Что такое полиэтилен: свойства, виды, получение, применение
17.05.2024
Во многих сферах жизни, а также в промышленности издавна используется полиэтилен. Из пластика изготавливается упаковка для товаров, ящики, строительные материалы, трубы, термоизоляция, листы, его применяют во многих отраслях производства. В этой статье разберемся, что такое полиэтилен, как его получают, виды, свойства и где применяется данный материал.
Характеристика полиэтилена ПЭ, PE
Полиэтилен входит в группу полиолефинов — пластмасс, которые получают полимеризацией ненасыщенных углеводородов. При производстве используется газ этилен. Молекула полимера несложная, она состоит из цепи углеродных атомов с двумя молекулами водорода: -СН2-СН2-СН2-СН2-. Связь между химическим элементами — ковалентная.
Мономеры связываются между собой в линейные цепочки, имеющие степень полимеризации (СП) более 5000. Цепи могут разветвляться из-за случайного присоединения нескольких атомов углерода к главной структуре. Линейные полиэтилены выпускаются при помощи специальных катализаторов. При использовании различных методов полимеризации в процессе производства получается полимер с заданными свойствами по ГОСТ.
Свойства полиэтилена
Полиэтилен — это термопластичный искусственный полимер, который может размягчаться при нагревании, не теряя при этом своих химических свойств. Пластик визуально похож на воск молочного цвета, а тонкие изделия и гранулы — бесцветные, прозрачные. Такая окраска называется натуральной. Полиэтиленовые изделия могут выпускаться также в окрашенными.
Часто полиэтилен сравнивают с полипропиленом, но между ними все-таки есть разница. Главное отличие ПЭ от ПП — это более высокая эластичность. Кроме того материал ПЭ обладает уникальными свойствами, присущими только ему:
- морозостойкость;
- хорошие амортизационные показатели;
- стойкость к ударным нагрузкам;
- водостоек;
- надежный изолятор;
- невысокая адгезия.
Под воздействием высоких температур от +80°С до +120°С пластик размягчается, при дальнейшем охлаждении принимает прежний вид. На материал не действуют органические растворители, но при повышенных температурах (более +80°С) он растворяется в ароматических углеводородах и их галогенопроизводных.
Химическая стойкость пластмассы проявляется еще в том, что на нее не действуют солевые, кислотные, щелочные растворы. Нельзя использовать полимер в серной и азотной кислоте при температуре выше +60°С, так как он разрушится под их воздействием.
Методы получения полиэтилена
Сырьем для производства пластмассы является чистый этилен. Этилен — это газ без запаха, цвета, который отлично растворяется в эфирах, ацетоне и углеводороде. Для производства ПЭ используются два основных химических метода:
- полимеризация в газовой фазе;
- координационно-ионная полимеризация в жидкой среде бензина.
В результате применения этих производственных технологий выпускаются два вида пластика: высокого ПВД и низкого давления ПНД. Линейный материал полимеризуется при умеренной температуре (до +150°С) и пониженном давлении до 20 атмосфер.
Полиэтилен высокого давления ПВД
ПВД — полиэтилен высокого давления при производстве синтезируются в температурном диапазоне при +200°С -+ 260°С. Катализатором в этом случае является кислород и перекись водорода. В процессе производства ПВД образуется промежуточный продукт, который в дальнейшем распадается, а полученные компоненты становятся основой для реакции полимеризации мономера: nСН2 = СН2 (-СН2-СН2-)n.
Технология производства ПВД состоит из 5 стадий:
- смешивание этилена с О2 и возвратным газом низкого давления;
- сжимание смеси газа;
- полимеризация;
- разделение готового продукта и остатков сырья, которые не среагировали;
- гранулирование жидкого продукта.
ПВД — полимер низкой плотности (ПЭНП, LDPE). Пластмасса изготавливается при высоком давлении от 1000 до 3000 атм при температурных режимах от +150°С до 275°С.
Линейный полиэтилен высокого давления ЛПВД
Линейный полиэтилен ЛПВД является пластиком с низкой плотностью (LLDPE). Он представляет из себя полимерную цепь с множеством коротких ответвлений. Материал производят с помощью сополимеризации этилена с олефинами, обладающими более длинной цепью.
В ЛПВД в отличие от марки ПВД отсутствуют длинные цепи разветвлений, поэтому у него такая конструктивная разница. Этот материал обладает эластичностью и мягкостью, показатель его плотности — от 0.915 до 0.925 г/см3.
Полиэтилен низкого давления ПНД
Полиэтилен низкого давления ПНД с высокой плотностью имеет маркировку ПЭВП. Материал производят полимеризацией газообразного этилена, но только устанавливается давление с низкими показателями — 30-40 атм и при пониженных температурах, если сравнивать с ПВД, — от 85°С до 180°С. В производстве применяется катализаторы в виде оксидов алюминия или хрома с органическими растворителями.
Чтобы избавиться от растворителя, пластическая масса направляется в испаритель, далее — в сепаратор и под конец следует в вакуумную камеру, где она гранулируется. Далее твердый ПЭ обрабатывают горячим паром.
Виды полиэтилена
ПЭ широко применяется во многих областях промышленности, где он пользуется огромным спросом. Существует несколько видов полимера, которые отличаются друг от друга разными показателями.
Виды полиэтилена по технологиям производства
Исходя из разных технологий, условий полимеризации полиэтилен можно разделить на 4 основных вида по его:
- линейный ПЭ высокого давления ЛПВД;
- ПЭ высокого давления: ПВД, ПЭВД, LDPE, ПНП;
- ПЭ среднего давления ПСД;
- ПЭ низкого давления: ПНД, ПЭНД, HDPE, ПВП.
Нужно добавить, что пластик среднего и низкого давления можно приравнять друг к другу, так как у этих материалов одинаковые показатели плотности, молекулярной массы, а также синтезируются они при равных условиях.
Особое влияние на свойства материала при производстве оказывает давление. Если применяется низкое давление, то выходит твердый полимер с повышенными жесткостью и показателями плотности (ПНД), и наоборот, более мягкий — с пониженной плотностью (ПВД) производят используя повышенное давление.
Сравнение физико-технических характеристик ПВД и ПНД
| Высокого давления | Низкого давления | |
|---|---|---|
| Плотность (в см³) | 0,92 - 0,93 | 0,94 - 0,97 |
| Теплостойкость (в °С) | 108 - 115 | 120 - 140 |
| Содержание кристаллической фазы (в %) | 53 - 67 | 80 - 96 |
| Молекулярный вес | 13000 - 50000 | 70000 - 300000 |
| Предел прочности при растяжении (в кг/см²) | 120 - 160 | 220 — 450 |
Виды листового полиэтилена
Листовой полиэтилен часто применяется в промышленности для производства оборудования и изготовления деталей. Рассмотрим основные разновидности листов ПЭ при различных видах производства:
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен РЕ 1000 (СВМПЭ)
Листовой материал РЕ 1000 (PE-UHMW) является сверхвысокомолекулярным полиэтиленом СВМПЭ, имеет молекулярную массу 1000 тыс. ед. Пластмасса обладает высокой ударопрочностью и легко переносит повышенные механические нагрузки без повреждения. Часто листы ПЭ используют для облицовки внутренних и наружных частей промышленного оборудования, из нее изготавливают детали скольжения. Склеить полиэтилен или соединить детали из него можно разными способами.
Материал 1000 отличается от марки 500 более высокими показателями износостойкости и ударопрочности. Одними из важнейших свойств PE-UHMW (1000) слабая гигроскопичность и невысокий коэффициент трения, который приравнивается к показателю фторопласта, а также намного превышает аналогичные показатели ацеталя и нейлона.
Материал СВМПЭ имеет большую молекулярную массу, длинные молекулярные цепи. Прочность молекулярных связей позволяет эффективно распределять нагрузки внутри изделия.
Также листы этой марки обладают повышенной прочностью волокон (от 300 до 380 cН/текс), поэтому они могут выдерживать высокие механические нагрузки. На PE 1000 не действуют гамма-излучение и другие агрессивные среды. Материал не боится низких температур, достигающих - 80°С, при этом он сохраняет свои физические свойства.
Лист высокомолекулярного полиэтилена РЕ 500 (ВМПЭ)
Листы высокомолекулярного пластика ВМПЭ (PE 500) используется как конструкционный материал. Основными его физико-техническими свойствами являются:
- высокая ударная вязкость;
- инертность в химических средах;
- морозостойкость;
- устойчивость к коррозии.
Инженерная пластмасса ПЭ 500 (PE-HMW) имеет большой срок эксплуатации, при котором она не теряет своих качеств. Конструкционный ВМПЭ может спокойно стерилизовать, а биологическая инертность позволяет использовать его в медицинской и пищевой отраслях.
Лист полиэтилена PE 300 (PE HD)
Листы полиэтилена высокой плотности PE 300 имеют дополнительную маркировку PE HD. Материал обладает высокой термопластичностью, легко сваривается. После спаивания листов или стержней этой марки получаются монолитные изделия, где невозможно определить сварочный шов. Конструкции из ПЭ 300 выдерживают эксплуатацию более 50 лет.
Основные технические характеристики ПЭ-300:
- устойчивость при растяжении;
- повышенная вязкость при ударах;
- высокая стойкость к внутреннему напряжению;
- хорошие диэлектрические показатели;
- низкая гигроскопичность в жидких средах;
- не разрушается в радиации;
- легко обрабатывается механически.
Кроме этих уникальных качеств, материал стоек в агрессивных средах — кислотах, щелочах. Воспламеняется PE 300 при температуре около +350°С. Так как в его состав входят только химические элементы — углерод и водород, то его горение сопровождается выделением воды и газов — угарного, углекислого. Полимер прекрасно сохраняет свои свойства при низких температурах.
Листовой полиэтилен РЕ 100 (HDPE)
Лист полиэтилена PE 100 (ПНД, HDPE) — это пластик с высокой плотностью, произведенный при низком давлении. К его главным характеристикам относятся: прочность к высоким ударным нагрузкам, инертность, низкий показатель трения.
Чтобы листы PE 100 стойко переносили воздействие ультрафиолетовых лучей, при производстве в пластическую массу добавляют специальные добавки. Материалы из ПЭ-100 сохраняют свои характеристики в широком диапазоне температур (от -50°С до +80°С), в том числе при низкой температуре. Это значительно расширяет возможности его применения. Пластмасса инертна в химических средах, поэтому она очень востребована в пищевой промышленности. Листы из HDPE легко обрабатываются механическим способом.
Выделим основные технические характеристики PE 100:
- морозостойкость;
- высокая ударопрочность;
- минимальный коэффициент трения;
- хороший диэлектрик;
- устойчивость в агрессивных средах;
- химическая стойкость.
Благодаря особым свойствам, листы ПЭ-100 применяются как высокопрочный синтетический материал для производства изделий, работающих с огромными нагрузками при эксплуатации.
Виды полиэтиленовых стержней
Полиэтиленовый стержень — это конструкционный пластик с аналогичными свойствами как у листов. Основные характеристики прутков PE — это стойкость к ударам и истиранию, самосмазываемость, антикоррозийность, низкая гигроскопичность, диэлектричность.
Стержневой полиэтилен в процессе использования можно поделить на два вида в зависимости от размера:
- прутки с сечением до 7 мм — для сварки деталей;
- стержни диаметром 10-400 мм — для изготовления деталей.
Промышленность выпускает следующие марки стержней ПЭ — ПВД, ПНД, PE 1000, 500, 300,100. Стержневой пластик производится разных цветов, особенно востребована натуральная и черная окраска.
Физико-технические характеристики ПВД
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Плотность, г/см³ | 0,900 - 0,939 |
| Температура для плавления, °С | 103 - 110 |
| Разрушающее напряжение при изгибе, Па (кгс/см²) | (117,6 - 196,07) - 105(120 - 200) |
| Предел прочности при срезе, Па (кгс/см²) | (137,2-166,6) - 105(140-170) |
| Предел прочности при разрыве, не менее Па (кгс/см²) | 113 - 105, 13 - 105 |
| Твердость no вдавливанию под заданной нагрузкой шарика, Па(кгс/см²) | (1,66 - 2,25) - 105(1,7 - 2,3) |
| Удельное электрическое поверхностное сопротивление, Ом | 1015 |
| Удельное электрическое объемное сопротивление, Ом·см | 1016 - 1017 |
| Водопоглощение за 30 суток, % | 0,02 |
| Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1010 Гц | 0,0002 - 0,0005 |
| Диэлектрическая проницаемость при частоте 1010 Гц | 2,25 - 2,31 |
| Температура хрупкости, He выше °С | от -100 до -120 |
| Усадка при литье, % | 1,0 - 3,5 |
Применение полиэтилена
ПВД, ПНД и другие марки широко используются в разных сферах промышленности. Так, пластмасса применяется в изготовлении кабеля в качестве оплетки, радиотехнике — в виде изоляции, для изготовления корпусов изделий, химической — для футеровки оборудования, медицинской и пищевой — для производства оборудования как инертный материал, не вступающий в реакцию с окружающей средой.
Для упаковки товаров повсеместно востребована пленка ПВД (пузырчатая, обычная), которая является надежной защитой от повреждений при транспортировке. Для сельского хозяйства пленка ПЭ незаменима в покрытии парников. ПВД применяется для оборудования, работающего в агрессивных средах. СВМПЭ закупает медицинская отрасль для производства искусственных хрящей суставов для протезирования.
Вспененный ПЭ является хорошей теплоизоляцией, из его порошка производят клей. В военной отрасли пластмассу используют для изготовления бронежилетов. Полиэтиленовую продукцию выпускают стандартными способами, при этом не требуется сверхсложного оборудования. После использования материалов, им дают вторую жизнь, изготавливая из отходов вторичные гранулы. Это защищает окружающую среду.