X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Полиэтилен - прозрачный термопластичный материал, имеющий плотность от 910 до 970 кг/м³, температуру размягчения от 110 до 130 градусов и высокую химическую стойкость.

Сырьем для него служит простейший олефин - газ этилен. В зависимости от способа производства, а их существует несколько, полиэтилен имеет разную плотность, молекулярную массу и степень кристалличности.

Существует большое количество марок этого полимера, которые как раз и отличаются по плотности, данным текучести расплава, а также отсутствием или наличием стабилизаторов. Марки полиэтилена определяются длиной молекулярной цепочки или молекулярной массой используемого сырья. В зависимости от назначения и свойств определены базовые марки (без добавок) полиэтилена и композиции на их основе (с добавками, стабилизаторами, окрашенные, неокрашенные).

Полиэтилен нашел широкое распространение среди упаковочных материалов, на то есть свои причины. Он устойчив к воздействию солей, водных растворов щелочей и кислот.

Полиэтилен получают путем полимеризации этилена при высоком и низком давлениях в виде гранул от 2 до 5 мм.

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.

Полимеризация этилена при высоком давлении

Промышленный процесс производства полиэтилена высокого давления (ПЭВД) заключается в полимеризации этилена под давлением от 1000 до 3000 кгс/см² в присутствии кислородного инициатора (0,5% от веса этилена) при температуре 180-300º С.

Процесс полимеризации этилена под высоким давлением является сильно экзотермическим, при этом теплота полимеризации составляет около 1000 ккал/кг. Отвод такого большого количества тепла - технически сложная задача, разрешаемая только с помощью соответствующей холодильной системы.

В последние годы применяют значительно модифицированные процессы получения полиэтилена высокого давления (как путем изменения условий полимеризации, так и путем применения новых катализаторов, обладающих повышенной активностью при пониженных температурах).

Рис. 1 Структура ПЭВД

Структура полиэтилена ПЭВД (рис. 1) состоит из большого количества ответвлений различной длины. Они не позволяют молекулам, имеющим высокую молекулярную массу, образовывать кристаллическую структуру. Такая структура имеет слабые межмолекулярные связи, что придаёт полиэтилену низкую устойчивость к разрывам, высокую степень пластичности и повышенную текучесть при расплаве.

Макромолекулы ПЭВД отличаются содержанием боковых углеводородных цепей. При параллельном укладывании друг на друга они образуют ламели. Большое количество боковых ответвлений придаёт материалу низкую кристалличность и плотность.

По своим физическим свойствам ПЭВД отличается блеском, гладкостью, эластичностью, высокой степенью тягучести.

Для ПЭВД при 20° характерны следующие физико-химические свойства:

плотность до 0,93 г/см²;

деструкция при растяжении до 170 кгс/см²;

деструкция при статическом изгибе до 170 кгс/см²;

деструкция при срезе до 170 кгс/см²;

относительное удлинение на разрыв 500–600%;

модуль упругости на изгиб до 2600 кгс/см²;

предел текучести при растяжении до 160 кгс/см²;

относительное удлинение в начале течения 15–20%;

твёрдость по Бринеллю 1,4–2,5 кгс/мм².

ПЭВД с успехом используется для изготовления пакетов с петлевой ручкой, а также ручкой вырубного типа. Блеск ПЭВД делает изображение на такой продукции ярким, а цветовую гамму очень сочной. Пакеты, изготовленные из ПЭВД, отличаются способностью хорошо держать форму и практически не мнутся.

Высокая прочность позволяет использовать такие пакеты для хранения и транспортировки предметов с острыми и режущими углами.

Большое количество положительных характеристик сделали продукцию из ПЭВД наиболее востребованной для производства имиджевых фирменных пакетов. Упаковка подарков на крупных и престижных мероприятиях также производится в продукцию, выработанную из полиэтилена высокого давления.

Из такого полиэтилена изготавливаются плёнки для обёртки, контейнеры и пластиковые пакеты, которые отличаются красотой, эффектным глянцем и выдерживают порядка 4 кг веса.

Низкая кристалличность ПЭВД придаёт этому полимеру гибкость и мягкость. Он пластичный и слегка воскообразный на ощупь. Широкое применение и востребованность основываются на высокой прочности изготавливаемой из ПЭВД продукции.

Исходный материал отличается хорошей стойкостью к разрывам и ударам. Он прочен и легко выдерживает низкие температуры, многократное сжатие и растяжение.

Кроме того, полиэтилен ВД не токсичен. Его применение безопасно для человека, животных и окружающей среды.

Основные сферы применения ПЭВД: экструзия плёнки; кабельное производство; производство пластмасс под действием давления; выработка выдувных изделий.

Полимеризация этилена при низком давлении

Процесс полимеризации по этому способу может протекать при низкой температуре (до 70º С) и без давления или при малом давлении (1-7 кгс/см²) (ПЭНД) в присутствии комплексного гетерогенного катализатора, образующегося при взаимодействии некоторых металлоорганических соединений с солями тяжелых металлов переменной валентности.

Процесс полимеризации протекает в суспензии при условиях ионно-координационного механизма. В результате образуется полиэтилен со средним молекулярным весом 80–300 тыс. Открытие Циглером и Наттой новых высокоэффективных металлоорганических катализаторов произвело настоящую революцию в области непредельных углеводородов.

Преимущества рассматриваемого процесса состоят в возможности получения этилена с более высоким молекулярным весом (обладающего повышенной прочностью и теплостойкостью по сравнению с полиэтиленом высокого давления) и проведения этого процесса при атмосферном или небольшом избыточном давлении, т. е. в более выгодных условиях с точки зрения стоимости оборудования и энергозатрат.

Рис. 2 Структура ПЭНД

Полиэтилен низкого давления соответствует формуле (-СН₂-СН₂-)n и характеризуется линейной структурой с незначительными ответвлениями от основной цепи (рис. 2). Отсутствие объёмных ограничений позволяет выработать материал с повышенной кристалличностью, которая может достигать 80%. Он химически стоек по отношению к агрессивным химическим элементам и обладает отличными диэлектрическими свойствами.

Температура плавления зависит от длины полимерных цепей. Высокая температура плавления при изготовлении изделий из ПЭНД очень энергозатратна. Однако эксплуатационные характеристики таких изделий прекрасные. Они выдерживают довольно суровые условия и относительно высокие температурные режимы без образования механических повреждений.

Особенности ПЭНД, характеризующиеся высокой прочностью, небольшим относительным удлинением при разрыве и повышенной морозостойкостью, делают сферу его применения достаточно широкой.

В бытовом сегменте ПЭНД используется при производстве разнообразных кухонных принадлежностей и предметов быта.

В строительстве этот материал нашёл широкое применение в изготовлении водопроводных труб и различных строительных материалов. Наиболее часто используется в упаковочной промышленности в процессе производства упаковочной тары и бутылок.

Экструзия плёнки позволяет получить пакеты для фасовки, пакеты «майка» и пакеты с вырубной ручкой.

Используется при выработке барьерного слоя для многослойных упаковочных материалов, воздушно-пузырьковой плёнки и мусорных пакетов. Произведённые таким способом трубы применяются в системах газоснабжения, холодного водоснабжения и с целью защиты электросетей.

Применяются в дренажных системах, внешней и внутренней канализации, а также в виде обсадных труб в скважинах.

Кроме того, в процессе экструзии вырабатываются листы гидроизоляции, детали изделий для машиностроительной отрасли, мембраны для гидроизоляционных работ, конвейерные ленты.

Методом выдувания получают разнообразные плёнки и ёмкости.

При помощи литья под давлением вырабатываются товары народного потребления, двусоставные и односоставные крышки, тарные ящики, мебельная фурнитура и почти 400 наименований автокомплектующих.

Результатом ротоформования является выпуск: баков, бочек, мобильных туалетов, детских игровых комплексов, дорожных ограждений, колодцев, септиков, мусоросборов и эстакад.

Субъективными недостатками изделий из ПЭНД являются матовость поверхности, некоторая шершавость и недостаточная тягучесть. Кроме того, плёнка из полиэтилена низкого давления легко мнётся и шуршит.

Заключение

Из всех существующих в настоящее время полимеров полиэтилен - самый используемый материал. Если говорить о конкретных цифрах, то в общем числе выпускаемых в мире полимеров на долю полиэтилена приходится 31,5%. Полиэтилен обладает наилучшими качествами для создания упаковки: малая плотность, хорошая химическая стойкость, незначительное водопоглощение.

Востребованность полиэтилена объясняется его универсальностью и простотой технологии изготовления изделий, для переработки полиэтилена можно применить любой из известных методов, а возможность с помощью современных промышленных технологий получить полиэтилен с различной структурой позволяет значительно расширить сферу его применения.

Код для цитирования: Скопировать