Полиэтилен как крупнотоннажный продукт химического производства сообщение
Обновлено: 17.05.2024
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
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
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—3 000 000, степень кристалличности 75-85 %.
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.
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
Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 12 мая 2011.
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 |
Полиэтилен HDPE (Hight Density PE - 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.).
Полиэтилен высокого давления LDPE (Low Density PE - низкая плотность)
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
Применение
-
(особенно упаковочная, например, пузырчатая упаковка или скотч), (бутылки, банки, ящики, канистры, садовые лейки, горшки для рассады) для канализации, дренажа, водо-, газоснабжения. .
- Полиэтиленовый порошок используется как термоклей [5] . (бронепанели в бронежилетах) [6]
- Корпуса для лодок[7] , вездеходов, деталей технической аппаратуры, диэлектрических антенн, предметов домашнего обихода и др.;
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).
Первый опыт полимеризации этилена в конце XIX века получил выходец из России — учёный Густавсон, проведя этот процесс с катализатором AlBr3. На протяжении долгих лет полиэтилен производился в небольших объемах, но в 1938 году процесс промышленного производства освоили англичане. В то время метод полимеризации был ещё не совершенен.
1952 год совершил прорыв в процессе промышленного производства полиэтилена. Немецкий химик Циглер изобрёл эффективный вариант полимеризации этилена под действием металл-органических катализаторов. Впрочем, настоящая технология производства полиэтилена основана именно на данном методе.
Сырье
Исходным материалом для получения является этен – простейший представитель ряда алкенов. Простота данного способа производства сильно зависит от наличия этилового спирта, который используется как сырьё. Современные промышленные линии для получения полимера разрабатывают с учётом их работы на нефтяных и попутных газах – легкодоступных фракций нефти.
Такие газы выделяются при пиролизе или крекинге нефтепродуктов при очень высоких температурах и содержат в себе примеси H2, CH4, C2H6 и другие газы. Попутный газ в свою очередь содержит такие компоненты как газы-парафины, поэтому при подвергании их термической обработке с высоким выходом получают этилен.
Технология производства полиэтилена высокого давления
Процесс получения ПЭ идёт по радикальному механизму. При проведении применяют разного рода инициаторы для снижения активационного порога молекулы. В качестве примера таковых можно привести перекись водорода, органические перекиси, О2, нитрилы. Радикальный механизм, в общем, не имеет отличий от обычной полимеризации:
- 1 стадия – инициирование;
- 2 стадия – увеличение цепи;
- 3 стадия – обрыв цепи.
Цепь инициируется посредством выделения свободных радикалов при термической обработке их источника. Этен реагирует с выделившимся радикалом, наделяется определённой Еакт, увеличивая тем самым число молекул мономера вокруг себя. В дальнейшем наблюдается нарастание цепи.
Технология процесса
Существует два варианта процесса полимеризации – либо полиэтилен образуется в массе, либо в суспензии. Первый получил наибольшее распространение и представляет собой совокупность процессов.
Газ этилен, являющийся смесью, а не чистым веществом, вначале проходит путь фильтрации через тканевый фильтр, задерживающий механические примеси. Далее к очищенному этену подводят инициатор в баллоне, объём которого рассчитывается исходя из условий процесса. Поправка делается на наибольший выход полимера.
После, смесь транспортируют, фильтруют и подвергают сжатию в две стадии. На выходе из реактора получают практически чистый полиэтилен с примесью этилена, от которого избавляются дросселированием смеси в приёмнике под низким давлением.
Технология производства полиэтилена низкого давления
Источниками сырья для получения данного вида полиэтилена служат чистый, без примесей этилен и катализатор – триэтилат алюминия и тетрахлорид Ti. Заменой Al(C2H5)3 может послужить как хлорид диэтилалюминия, так и дихлорид этилата алюминия. Катализатор получается в 2 стадии.
Технология процесса
Для данного процесса получения ПЭ низкого давления характерна как периодичность, так и непрерывность. От выбора технологии зависит и схема процесса, каждая их которых различна по конструкции оборудования, объёму реакторов, методу очистки полиэтилена от примесей и др.
Самая распространённая схема получения полимера включает три непрерывных стадии: полимеризация сырья, очистка продукта от остатков катализатора и его высушивание. Аппараты для катализаторной подачи выделяют в мерники пятипроцентный раствор смешанного катализатора, после чего он поступает в бак, в котором смешивается с органическим растворителем до необходимой концентрации в 0.2%. Из бака готовая смесь катализатора отводится в реактор, где поддерживается при необходимом давлении.
Этилен подводится в реактор снизу, где впоследствии перемешиваясь с катализатором, образует рабочую смесь. Для производства полиэтилена при пониженном давлении характерно загрязнение продукта остатками катализаторной смеси, которые изменяют его окраску на коричневую. Очистка основного продукта производится нагреванием смеси, в результате чего происходит разрушение катализатора, дальнейшее отделение примесей и их прямая фильтрация от полиэтилена.
Увлажнённый продукт поступает на сушку в сушильные камеры бункера, где полностью очищается на кипящем слое азота (T = 373 K). Сухой порошок высыпается из бункера на пневмолинию, где отправляется на гранулирование. На эту же линию отправляется пыль с частицами полиэтилена, оставшаяся после очистки азота.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Урок в 10 классе № 8
Тема. Реакции полимеризации. Полиэтилен как крупнотоннажный продукт химического производства. Применение непредельных углеводородов.
Цель: усвоение умений самостоятельно в комплексе применять знания, умения и навыки, осуществлять их перенос в новые условия практической и исследовательской деятельности
Развивающие: отработка умений работы с информацией; активизация познавательной деятельности; повышение мотивации к учебному процессу; умение делать правильный вывод на основе группового анализа ситуации; выработка навыков критического оценивания различных точек зрения, осуществления самоанализа, самоконтроля и самооценки, развитие ключевых компетентностей школьников на примере содержания экологического образования.
Воспитательные: формирование системы базовых ценностей (жизнь, здоровье, человек, сохранение биологического разнообразия) создание условий для творческой самореализации и саморазвития школьников.
Регулятивные: организовывать своё рабочее место под руководством учителя; определять план выполнения заданий на уроке, оценивать результат своей деятельности.
Коммуникативные: выработанные умения и навыки экологически грамотного поведения в окружающей среде, с другими людьми.
Планируемые результаты
Познавательные: осмысление учащимися ценности существования человека, его здоровья; формирование ключевых компетентностей на содержании экологического образования;
Предметные: познакомить учащихся с реакцией полимеризации и элементами химической технологии на примере производства полиэтилена. Рассмотреть области применения и свойства полимеров ряда этилена.
Личностные: развитие экологического мышления – гибкого вероятностного мышления, предполагающего способность к установлению причинно-следственных связей, системному анализу действительности. Повышение мотивации к учебному процессу; умение делать правильный вывод на основе группового анализа ситуации; выработка навыков критического оценивания различных точек зрения, осуществления самоанализа, самоконтроля и самооценки,
Метапредметные : связи с такими учебными дисциплинами как экономика, экология- будут способствовать более высокому уровню владения навыками по данному курсу и реализации задач пред. профильной подготовки обучающихся.
Тип урока – - урок открытия нового знания
Форма – урок - кейс.
Методы: ИКТ, групповая работа, игра, проблемно-ситуационный анализа.
Организация класса. Мотивация обучения (1-2 мин)
Тема урока Целеполагание (1-2 мин)
Актуализация опорных знаний (5-6 мин)
Решение ситуационных заданий. Открытие новых знаний (15-20 мин)
Первичное закрепление нового знания. Включение его в общую систему знаний, умений и навыков (7-10 мин)
Рефлексия (2-3 ми)
Домашнее задание п.42, повторить п.11(1 мин)
Карточки –задания
Название группы: ________________________________________
Составьте структурные формулы 3-х гомологов этилена и назовите их
За каждую формулу по 1 химобайту.
Название группы: ________________________________________
Составьте химические уравнения реакций, подтверждающие химические свойства алкенов, на примере пропена и назовите продукты реакций:
_______________________________________ обесцв KMnO 4 р-р
За каждое уравнение 2 химобайта, уравнения дублируются в тетради
Название группы: ________________________________________
Запишите реакции полимеризации для веществ на основе этилена, укажите мономер и структурное звено:
Получение политетрафторэтилена (тефлона) из 1,1,2,2-тетрафторэтилена:
Получение поливинилхлорида из хлорэтена (хлорвинила)
Получение полистирола из стирола (см.с.193)
Получение полипропилена из пропена
За каждое уравнение по 1 химобайту, уравнения дублируются в тетради
Название группы: _________________________________
Рассчитайте экономическую выгоду и сроки окупаемости (без учета выплаты зарплаты работникам и налогов) производства полиэтиленовых пакетов, если
Стоимость оборудования составит от 500 тыс.- до 5 млн рублей.
Производственная мощность – не менее 50 тыс. пакетов за рабочий день.
Себестоимость одного пакета не превышает 1,5 - 2 рубля, а ср. оптовая цена за 1 шт. составляет 6 рублей.
Прибыль с производства 1 пакета составит___________________
Прибыль ежедневно ______________________________________
Прибыль за месяц ________________________________________
Сроки окупаемости (примерные) ____________________________
За выполненное задание 2 химобайта
Название группы: _________________________________
За каждый аргумент по 1 химобайту.
Предложите альтернативу использования пластиковых пакетов
КОМАНДА ___________________________________________
Командир _____________________________________________
Информационный материал для команд
Покупка (обмен на оценку)
Команда, выполнившая задание первой, получает дополнительный балл.
Открытие полиэтилена
Первые синтетические полимеры были получены случайно. В настоящее время нашу жизнь невозможно представить без полимерных материалов. Они всё в большей степени вытесняют из нашего быта природные материалы, поскольку обладают уникальными и самыми разнообразными свойствами, сравнительно дёшевы, легко обрабатываются, многие подлежат вторичной переработке.
В 1933г. Группа исследователей под руководством Э. Фосетти и Р. Гибсона Проводила опыты с этиленом при повышенном давлении. После вскрытия реактора они обнаружили белое вещество, похожее на воск. Вскоре выяснилось, что молекулы нового вещества имеют очень большую молекулярную массу: несколько сотен тысяч. Материал называется полиэтиленом высокого давления ПВД. В 1943 из полиэтилена стали изготавливать посуду, ящики, бутылки, упаковку, предметы домашнего обихода.
Новые перспективы использования полиэтилена появились в 1953 г. С открытием немецким учёным Карлом Циглером особых катализаторов процесса полимеризации –металлорганических соединений. Получается полимер с молекулярной массой в несколько миллионов, большой плотностью за счёт плотной упаковки практически линейных молекул и очень высокой механической прочностью. Такой продукт стали называть полиэтиленом низкого давления ПНД. Он стал незаменимым материалом для производства труб, вёдер, деталей машин, кухонной посуды, бытовых предметов.
Свойства полиэтилена
Химические свойства : Полиэтилен обладает низкой паро- и газопроницаемостью. Устойчивый к кислотам, щелочам, растворителям. Также алкоголю, бензину, воде, овощным сокам, маслу. Он разрушается 50%-ной HNO3, а также жидкими и газообразными Cl 2 и F 2 . Бром и йод через полиэтилен диффундируют. Полиэтилен не растворим в органических растворителях, а ограниченно набухает в них.
Физические свойства : эластичный, жесткий – до мягкого, в зависимости от веса изделия устойчивый к низким температурам до -70°С, размягчается при 80 гр. Цельсия, ударостойкий, не ломающийся, с хорошими диэлектрическими свойствами. физиологически нейтральный, без запаха. Полиэтилен низкой плотности (0,92 – 0,94 г/см3) – мягкий; полиэтилен высокой плотности (0,941 – 0,96 г/см3) — твердый, очень жесткий. Под действием солнечной радиации, особенно УФ лучей, подвергается фотостарению. Полиэтилен практически безвреден; из него не выделяются в окружающую среду опасные для здоровья человека вещества, подлежит вторичной переработке.
Реакция полимеризации (с. 53 учебника)
Полимеризация стирола с.193
Полимеризация тетрафторэтилена с.197
Экологическая проблема
Важной экологической проблемой является скопление твердых отходов, среди которых значительную часть составляют изделия из синтетических полимерных материалов, обладающих высокой устойчивостью к разрушению. Для многих полимеров в
природе не существует микроорганизмов, способных их разрушить.
В результате накапливаются неразлагающиеся вещества, некоторые
из которых могут давать токсичные и мутагенные продукты.
ПЭ (полиэтилен) представляет собой термический полимер. Атомы углерода в его молекуле соединены между собой сложными ковалентными взаимосвязями. Этот материал имеет вид массы белого цвета, является диэлектриком. Ему свойственны невысокая адгезия, водонепроницаемость, высокая химическая устойчивость. Тонкий слой такого материала достаточно прозрачен.
Когда появился полиэтилен
Этот материал впервые стал известен в конце 19-го века. Его можно отнести к первым полимерам. Впервые его случайно удалось получить в 1899 г. немецкому химику Гансу фон Пехманну. Тем не менее, из-за недостаточной изученности его свойств, данный материал почти не использовался. Лишь в 1930 г. полиэтилен впервые был использован как изолятор в процессе изготовления токопроводящего кабеля. После углубленного исследования свойств ПЭ удалось установить, что этот материал является химически нейтральным. По этой причине уже с 1950 г. полиэтилен стал широко применяться в качестве упаковки для пищевых продуктов. Тем самым он стал заменой используемой раньше в этих целях бумаге.
Особенности производства полиэтилена
Чтобы изготовить полиэтилен, требуется особая химическая реакция, в результате которой упрочняются молекулы углеводорода этилена. Какими будут окончательные характеристики полученного материала, зависит от того, как происходила реакция полимеризации. Особенное внимание должно уделяться пропорциям компонентов, а также давлению и температуре, при которых протекает реакция.
ПЭ изготавливается, чаще всего, в форме маленьких (от 2 мм до 5 мм) гранул. В дальнейшем производственные предприятия покупают нужный объем такого сырья. При помощи плавки из него изготавливаются предметы различной формы. Это возможно благодаря способам экструзии либо литья, используемым на предприятии.
Физические и химические характеристики
Многие считают, что целлофан и полиэтилен – один и тот же материал. Это ошибочное мнение, поскольку у этих полимеров абсолютно разные свойства. Легко установить, что изделие изготовлено из ПЭ, можно путем его воспламенения. Пламя от горящего полиэтилена будет иметь голубоватый оттенок, однако давать недостаточно света. Выделяемый в процессе горения запах будет напоминать запах от горения парафина. Дыма, как при сжигании пластика, в случае с ПЭ не наблюдается, а запах будет таким же, как при горении свечи.
Основные химические свойства материала:
- не вступает в реакцию с кислотой и щелочью в высоких концентрациях;
- имеет свойство стареть;
- растворяться может лишь в нагретом состоянии.
Изделиям из ПЭ свойственна высокая химическая устойчивость. Они не разрушаются даже под воздействием высококонцентрированных кислот и щелочей. Именно это ценное свойство материала способствовало тому, что из него стали изготавливать емкости для хранения химических реактивов. В такой таре можно хранить, кроме всего прочего, даже серную кислоту. Чтобы ПЭ растворился при комнатной температуре, на него нужно воздействовать 50 %-ной азотной кислотой в комплексе с хлором или фтором в газообразном состоянии. Поскольку подобные условия создаются лишь искусственным путем, полиэтиленовое изделие не может быть разрушено нечаянно.
Для растворения полиэтилена может использоваться циклогексан или четырёххлористый углерод при температуре 80 °C. Материал не разбухает под воздействием влаги, поскольку обладает влагоотталкивающими свойствами. Полиэтилен пригоден для производства протезов. При соприкосновении таких изделий с живыми тканями человеческого организма не происходит никаких химических реакций.
Необходимо обращать внимание на то, что ПЭ свойственно стареть. Материал постепенно разрушается, становясь довольно хрупким. Происходит разложение его на альдегиды и H2O2 (перекись водорода). Такое свойство одновременно является и негативным, и положительным. Ценность такого качества в том, что в основном ПЭ используется для производства одноразовой упаковки, которая после применения выбрасывается. По прошествии времени материал распадается, образуя простейшие соединения. При этом процессы старения ускоряются на открытом пространстве и под воздействием УФ-лучей.
Ценные физические свойства полиэтилена:
- этот материал относится к диэлектрическим;
- является прекрасным гидроизолятором;
- обладает низкой теплопроводностью и высокой прочностью.
Полиэтилен оптимален для производства изделий, не проводящих электричество. Поэтому данный материал применяется как изолятор в проводах. Его используют также для создания гидроизоляционных мембран. Кроме того, полиэтилен применяется в качестве гидроизоляции при обустройстве фундаментов, бассейнов и т. п. Такая сфера применения обусловлена способностью материала отталкивать воду, а также его устойчивостью к воздействиям химических веществ.
ПЭ обладает высокой прочностью, благодаря которой он может применяться для производства изделий, подвергающихся серьезным нагрузкам (растяжению, давлению). В качестве яркого примера можно привести водопроводные трубы из полиэтилена. Они, кроме прочего, не повреждаются коррозией и не растворяются в агрессивных средах.
Благодаря низкой теплопроводности ПЭ является отличным теплоизоляционным материалом. Он незаменим при изготовлении различных электротехнических устройств, к примеру, при производстве рукояток для нагревающихся приборов. Благодаря низкой теплопроводности такая деталь не нагреется даже при непосредственном контакте с разогретой металлической поверхностью.
Полиэтилен дешевле остальных пластиков. Большая часть полимерной продукции производится именно из ПЭ. Вместе с тем доля прочих пластиков достаточно невелика. Заметим, что около третьей части всего полиэтилена идет на изготовление упаковки.
Температура плавления полиэтилена зависит от его вида. Так, для ПВД различной плотности требуется от 103 до 110 °C. ПНД за счет большей молекулярной массы и строго линейного строения требует в среднем на 20 ° больше, то есть от 130 до 137 °C соответственно. Возможны небольшие отклонения от этого среднего значения. Поэтому полиэтилен не требует значительных расходов энергии для расплавления и очень выгоден в производстве. ПЭ также может подвергаться повторной переработке.
Показатель плотности ПЭ – 910–965 кг/м³. Этот материал отличается легкостью, которая во много раз превышает легкость стали. Благодаря такой особенности из него могут изготавливаться несущие детали, а значит, вес готового изделия будет минимальным.
При сгорании материал не выделяет в атмосферу вредных веществ. Поэтому изделия из него (при условии отсутствия прочих примесей) могут легко утилизироваться. Оптимально делать это на заводах по сжиганию мусора. Таким образом, полиэтилен причиняет окружающей среде меньший ущерб, чем другие широко распространенные пластики.
Самые популярные виды
Выделяют несколько видов ПЭ, которым требуются разные условия для протекания реакции полимеризации. Различают ПЭ:
- сверхмолекулярный;
- линейный;
- ПВД (расшифровывается как полиэтилен высокого давления);
- ПСД (расшифровывается как полиэтилен среднего давления);
- ПНД (расшифровывается как полиэтилен низкого давления).
Плотность ПВД довольно незначительна, поэтому это наиболее эластичный и мягкий из всех видов полиэтилена. Он отличается гладкостью поверхности, а также довольно прозрачен. Изделия, выполненные из этого материала, обычно блестят. Он применяется при производстве эластичных мембран разных видов. Получают ПВД полимеризацией этилена при температуре 190–300 °C и давлении порядка 130–250 МПа. В качестве инициаторов реакции выступают: кислород, бензоил, лаурил или их смеси.
Полиэтилен среднего давления получают при следующих условиях: давление – 2,5–7 МПа, температура 130–240 °C, участие оксидных катализаторов, например, Cr2O3. В результате происходящей химической реакции полиэтилен образует хлопья, которые оседают в растворе. По уровню кристалличности он выше полиэтилена высокого давления на 30 %. Кроме того, материал отличается и более высокой, чем ПВД, плотностью.
Особенно высока плотность полиэтилена низкого давления. Благодаря этому материал пригоден для производства разнообразных деталей механизмов, подвергающихся значительным нагрузкам. Для получения ПНД необходимы следующие условия: температура – 60–80 °C, давление – 0,2–0,6 МПа (реакция возможна и при атмосферном давлении), участие комплексных металлорганических катализаторов.
Линейному полиэтилену присущи ценные свойства предыдущих разновидностей ПЭ. У него такая же высокая прочность, как у ПНД, вместе с тем он эластичен, как полиэтилен высокого давления. Поэтому данный материал широко применяется при изготовлении пленок. Сложнее всего изготовить сверхмолекулярный ПЭ. Однако материал, полученный в итоге, по своим свойствам превосходит все другие виды полиэтилена. Он используется для производства элементов сложных механизмов.
Сфера применения
Область использования ПЭ достаточно широка. Так, из него изготавливаются:
Полиэтиленовые трубы применяются для создания водопроводов. Из них также создаются системы водяного отопления. Особенно часто трубы из ПЭ используются для обустройства теплых полов. Они прокладываются в стяжке из бетона одним контуром. Какие-либо соединения при этом отсутствуют, а значит, протечка в зоне, недоступной для ремонта, исключена.
ПЭ – идеальный материал для производства пленок. Они могут применяться в качестве упаковки, также используются в виде тонких мембран для гидроизоляции. Если говорить о типичной пленке из ПЭ, стоит отметить ее небольшой срок эксплуатации. При доступе УФ-лучей этот срок составляет от 3 до 4 лет. Со временем пленка становится непрозрачной и хрупкой. Поэтому полиэтилен без примесей значительно уступает в этом смысле полиолефиновой композиции с добавкой из полипропилена. Срок эксплуатации такого материала длительный, он достигает семи лет и более. ПЭ применяется для производства пупырчатой упаковочной пленки и различных видов строительной пленки. При производстве мембран, укрепленных сеткой, также применяется ПЭ.
Сфера применения ПЭ не ограничивается только этим. Данный материал применяется также для производства пластиковых емкостей. Речь идет о баках для душа, накопительных канализационных резервуарах. Из ПЭ еще производят емкости, в которых можно хранить жидкие вещества (в т. ч. пищевые).
Посуда для одноразового применения также производится из ПЭ. Этот материал используется для изготовления пищевых пластиковых контейнеров, мисок, цветочных горшков, оболочек термосов. Благодаря высокой износоустойчивости материала он применяется для производства игрушек, сувениров, елочных украшений. Такие изделия при давлении растрескиваются меньше, чем вещи из прочих видов пластика.
На сегодняшний день химическая промышленность является одной из самых быстро развивающихся. Исследователи работают над развитием новейших научных разработок, в частности, над созданием разнообразных инновационных материалов. Одним из самых популярных среди них является полиэтилен. Рассмотрим особенности, уникальные свойства и черты полиэтилена, а также сферы его применения.
Что это такое?
В первую очередь следует разобраться с тем, что из себя представляет полиэтилен. По сути, данный материал является термопластичным полимером этилена. Его можно отнести к категории полиолефинов. Определение полиэтилена включает в себя обозначение того, что с химической точки зрения данный материал являет собой органическое соединение, а его молекулы обладаю существенной длиной.
Если говорить о внешних характеристиках материала, то он чаще всего представлен в виде тонких листов, которые могут быть бесцветными или белыми. На ощупь полиэтилен довольно твердый. В качестве сырья он довольно распространен и используется для самых разных целей.
Ученые, которые изобрели полиэтилен, не настаивают на том, что материал является идеальным. Как и любые другие химические соединения, он обладает рядом уникальных свойств, которые носят как положительный, так и негативный характер.
Рассмотрим их подробнее.
К достоинствам полиэтилена можно отнести следующие характеристики:
- высокий уровень прочности (в этом отношении имеется в виду тот факт, что материал способен выдерживать механические повреждения и другие негативные воздействия окружающей среды);
- эластичность;
- водонепроницаемость;
- простота использования;
- низкий уровень теплопроводности;
- безопасность для человека (полиэтилен не выделяет веществ, которые могли бы нанести вред здоровью человека);
- доступная цена;
- широкий ассортимент;
- разнообразный дизайн и многое другое.
Но даже несмотря на такое большое количество положительных характеристик, необходимо помнить и об имеющихся недостатках:
- разрушение под воздействием прямых солнечных лучей;
- относительная недолговечность;
- загрязнение окружающей среды, что является ключевой отрицательной характеристикой материала.
Как и из чего делают?
Особый интерес для исследователей представляет способ получения и процесс производства полиэтилена. Так, обсуждаемое химическое соединение получают из этилена. Сырьевой исходный материал подвергают обязательному процессу полимеризации.
Изначально полиэтилен состоит из гранул, размер которых варьируется в диапазоне от 2 до 5 миллиметров. Свой окончательный состав соединение получает посредством процессов термической обработки, которые осуществляются при помощи специально предназначенного оборудования.
При этом на сегодняшний день специалисты в области химии выделяют несколько видов полиэтилена, каждый из которых сделан по индивидуальной технологии.
Свойства
Для того чтобы ознакомиться с материалом более детально, следует проанализировать его отличительные характеристики (в том числе физические и химические). Ведь полиэтилен обладает особыми свойствами, которые отличают его от любых других соединений.
Итак, к основным особенностям материала можно отнести:
- по общему правилу полиэтилен является прозрачным (это касается только чистого химического соединения, лишенного каких-либо примесей), в процессе окрашивания материал может приобретать любые другие оттенки (черный, белый, красный и множество других);
- по своей структуре материал является твердым;
- процесс кристаллизации материала осуществляется при температуре от -60 до -369 градусов по Цельсию;
- отсутствие запаха;
- небольшие показатели массы;
- плотность материала непостоянна, она зависит о того, каким способом был добыт полиэтилен;
- химические соединения обладают свойствами амортизатора;
- низкий уровень адгезии;
- низкий коэффициент трения;
- водонепроницаемость;
- полиэтилен подвергается процессам размягчения при температуре от +80 до +120 градусов по Цельсию;
- стойкость по отношению к низким температурам;
- гибкость;
- диэлектрические характеристики;
- паро- и гидроизоляция;
- биологическая инертность;
- теплопроводность;
- при разложении полиэтилен не выделяет веществ, которые наносят вред человеку;
- стойкость по отношению к воздействию агрессивных химических соединений.
Свойства полиэтилена по большей части детерминируют области его использования.
Обзор видов по плотности
На сегодняшний день существует большое количество видов полиэтилена. Так, на рынке вы сможете найти экструдированный, низкомолекулярный, пузырчатый, рулонный, высокопрочный и высокомодульный материал. Соответственно, при выборе полиэтилена свое пристальное внимание необходимо обращать на маркировку.
Для удобства пользователя производителями принята классификация соединения по нескольким категориям. Рассмотрим отличительные характеристики и особенности каждой из них.
Высокой
Для производства полиэтилена высокой плотности требуется соблюдение ряда обязательных условий. В частности, температура воздуха должна находиться в диапазоне от 200 до 260 градусов по Цельсию, давление не должно превышать показателя в 300 МПа. Кроме того, обязательно наличие катализатора, функцию которого может выполнять кислород или органический пероксид. Сама по себе процедура производства осуществляется в автоклавном или трубчатом реакторе.
Что касается непосредственных характеристик материала, то полиэтилен высокой плотности является легким и эластичным. Ему присущи ярко выраженные диэлектрические характеристики. Особенностью материала является то, что такой полиэтилен довольно легко подается переработке.
Низкой
Условия, необходимые для получения полиэтилена низкой плотности, должны быть таковыми:
- показатели температуры – 120-150 градусов по Цельсию;
- уровень давления – 0,1-2 МПа;
- присутствие катализатора, например, катализаторов Циглера-Натта.
В итоге процесса полимеризации образуется материал, который допускает охлаждение до -80 градусов по Цельсию.
Кроме того, полиэтилен низкой плотности получается очень легким и эластичным, а его поверхность обладает характерным блеском.
Средней
Полиэтилен средней плотности изготавливается при температуре в 100-120 градусов по Цельсию. Давление при этом должно находиться на уровне 3-4 МПа, а в качестве катализатора реакции рекомендуется использовать смесь TiCl4 и AlR3. Следует иметь в виду, что итоговое соединение будет образовываться в виде хлопьев.
Таким образом, существующие разновидности полиэтилена различаются как по своим свойствам и характеристикам, так и по способам получения.
Популярные производители
В связи с тем что полиэтилен – это материал, который широко распространен, пользуется популярностью и востребованностью среди потребителей, его производством занимается большое количество торговых марок. Рассмотрим основные из них.
На территории Российской Федерации данная компания является одним из крупнейших производителей полиэтилена (причем в ассортимент входит материал как низкой, так и высокой плотности). Несмотря на то что на рынке данный бренд появился в 1950 году, первая партия продукта появилась только через 13 лет. Важно также отметить, что в ассортимент бренда входит не только полиэтилен, но и ряд других химических соединений. Как можно догадаться по названию, компания расположена в г. Казани.
Производство полиэтилена осуществляется в нескольких цехах завода. При этом в продажу выходит материал низкой и высокой плотности. Расположение фабрики – г. Салават, Республика Башкортостан. В качестве исходного материала используются этилен, бутен, водород и гексан.
Таким образом, на территории Российской Федерации есть огромное количество заводов и фабрик, которые профессионально занимаются изготовления полиэтилена. Этот факт доказывает, что материал широко распространен, популярен и является незаменимыми во многих сферах деятельности человека. При этом отечественный материал отличается высоким качеством.
Применение
Как было сказано выше, полиэтилен является одним из самых распространенных и востребованных материалов, соответственно, он применяется в большом количестве областей и для производства различных изделий.
Применение полиэтилена:
- производство плотной пищевой и технической пленки в рулонах;
- производство тары и упаковочной продукции (например, полиэтиленовых пакетов);
- изготовления канализационных труб, а также труб для водоснабжения;
- изготовления полотна для изоляции (например, электрической изоляции);
Это, конечно, далеко не полный список.
Однако следует иметь в виду тот факт, что повсеместное использование полиэтилена может негативно сказаться на экологическом состоянии окружающей среды.
Все дело в том, что данный материал разлагается довольно продолжительный период (в некоторых случаях материал вовсе не разлагается). Это может привести к загрязнению атмосферы, мирового океана и планеты в целом, а также и к другим негативным последствиям (например, из-за поедания полиэтилена погибают многие животные).
Утилизация
Полиэтилен может быть как первичным, так и вторичным. Здесь имеется в виду, что после того как изначально изготовленное полиэтиленовое изделие приходит в негодность, его можно переработать и использовать заново. Для переработки полиэтиленовых соединений применяются такие методы, как экструзия, экструзия с раздувом, литьё под давлением и пневматическое формование.
Что касается непосредственного процесса утилизации, то чаще всего – это метод сжигания. При этом как только полиэтилен нагревается (например, под прямыми солнечными лучами), он выделяет летучие продукты. Соответственно, происходит процесс образования низкокипящих соединений.
Таким образом, процесс сжигания полиэтилена по своим характеристикам и особенностям представляет собой комплексный химический процесс.
Особенности разложения
Как уже говорилось, полиэтилен – это материал, который разлагается очень продолжительное время, для завершения данного процесса потребуется много лет. При этом на сегодняшний день все более популярными становятся методы биологического разложения данного химического соединения.
Так, для осуществления процессов биологического разложения используют специальные плесневые грибки Penicillium simplicissimum. С их помощью полиэтилен может быть частично утилизирован за 90 дней. Однако для того чтобы данный процесс был максимально эффективным, предварительно материал нужно обработать азотной кислотой. Помимо указанного выше типа бактерий, также рекомендовано использование микроорганизмов Nocardia asteroides. При этом следует учитывать, что разложение полиэтилена (даже с использованием специфических бактерий) может занимать несколько лет (как минимум 8).
Полиэтилен – это популярный и востребованный материал, который используется для различных целей. По своим физическим и химическим свойствам он отличается от многих других материалов, благодаря чему и является широко распространенным. При этом существует несколько его разновидностей, каждая из которых обладает своими уникальными характеристиками.
О полиэтилене и продукции из него смотрите в видео.
Читайте также: