Производство полиэтилена — получение и свойства вспененного и листового полиэтилена

Полиэтилен

Что такое полиэтилен

Полиэтилен (ПЭ, PE) – один из самых первых из крупнотоннажных и самый распространенный полимерный материал. Не будет преувеличением сказать, что полиэтилен известен практически всем людям и само это понятие в быту является синонимом пластмассы, как таковой. Не специалисты часто называют полиэтиленом многие материалы, которые ничего общего с ним не имеют.

ПЭ является простейшим из полиолефинов, его химическая формула (–Ch3–)n, где n – степень полимеризации. Основными разновидностями ПЭ являются полиэтилен низкого давления (ПЭНД, ПНД), он же полиэтилен высокой плотности (ПВП, PEHD, HDPE) и полиэтилен высокого давления (ПЭВД, ПВД), он же полиэтилен низкой плотности (ПНП, PELD, LDPE). Далее мы рассмотрим эти и другие виды ПЭ подробнее.

Полиэтилен – синтетический полимер, его получают при помощи полимеризации этилена (химическое название – этен) по свободно-радикальному механизму. Крупнотоннажный синтез ПЭВД и ПЭНД производится практически всеми ведущими мировыми нефтяными и газовыми концернами. В России полиэтилен производится на нефтехимических заводах «Роснефти», «Лукойла», «Газпрома», СИБУРа, на «Казаньоргсинтезе» и «Нижнекамскнефтехиме». В странах бывшего СССР полимер выпускают в Белоруссии, Узбекистане, Азербайджане. Серийные марки полиэтилена выпускают в виде гранул размером 2-5 мм, однако существуют и марки в виде порошка, например так выпускают в продажу сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ).

Рис.1. Полимер в гранулах

История ПЭ

Полиэтилену уже более 100 лет. Впервые его получил инженер из Германии Ганс фон Пехманн в 1899 году, с тех пор он считается изобретателем этого полимера. Но, как часто бывает, важное открытие сразу не нашло применения. Оно пришло только к концу 1920-х годов, а в 1930-е годы производство полиэтилена было окончательно налажено, в чем сыграли большую роль инженеры Эрик Фосет и Реджинальд Гибсон.

Изначально они синтезировали низкомолекулярный парафиновый продукт, который можно назвать полиэтиленовым олигомером. В итоге большой работы, в 1936 году изыскания инженеров по разработке установки высокого давления закончились получением патента на ПЭНП (ПЭВД). В 1938 году производство товарного полиэтилена стартовало. Первоначально он предназначался для производства оболочек телефонных кабелей и несколько позже – для выпуска упаковки.

Технологию производства полиэтилена высокой плотности (ПЭНД) начали разрабатывать также в 1920-х годах. Большую роль в производстве этого материала сыграл Карл Циглер – известный в среде пластмасс изобретатель катализаторов ионно-координационной полимеризации, самым важным из которых позже было присвоено имя Циглера-Натта. Окончательно процесс получения ПЭНД был полностью описан лишь в 1954 году и тогда же на нее был выдан патент. Промышленное производство нового полиэтилена с более высокими, чем ПЭВД свойствами стартовало несколько позже.

 

Получение полиэтилена

Опишем вкратце технологию производства обоих главных типов полиэтиленов.

1. ПЭВД (LDPE)

Этот полиэтилен, как понятно из названия, синтезируют при повышенном давлении. Синтез обычно проводят в реакторе трубчатого типа или автоклаве. Синтез проходит под действием окислителей – кислорода, пероксидов или и того, и другого. Этилен смешивают с инициатором полимеризации, сжимают до величины давления в 25 МПа и нагревают до 70 градусов С. Обычно реактор состоит из двух ступеней: в первой смесь еще больше разогревают, а во второй уже непосредственно проводят полимеризацию при еще более жестких условиях – температуре до 300 градусов С и давлении до 250 МПа.

Стандартное время нахождения этиленовой смеси в реакторе 70-100 секунд. За этот промежуток 18-20 процентов этилена преобразуется в полиэтилен. Затем непрореагировавший этилен отправляется на рециркуляцию, а получившийся ПЭ охлаждают до и подвергают грануляции. Полиэтиленовые гранулы вновь охлаждаются, сушатся и отправляются на упаковку. Полиэтилен низкой плотности производят в форме неокрашенных гранул.

1. ПЭНД (HDPE)

ПНД (ПЭ высокой плотности) производят при низком давлении в реакторе. Для синтеза применяют три основные вида техпроцесса полимеризации: суспензионный, растворный, газофазный.

Для производства ПЭ чаще всего применяют раствор этилена в гексане, который нагревают до 160-250 градусов С. Процесс проводят при давлении 3,4-5,3 МПа в течение времени контакта смеси с катализатором 10-15 минут. Готовый ПЭНД отделяют при помощи испарения растворителя. Гранулы получившегося полиэтилена проходят пропарку паром при температуре выше Т плавления ПЭ. Это нужно для перевода в водный раствор низкомолекулярных фракций ПЭ и удаления следов катализаторов. Как и ПЭВД, готовый ПЭНД обычно бывает бесцветным и отгружается в мешках по 25 кг, реже в биг-бэгах, цистернах или другой таре.

Виды полиэтилена

Помимо детально описанных в этой статье ПЭНД и ПЭВД промышленностью производятся и используются другие многочисленные типы полиэтиленов, основными группами из которых являются:

ЛПНП, LLDPE — линейный полиэтилен низкой плотности. Этот тип завоевывает всё большую популярность. По свойствам этот полиэтилен подобен ПЭВД, однако превосходит его по многим параметрам, в том числе по прочности и стойкости изделий к короблению.  

mLLDPE, MPE — металлоценовый ЛПЭНП.

MDPE — ПЭ средней плотности.

ВМПЭ, HMWPE, VHMWPE — высокомолекулярный.

СВМПЭ, UHMWPE — сверхвысокомолекулярный.

EPE — вспенивающийся.

PEC – хлорированный.

Также существует большое количество сополимеров этилена с различными другими мономерами. Наиболее известными из них являются сополимеры с пропиленом, которые производят под общими названиями рандом- или статсополимер и блоксополимер.

Помимо них производят сополимеры этилена с акриловой кислотой, бутил- и этилакрилатом, метилакрилатом и метилметилакрилатом, винилацетатом и т.д. Существуют и эластомеры на основе этилена, их обозначают аббревиатурами POP и POE.

Свойства полиэтилена

Говоря о характеристиках ПЭ нужно понимать, что свойства различных типов этого полимера сильно отличаются. Рассмотрим, как и в случае с синтезом, показатели двух наиболее распространенных типов.

1. ПЭ высокого давления (LDPE)

Молекулярная масса ПЭВД колеблется от 30 000 до 400 000 атомных единиц.

ПТР в зависимости от марки варьируется от 0,2 до 20 г/10 минут.

Степень кристалличности ПВД примерно составляет 60 процентов.

Температура стеклования равна минус 4 градуса С.

Температура плавления марок материала от 105 до 115 градусов С.

Плотность около 930 кг/куб. м.

Технологическая усадка при переработке от 1,5 до 2 процентов.

Основное свойство структуры полиэтилена высокого давления – разветвленное строение. Отсюда проистекает его низкая плотность, обусловленная рыхлой аморфно-кристаллической структурой материала на молекулярном уровне.

1. ПЭ низкого давления (HDPE)

Молекулярная масса ПЭНД колеблется от 50 000 до 1 000 000 атомных единиц.

ПТР в зависимости от марки варьируется от 0,1 до 20 г/10 минут..

Степень кристалличности ПНД составляет от 70 до 90 процентов.

Температура стеклования равна 120 градусов С.

Температура плавления марок материала от 130 до 140 градусов С.

Плотность около 950 кг/куб.м3.

Технологическая усадка при переработке от 1,5 до 2,0 процентов.

1. Общие свойства полиэтиленов

Химические свойства. ПЭ имеет низкую газопроницаемость. Его химстойкость зависит от молекулярной массы и от плотности полимера. ПЭ инертен к разбавленным и концентрированным основаниям, растворам всех солей, некоторым сильнейшим кислотам, органическим растворителям, маслам и смазкам. Полиэтилен не стоек к 50-процентной азотной кислоте и галогенам, например чистому хлору и брому. Причем бром и йод имею свойство диффузии сквозь полиэтилен.

Физические характеристики. Полиэтилен является эластичным достаточно жестким материалом (ПЭВД – существенно мягче, ПЭНД – жестче). Морозостойкость изделий из полиэтилена – до минус 70 градусов С. Высокая ударная вязкость, прочность, хорошие диэлектрические характеристики. Водо- и паропоглощение у полимера невысокое. С точки зрения физиологии и экологии ПЭ является нейтральным инертным веществом, без запаха и вкуса.

Эксплуатационные свойства полиэтилена. Деструкция ПЭ в атмосфере начинается с температуры 80 градусов С. Полиэтилен без специальных добавок не стоек к солнечной радиации и больше всего к ультрафиолету, легко подвергается фотодеструкции. Для уменьшения этого эффекта в композиции ПЭ добавляют стабилизаторы, например сажу для светостабилизации. Полиэтилен не выделяет вредные для здоровья и природы химикаты в окружающую среду, при этом он самостоятельно разлагается очень медленно – процесс занимает десятилетия. ПЭ довольно пожароопасен и поддерживает горение, этот факт нужно учитывать при его использовании.

Применение полиэтилена

Полиэтилен является самым популярным полимером в мире. Он неприхотлив в переработке и отлично поддается повторному использованию. Получить изделия из полиэтилена можно практически всеми разработанными на сегодняшний день методами переработки пластмасс. Он не требователен к качеству и конструкции оборудования и оснастке, ПЭ не нуждается в специальной подготовке перед переработкой, например сушке. Индустрией концентратов и добавок к полимерам производится огромное количество суперконцентратов пигментов для ПЭ и на основе полиэтилена. Во многих случаях они применимы для окраски в массе изделий не только из других полиолефинов, но и прочих полимеров.

Рис.2. ПНД трубы

В случае переработки полиэтилена методом экструзии получают пленку, применяющуюся на каждом шагу как в чистом виде, так и в виде пакетов в упаковке, фасовке, сельском хозяйстве; ПЭ трубы для водоснабжения и газа; оболочки кабелей; листы; вспененные профили и т.д..

Литьем полиэтилена под давлением производят многочисленные упаковочные изделия, например крышки и пробки, баночки. Также литьем производят медицинские изделия, хозяйственные товары бытового назначения, канцтовары, игрушки.

Полиэтилен можно переработать экструзионно-выдувным и инжекционно-выдувным формованием, ротоформованием, каландрованием, а также пневмо- или вакуумформованием из листов.

Более редкие, специализированные типы полиэтилена, например сшитый, хлорсульфированный, сверхвысокомолекулярный используют во многих отраслях, но больше всего в строительстве. Например сверхвысокомолекулярный ПЭ входит в состав композиций для выпуска оболочек оптиковолоконного кабеля. Армированный полиэтилен, в отличие от чистого полимера, может являться конструкционным материалом. Изделия из ПЭ хорошо поддаются сварке любыми методами: термоконтактным, газовым, с применением присадочного прутка, трением и т.п.

Экология и вторичное использование полиэтилена

В последние годы полиэтилен подвергается серьезному давлению из-за своей якобы не экологичности. На самом деле этот материал – один из самых безопасных. Проблема ПЭ в том, что это основной полимер, применяемый для производства пленок, в том числе тонких, и пакетов из них. Не имея адекватной политики по раздельному сбору мусора, многие низкоразвитые страны занимаются захоронением огромного количества ПЭ отходов, что приводит к попаданию полиэтилена в окружающую среду и водные ресурсы и загрязнению их.

Рис.3. Пакеты для мусора – типичное применение вторичного ПЭ

При этом в случае правильного сбора и сортировки мусора, полиэтиленовые отходы становятся ценным ресурсом и отличным вторичным сырьем. Уже достаточно большое количество предприятий в странах бывшего СССР закупают отходы полимера для переработки во вторсырье, получением гранул и последующим использованием в своем производстве или продажей вторичного ПЭ на рынке. Таким образом загрязнение планеты полиэтиленом должно в скором времени сойти на нет.

Как производят полиэтилен высокого и низкого давления, каковы их главные свойства и сфера применения

Оглавление

• Что такое полиэтилен?
  • Как появился полиэтилен
  • Формула полиэтилена
• Получение полиэтилена
• Виды полиэтилена
• Свойства полиэтилена
  • Химические свойства
  • Физические свойства
  • Эксплуатационные характеристики
• Применение полиэтилена

Полиэтилен – это самый часто встречающийся в мире полимер, и его популярность объясняется большим перечнем физико-эксплуатационных характеристик и массой практичных бытовых и промышленных свойств. А меняя показатель давления, применяемого для получения того или иного вида полиэтилена, параметры этого полимера можно варьировать в широком спектре.

Что такое полиэтилен?

Полиэтилен (ПЭ, PE) – полимер, который добывается путем термополимеризации этилена, в свою очередь получаемого из газа и нефти путем химического реагирования. В быту полиэтиленом называют пластмассу практически в любом ее виде. Этот синтетический полимер в наиболее потребляемых его видах производится передовыми компаниями, специализирующимися на добыче нефти и газа. В частности, в России его синтезируют на заводах «Роснефть», «Газпром», «Лукойл», «Нижнекамскнефтехим». Серийные марки ПЭ производят в виде микрогранул не более 2-5 мм, однако, есть разновидность этого полимера, поступающая в промышленный обиход в виде порошка. Сырьем для выработки полиэтилена служит бесцветный газ этилен, его особенность – характерный сладковатый запах.

Важно:

Этилен может растворяться в этаноле и в воде при некоторых условиях, а для синтезирования полиэтилена применяют только газ, прошедший глубокую очистку – до 99,8%. Посторонние примеси препятствуют нормальному течению реакции синтеза, а материал может поменять свой окрас.

Как появился полиэтилен

Полиэтилен известен уже более века. Его изобретателем признан инженер Ганс фон Пехманн, который сделал свое открытие в 1899 году в Германии. Однако в те годы полезное изобретение не было воспринято «на ура», ему долгое время не могли найти применения. Лишь в конце 1920-х годов синтез ПЭ был налажен. Но сначала это не был полиэтилен в привычном для современности понимании: первоначально проводился синтез низкомолекулярного парафинового вещества – олигомера полиэтилена. Только в 1936 году им удалось разработать меры для успешного синтеза ПЭ низкой плотности и получить на него патент. И в 1938 году было запущено синтезирование промышленного ПЭ, сферой применения которого на начальном этапе стало производство проводов для телефонов, а чуть позже – выпуск упаковки для продовольственных товаров.

Формула полиэтилена

ПЭ является органическим веществом, имеющим длинные «тела» молекул. Химический состав молекулы этого полимера имеет простой вид и визуализируется как цепочка из атомов углерода, к каждому из которых прикреплены по две молекулы водорода. Формула полиэтилена может быть записана как

(–Ch3–)n или (C2h5)n,

где n – степень полимеризации.

Полиэтилен синтезируется в двух вариантах, получаемых из СН2=СН2, отличных по структуре, а значит, и по свойствам. В одной из модификаций мономеры связываются в линейные цепи с показателем полимеризации выше 5000. В другой – ответвления из 4-6 атомов углерода крепятся к цепи хаотично. Для синтеза линейных полиэтиленов используются специальные катализаторы, выработка происходит при температурном режиме до 150°С и давлении до 20 атмосфер.

Получение полиэтилена

Принцип построения макромолекул полиэтилена – линейный, они также имеют некоторое число боковых ответвлений. Способ полимеризации материала отражается на свойствах, которыми будет обладать готовый ПЭ. Его получение возможно в двух химических концепциях:

• С помощью радикальной полимеризации этилена в газовой среде – так получают ПВД – это полиэтилен высокого давления. Синтезируется в автоклаве под окисляющим воздействием О2 или пероксидов. Сила давления – 25МПа, показатель температуры обычно не превышает 70°С. Используется двухступенчатый ректор: в первой стадии смесь сильнее разогревают, а во второй – полимеризуют при ужесточенных показателях – температуре до 300°С и давлении до 250 МПа.
• Путем ионной термополимеризации этилена в гексановом растворе – так синтезируется полиэтилен сниженного давления. Раствор этилена в бензине доводят до температуры 180-250°С. Показатель давления, необходимый для процесса – 3,4-5,3 МПа, катализатор воздействует на смесь в течение 15 минут. Степень готовности полиэтилена определяют по испарению растворителя.

Общий процесс выработки ПЭ можно охарактеризовать такими основными технологическими фазами:

• соединение этилена с газовой средой и кислородом;
• сжатие газово-этиленовой субстанции в двух стадиях;
• собственно, полимеризация массы;
• отделение непосредственно ПЭ от этилена, не вступившего в реакцию;
• гранулирование продукта.

Виды полиэтилена

Полиэтилен низкого давления – он же полиэтилен высокой плотности (ПЭВП). Для этого вида полиэтилена характерно малое число молекулярных ветвей, производят его при сниженном уровне давления, применяя суспензионный, растворный и газофазный техпроцессы полимеризации. ПЭНД обычно получается бесцветным и может отгружаться в любой подходящей таре – от мешков до цистерн. Используется для изготовления канистр, контейнеров для растворителей и мусора, отличается повышенной прочностью (к примеру, пакет из ПЭНД может выдержать до 20 кг).

Полиэтилен высокого давления (низкой плотности) ПЭВД или ПЭНП. Производится при повышенном давлении, а особенность его структуры – в сочетании продольных и укороченных ответвлений, которым богата формула ПЭВД. Производят его чаще всего в форме бесцветных гранул. Самая известная сфера применения этого вида полиэтилена – выработка оберточного материала, производство пластиковых пакетов и емкостей.
И хотя основными используемыми в промышленности видами полиэтилена являются ПЭНД и ПЭВД, есть другие формы производства этого полимера.

Линейный полиэтилен – это низкоплотный ПЭ с большим числом коротких ответвлений в молекулярной цепи. При растяжении и разрыве имеет максимальные значения прочности и растяжения. Плавится линейный ПЭ при повышенном температурном показателе, что делает его идеальным сырьем для упаковки под горячие продукты. Многочисленные боковые укороченные ветви, которыми характеризуется структура его молекул, делает особенно высокой эластичность расплава, и это свойство используют для произведения тонкой пленки. По сравнению с другими видами ПЭ наименее прозрачен, бывает разных уровней плотности.

Пенополиэтилен – материал с пористой структурой, что делает его хорошим вариантом средства для гидро- и теплоизоляции. В качестве материла для изоляции, вспененный полиэтилен производят в виде гибких листов или жгутов.

Сшитый полиэтилен – ПЭ, молекулы которого сшиты поперек, и за счет этих поперечных связей звенья его молекул образуют трехмерную сеть. Эта особенность наделяет ПЭ жесткостью и термоустойчивостью.

Свойства полиэтилена

Химические свойства

ПЭ практически газонепроницаем, а его химическая устойчивость зависит от плотности полиэтилена. Он инертен ко всем солевым растворам и концентратам, растворителям и отдельным сильным кислотам, маслам и смазывающим веществам, не взаимодействует с органическими растворителями. Но при показателе выше 60°С полиэтилен поддается воздействию азотной и серной кислот в концентрации 50%, не устойчив к хлору и брому.

Физические свойства

ПЭ – материал достаточной жесткости, эластичный, морозоустойчивый (выдерживает температуру до -70°С), гибкий. Обладает высокой вязкостью, диэлектрик, не увлажняется жидкостями. Полиэтилен – нейтральное вещество, бесцветное, но непрозрачное в толстом слое, не имеющее запаха и вкуса. Температура плавления полиэтилена в среднем 105-115°С, но точный показатель колеблется в зависимости от вида ПЭ.

Наименование физических характеристик	Средние показатели ПЭ
Плотность, г/см3	0,955 — 0960
Напряжение при растяжении, МПа	22 — 23
Температурная амплитуда применения	от -50°С до 80°С
Удлинение при разрыве, %	300-600
Ударная вязкость, кДж/м2	12
Теплопроводность, В/(м·°С)	44·10-2
Теплоемкость при 20-25 °С, Дж/кг·°С	1880
Кристаллизация при температуре	от -60 °С ­до -369 °С

Эксплуатационные характеристики

При температуре выше 80°С полиэтилен начинает разрушаться. Без добавления спецдобавок и стабилизаторов материал абсолютно неустойчив к УФ-излучению, подвержен фотодеструкции. ПЭ не источает в окружающую среду вредные вещества, но разлагаться самостоятельно может на протяжении десятилетий. Стоит учитывать пожароопасность материала и его свойство поддерживать горение.

Важно:

Физические свойства полимера и характер его эксплуатации будут разниться в зависимости от вида ПЭ.

Остановимся на самых распространенных его типах – ПЭВД и ПЭНД.

Вид полиэтилена	Мол. масса, а.е.м.	Плотность, кг/м3	Температурный показатель плавления, °С	Показатель упругости, МПа	Кристалличность	Относ. удлинение, %	Температура стеклования, °С	Показатель усадки при обработке
ПЭВД	30 тыс. – 400 тыс.	913-930	103-115	100-200	60%	100-800	-4	1,5-2%
ПЭНД	50 тыс. –1 млн	940-970	120-140	400-1250	70-90%	100-1200	120

Применение полиэтилена

Полиэтилен – самый известный и востребованный из-за своей практичности и универсальности полимер в мире. Выявлена масса способов переработки пластмассы, которые позволяют производить изделия из него.

Важно:

Полиэтилен обвиняют в неэкологичности, на самом же деле этот полимер один из наиболее безопасных, неприхотливых, хорошо поддается переработке, после которой нередко используется повторно.

Рассмотрим самые распространенные формы применения полиэтилена.

• Пленка. Этот универсальный материал повсеместно используют в виде разнофактурных пленок в промышленности, на производстве, в строительных работах. Производится она с помощью экструдера из гранулированного полиэтилена, который доводят до нужной температуры, плавят, после чего формируют.
• Трубы из полиэтилена используют для выкладывания инженерных сообщений (канализация, газо- и водопроводы) и коммуникаций. Процесс их изготовления идентичен этапам производства пленки, за исключением конструкции экструдера.
• Полиэтиленовые пакеты – легкая и удобная тара, в которой потребители переносят вещи и продукты. Сегодня невозможно представить свою жизнь без прозрачных пакетов для фасовки, «маек», практичных мусорных пакетов, пакетов с логотипами супермаркетов или торговых точек.
• Упаковка. Современная тара для продуктов питания также производится преимущественно из полиэтилена – бутылки, контейнеры, пластиковые пакеты и одноразовая посуда.
• Нельзя не упомянуть о широком производстве одноразовых полиэтиленовых перчаток, которые нашли широкое применение в промышленности, медицине и быту.
• Полиэтиленовые листы, производимые из ПЭВП или ПЭНП, являются отличной альтернативой древесине и стеклу, имеют небольшой вес и высокую жесткость. ПЭ прессуется в прочные листы разной толщины с высокой термостойкостью.

Продукты из полиэтилена с каждым годом находят все больше сфер для своего применения, занимая ранее пустующие области рынка. Включая в свой производственный процесс изделия из этого полимера, многие предприятия разных отраслей промышленности существенно облегчают его, делая максимально рентабельным. Статистические данные прогнозируют и дальнейший рост популярности полиэтилена, а значит, его производство в товарных масштабах будет только расти.

Смотрите также по теме «Что такое полиэтилен и в чем отличия его основных видов, особенности получения и применения»:

Все, что вам нужно знать о полиэтилене (ПЭ)

Что такое ПЭ и для чего он используется?

Полиэтилен – термопластичный полимер с переменной кристаллической структурой и широким спектром применения в зависимости от конкретного типа. Это один из наиболее широко производимых пластиков в мире: ежегодно во всем мире производятся десятки миллионов тонн. Коммерческий процесс (катализаторы Циглера-Натта), который принес ПЭ такой успех, был разработан в 19 веке.50-х годов двумя учеными, Карлом Циглером из Германии и Джулио Натта из Италии.

Существует несколько типов полиэтилена, каждый из которых лучше всего подходит для различных областей применения. Вообще говоря, полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) гораздо более кристалличен и часто используется в совершенно других условиях, чем полиэтилен низкой плотности (ПЭНП). Например, LDPE широко используется в пластиковой упаковке, такой как пакеты для продуктов или полиэтиленовая пленка. HDPE, напротив, широко применяется в строительстве (например, при производстве дренажных труб). Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (UHMW) имеет высокоэффективные применения в таких вещах, как медицинские устройства и пуленепробиваемые жилеты.

Какие существуют типы полиэтилена?

Полиэтилен обычно относят к одному из нескольких основных соединений, наиболее распространенными из которых являются LDPE, LLDPE, HDPE и полипропилен со сверхвысокой молекулярной массой. Другие варианты включают полиэтилен средней плотности (MDPE), полиэтилен сверхнизкой молекулярной массы (ULMWPE или PE-WAX), полиэтилен высокой молекулярной массы (HMWPE), сшитый полиэтилен высокой плотности (HDXLPE), сшитый полиэтилен. полиэтилен (PEX или XLPE), полиэтилен очень низкой плотности (VLDPE) и хлорированный полиэтилен (CPE).

• Полиэтилен низкой плотности (LDPE) — очень гибкий материал с уникальными свойствами текучести, что делает его особенно подходящим для изготовления пакетов для покупок и других видов пластиковой пленки. LDPE обладает высокой пластичностью, но низкой прочностью на растяжение, что проявляется в реальном мире по его склонности к растяжению при деформации.

• Линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE) очень похож на LDPE, но имеет дополнительные преимущества. В частности, свойства ЛПЭНП могут быть изменены путем корректировки компонентов рецептуры, а общий производственный процесс для ЛПЭНП обычно менее энергоемкий, чем для ПЭНП.

• Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) — прочный, умеренно жесткий пластик с высококристаллической структурой. Он часто используется в производстве пластиковых пакетов для молока, стирального порошка, мусорных баков и разделочных досок.

• Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (UHMW) представляет собой чрезвычайно плотный вариант полиэтилена, молекулярная масса которого обычно на порядок больше, чем у HDPE. Из него можно сплести нити с прочностью на растяжение во много раз большей, чем у стали, и его часто используют в пуленепробиваемых жилетах и ​​другом высокопроизводительном оборудовании.

Каковы характеристики полиэтилена?

Теперь, когда мы знаем, для чего он используется, давайте рассмотрим некоторые ключевые свойства полиэтилена. PE классифицируется как «термопласт» (в отличие от «термореактивного») в зависимости от того, как пластик реагирует на тепло. Термопластичные материалы становятся жидкими при температуре их плавления (110-130 градусов Цельсия в случае ПЭНП и ПЭВП соответственно). Полезным свойством термопластов является то, что их можно нагревать до точки плавления, охлаждать и снова нагревать без существенной деградации. Вместо сжигания термопласты, такие как полиэтилен, сжижаются, что позволяет легко формовать их под давлением, а затем перерабатывать. Напротив, термореактивные пластмассы можно нагревать только один раз (обычно в процессе литья под давлением). Первый нагрев вызывает схватывание термореактивных материалов (аналогично двухкомпонентной эпоксидной смоле), что приводит к химическому изменению, которое невозможно обратить. Если вы попытаетесь нагреть термореактивный пластик до высокой температуры во второй раз, он сгорит. Эта характеристика делает термореактивные материалы плохими кандидатами на переработку.

Различные типы полиэтилена демонстрируют широкое разнообразие своей кристаллической структуры. Чем менее кристаллический (или аморфный) пластик, тем более он проявляет склонность к постепенному размягчению; то есть пластик будет иметь более широкий диапазон между температурой стеклования и температурой плавления. Кристаллические пластики, напротив, демонстрируют довольно резкий переход от твердого состояния к жидкому.

Полиэтилен является гомополимером, так как состоит из одного мономерного компонента (в данном случае этилена: Ch3=Ch3).

Почему так часто используется полиэтилен?

Полиэтилен — невероятно полезный товарный пластик, особенно среди компаний, занимающихся дизайном продукции. Из-за разнообразия вариантов PE он используется в самых разных областях. Если это не требуется для конкретного применения, мы обычно не используем полиэтилен как часть процесса проектирования в Creative Mechanisms. Для некоторых проектов деталь, которая в конечном итоге будет массово производиться из полиэтилена, может быть прототипирована с использованием других, более удобных для прототипирования материалов, таких как АБС.

Полиэтилен недоступен для 3D-печати. Она может быть изготовлена ​​на станке с ЧПУ или вакуумной формовкой.

Как производится полиэтилен?

Полиэтилен, как и другие пластмассы, начинается с перегонки углеводородного топлива (в данном случае этана) в более легкие группы, называемые «фракциями», некоторые из которых объединяются с другими катализаторами для производства пластмасс (обычно путем полимеризации или поликонденсации). Подробнее о процессе можно прочитать здесь.

Полиэтилен для разработки прототипов на станках с ЧПУ и 3D-принтерах

Полиэтилен доступен в виде листов, стержней и даже специальных форм во множестве вариантов (LDPE, HDPE и т. д.), что делает его хорошим кандидатом для субтрактивной обработки обработки на фрезерном или токарном станке. Цвета обычно ограничены белым и черным.

PE в настоящее время недоступен для FDM или любого другого процесса 3D-печати (по крайней мере, не от двух основных поставщиков: Stratasys и 3D Systems). PE похож на PP тем, что с ним может быть сложно создать прототип. Вы в значительной степени застряли с обработкой с ЧПУ или вакуумным формованием, если вам нужно использовать их в процессе разработки прототипа.

Является ли полиэтилен токсичным?

В твердой форме, шт. Полиэтилен часто используется в пищевой промышленности. Он может быть токсичным при вдыхании и/или попадании на кожу или в глаза в виде пара или жидкости (т. е. во время производственных процессов). Будьте осторожны и следуйте инструкциям по обращению с расплавленным полимером, в частности.

Каковы недостатки полиэтилена?

Полиэтилен, как правило, дороже полипропилена (который можно использовать в аналогичных деталях). ПЭ уступает только ПП как лучший выбор для живых петель.

Если вашей компании требуется использование полиэтилена для питания вашего продукта, обратитесь в фирму по разработке продуктов, которая знает плюсы и минусы полиэтилена и сможет найти способ реализовать его или найти лучшую замену. Чтобы назначить встречу с командой Creative Mechanisms, свяжитесь с нами сегодня.

 

Полиэтилен (ПЭ): структура, свойства и применение

Полиэтилен (ПЭ) является наиболее широко используемым товарным пластиком. Он доступен во многих различных формах в зависимости от конфигурации его молекулярной цепи. Полиэтилен классифицируется как гомополимер из-за того, что он состоит из повторяющихся звеньев одного типа молекулы, этилена. Полиэтилен — это прочный, устойчивый к истиранию пластик, который можно легко формовать с помощью таких технологий, как литье под давлением и выдувное формование. Обычно он используется для бутылок, резервуаров для воды или пластиковых пакетов.

В этой статье будут обсуждаться структура, свойства и области применения полиэтилена.

Что такое полиэтилен (ПЭ)?

Полиэтилен относится к группе термопластичных гомополимеров, состоящих из молекулярных цепей, состоящих из многократно повторяющихся мономеров этилена (название IUPC «этен»). Полиэтилен и его варианты являются наиболее часто используемыми товарными пластиками. Полиэтилен обычно используется для пластиковых пакетов, контейнеров для еды и напитков и медицинских изделий, таких как коленные суставы. Химическая структура полиэтилена состоит из повторяющихся мономеров, состоящих из атомов углерода и водорода. Обычно существует четыре распространенных типа полиэтилена: полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (UHMWPE), полиэтилен высокой плотности (HDPE), полиэтилен низкой плотности (LDPE) и линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE).

Кто открыл полиэтилен?

Полиэтилен был открыт Реджинальдом Гибсоном и Эриком Фосеттом при реакции этилена с бензальдегидом в 1933 году. Первый патент на полиэтилен был подан в 1936 году компанией Imperial Chemical Industries. Карл Циглер позже изобрел процесс полимеризации HDPE (полиэтилена высокой плотности) в 1953 году, и один из ключевых катализаторов, используемых в процессе полимеризации, назван в его честь.

Какова химическая формула полиэтилена?

Основной полиэтиленовый полимер образован углеродной основной цепью, при этом каждый атом углерода в цепи имеет две одинарные связи с соседними атомами углерода, по одной с каждой стороны. Оставшиеся две углеродные связи заполнены атомами водорода. Полиэтилен можно описать как (C2h5)n, что представляет собой повторяющуюся молекулу этилена в полимерной цепи. Рисунок 1 ниже дает визуальное представление полимера полиэтилена:

Как производится полиэтилен?

Полиэтилен производится из этилена, побочного продукта переработки сырой нефти или природного газа. Этилен можно полимеризовать в полиэтилен только в присутствии подходящего катализатора, такого как металлоцен или катализаторы типа Циглера-Натта.

Наиболее распространенным процессом полимеризации является координационная полимеризация, которая представляет собой еще одну форму аддитивной полимеризации. Процесс работает путем введения свободного радикала в молекулу этилена. Этот свободный радикал вызывает разрыв двойной связи между двумя атомами углерода, что создает молекулу с открытым расположением связи с обеих сторон. Эта открытая связь затем соединится с другой молекулой с открытыми связями. Этот процесс продолжается, и молекулы непрерывно добавляются для образования длинных полимерных цепей полиэтилена. После полимеризации полимер выдавливается в длинные нити. Затем эти нити поступают в гранулятор, который разрезает нити на мелкие гранулы, которые можно отправить на переработчики полиэтилена.

Каковы свойства полиэтилена?

Свойства полиэтилена перечислены в таблице 1 ниже:

Каковы общие области применения полиэтилена?

Полиэтилен и его варианты являются одними из наиболее широко используемых пластиков и их можно найти почти во всех основных отраслях промышленности. Наиболее распространенными областями применения полиэтилена являются:

• Бутылки
• Резервуары для воды
• Контейнеры для пищевых продуктов
• Мешки
• Трубы и фитинги
• Гибкие пленки
• Медицинские имплантаты
• Веревки
• Рыболовные сети
• Износостойкие вкладыши для желобов

Какие бывают полиэтилены?

Четыре наиболее распространенных типа полиэтилена описаны ниже:

1. Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ): СВМПЭ имеет линейную молекулярную цепь без боковых разветвлений. Он обладает отличной стойкостью к истиранию и чрезвычайно прочен, что делает его подходящим для промышленного применения. СВМПЭ имеет гораздо более длинные непрерывные молекулярные цепи, чем другие полиэтилены, отсюда и название «сверхвысокой молекулярной массы».
2. Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП): Материал из ПЭВП имеет линейную молекулярную цепь с ограниченным количеством ответвлений от основной цепи. Это позволяет полимерной цепи сворачиваться в плотную структуру, обеспечивая более высокую эффективность упаковки и повышенную кристалличность по сравнению с ПЭНП. HDPE — это жесткий материал с хорошими механическими свойствами. Имеет непрозрачный вид.
3. Полиэтилен низкой плотности (LDPE): LDPE не имеет линейной молекулярной структуры HDPE. Вместо этого основной углеродный скелет может иметь дополнительные ответвления, которые имеют ту же форму, что и основная молекула полиэтилена. Эти ответвления не позволяют молекулярной цепи свернуться в плотно упакованную структуру, т. е. снижают эффективность ее упаковки по сравнению с линейной структурой ПЭВП. LDPE мягче, чем HDPE. Он также имеет тенденцию быть прозрачным и имеет низкую кристалличность.
4. Линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE): LLDPE имеет молекулярную структуру, аналогичную LDPE. Однако его ответвления значительно короче, чем у ПЭНП. Это означает, что молекулярные цепи не так легко запутываются. LLDPE имеет хорошую прочность на растяжение и очень высокое удлинение. По этой причине его часто используют в стретч-пленках.

Каковы преимущества использования полиэтилена?

Многочисленные преимущества полиэтилена:

• Низкая стоимость и доступность
• Может использоваться в качестве электрической изоляции
• Химически устойчив к растворителям и разбавленным кислотам
• Легко перерабатывается для литья под давлением
• Прочный и износостойкий
• Может производиться в виде прочных тонких пленок
• Некоторые марки являются прозрачными

Подходит ли полиэтилен для литья пластмасс под давлением?

Да, полиэтилен широко используется для литья пластмасс под давлением. Это один из самых простых в работе материалов. Простота обработки делает его популярным и в других областях, таких как выдувное формование и экструзия пленки. Для получения дополнительной информации см. Наше руководство по литью пластмасс под давлением.

Почему полиэтилен используется в пластике?

Полиэтилен является термопластом и как таковой не используется в пластике, а сам является пластиком.

Является ли полиэтилен экологически безопасным?

Нет, полиэтилен не экологичен. Как и большинство термопластов, полиэтилен производится как побочный продукт переработки сырой нефти и не поддается биологическому разложению. На самом деле, большой процент пластикового загрязнения происходит из-за выброшенных полиэтиленовых пленок и пакетов.

В чем разница между полиэтиленом и полипропиленом?

Разница между полипропиленом (ПП) и полиэтиленом (ПЭ) заключается в составе их полимерных цепей. Молекулярные цепи полипропилена состоят из повторяющихся мономеров пропилена (C3H6)n, тогда как цепи полиэтилена состоят из повторяющихся мономеров этилена (C2h5)n.

В чем разница между полиэтилентерефталатом и полиэтиленом?

Полиэтилен (ПЭ) и полиэтилентерефталат (ПЭТФ) — совершенно разные полимеры, производимые по-разному и используемые для разных целей. ПЭТ с химической формулой (C10H8O4)n получают в результате полимеризации этиленгликоля и терефталевой кислоты, а PE ((C2h5)n) получают в результате полимеризации этилена. Полиэтилен часто используется для изготовления пластиковых пленок или контейнеров, тогда как ПЭТ чаще используется для изготовления волокон. Он более известен как полиэстер. Для получения дополнительной информации см. Наше руководство по полиэтилентерефталату.

Резюме

В этой статье кратко описаны структура, типы, свойства и области применения полиэтилена (ПЭ). Чтобы узнать больше о полиэтилене и других видах пластика и о том, как они могут помочь вам в ваших уникальных приложениях, свяжитесь с экспертом Xometry сегодня.

Xometry предлагает широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и дополнительные услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатное предложение без каких-либо обязательств.