшитый полиэтилен более прочен и долговечен, чем обычный. Его производят пероксидным, силановым, азотным и радиационным способами.
Использование полиэтилена
Сфер для применения столь полезного вещества, каким оказался полиэтилен, сегодня очень много. Его используют:
В виде плёнок различной толщины, вида и назначения, предназначенных для упаковки, ламинации, склейки и т.д.;
Для изготовления тары и предметов обихода, от сельхозорудий и кухонных принадлежностей до детских игрушек;
Для производства труб различного назначения;
В качестве электрической изоляции проводов и коммутационных элементов, для изготовления корпусов электроприборов и отдельных деталей;
В качестве термоклея в виде порошка или стержней;
В качестве теплоизолятора в виде вспененной массы, реализуемой листами или рулонами;
Для изготовления корпусов и деталей различных механизмов, от мелкой бытовой техники до тракторов и лодок;
В медицине для изготовления инструментов, расходных материалов, заменителей хрящевой ткани и др.
Для потребителей наиболее важными свойствами являются водонепроницаемость полиэтилена, его химическая стойкость, пластичность, небольшой вес и достаточно высокая прочность. В последние десятилетия актуальность приобрела возможность повторного использования полиэтилена, благодаря чему экономятся невосполнимые природные ресурсы и не загрязняется окружающая среда.
Полиэтилен и экология
Повсеместное использование полиэтилена не только сделало нашу жизнь более удобной, но и привело к образованию огромного количества бытового и промышленного мусора, загрязняющего нашу планету. Срок естественного распада полиэтилена составляет около пятисот лет, поэтому надеяться на то, что этот мусор исчезнет сам собой, не приходится.
Сегодня в Тихом океане и в Атлантике плавают гигантские острова, образованные из полиэтиленовых бутылок, плёнки и других отходов. Проблема требует скорейшего решения, поскольку существование полиэтиленового мусора приводит к гибели живых существ, населяющих нашу планету, и ухудшению условий жизни для всех людей.
