Основные свойства полиэтилена. Марки полиэтилена

Содержание:

1. Химическое-, макро -, микро - строение  полиэтилена…………...2
2. Основные свойства полиэтилена. Марки полиэтилена…………..5
3. Технология переработки полиэтилена……………………………..7
4. Области применения и изделия из полиэтилена ..………………...11
5. Список литературы…………………………………………………..17

1. Химическое -, макро -, микро - строение  полиэтилена.

Полиэтилен – это полимер, принадлежащий классу полиолефинов

Полиэтилен, как и многие другие изделия современной промышленности, являются результатом химической реакции, в частности – это продукт полимеризации этилена. Химическая формула этилена – С2Н4. Процесс изготовления полиэтилена происходит следующим образом: при полимеризации разрывается двойная связь этилена, после чего образуется полимерная цепь. Каждое элементарное звено этой цепи состоит из двух атомов углерода, а также четырех атомов водорода.(рис.1)

рис.1

В макромолекуле полиэтилена на концах основной полимерной цепи и боковых цепей содержится  СН3-группы: на 1000 углеродных атомов в полиэтилене высокого давления – 15-25, в полиэтилене низкого давления – 3-6, располагаются друг от друга  со средним интервалом~50 углеродных атомов, полиэтилене низкого давления~200-250 углеродных атомов. Короткие ответвления в полиэтилене высокого давления – метильные, этильные,  и бутильные группы, в полиэтилене низкого давления – метильные и этильные группы. У ПВД наряду с короткими ответвлениями имеются и длинные боковые цепи, величина и характер распределения которых окончательно не установлены.

В макромолекуле полиэтилена содержится также ненасыщенные связи трех типов: винилиденовые RR´C=CH2, винильные RCH=CH2 и транс-виниленовые RCH=CHR´. Число ненасыщенных связей 1000 атомов углерода в ПВД 0.4-0.6, В ПНД 0.6-0.8.

В полиэтилене  может содержаться не значительное число групп –С=О или –ОН.

Вследствие этого процесса может случиться разветвление полимерной цепи. Тогда на место атома водорода к валентности углерода, которая освободилась, присоединяется еще одна полимерная цепь.

Плотная упаковка макромолекул невозможна, именно ввиду разветвленности полимерной цепи. Таким образом, формируется рыхлая аморфно-кристаллическая структура материала, вследствие чего уменьшается и плотность полимера, и температура размягчения. Именно насколько разветвленная полимерная цепь полиэтиленов высокого и низкого давления, настолько и различные свойства указанных материалов.

Полиэтилен (ПЭ) [-СН2-СН2-] n существует в двух модификациях (высокого давления, низкого давления) отличающихся по структуре, а значит, и по свойствам.

Полиэтилен высокого давления (низкой плотности)  (рис.2)

 рис.2

           Полиэтилен низкого давления (высокой плотности). (рис.3)

рис.3

2. Основные свойства полиэтилена. Марки полиэтилена.

Предел текучести, модуль упругости при изгибе, твердость возрастают с уменьшением числа коротких боковых цепей в макромолекуле полиэтилена повышение степени кристаллизации и плотности полимера. Прочность при растяжении, относительное удлинение,  температура хрупкости, стойкость к растрескиванию под напряжением и ударная вязкость в большей степени определяются величиной молекулярной массы, чем степенью кристалличности. Сужение молекулярно-массового распределения линейного полиэтилена приводит к повышению прочности при растяжении, относительно удлинения, ударной вязкости, уменьшение усадки и стойкости к растрескиванию под напряжением.

Полиэтилен выгодно отличается от других термопластов сочетанием высокой прочности с достаточной эластичностью и способностью «работать» в очень широком интервале температур (-120-100)

Полиэтилен – неполярный полимер, обладающий высокими электроизоляционными свойствами. Для  полиэтилена характерно незначительное изменение электрических свойств в широком диапазоне температур и частот. Диэлектрические свойства полиэтилена ухудшаются с увеличением степени его окисления и при наличии примесей.

Полиэтилен очень лёгок в обработке и подвержен любым модификациям. При помощи различных комбинаций в обработке можно улучшить его свойства, придать ему дополнительные улучшенные качества и повысить устойчивость к теплу и химическому воздействию. При помощи сополимеризации с другим видом олефинов или полярных мономеров, минимизируется возможность появления микротрещин на нём, он становится более эластичным, повышается его прозрачность, улучшаются адгезионные свойства. Так, при смешении с бутилкаучуком или этиленпропиленовым каучуком – увеличивается вязкость и стойкость к растрескиванию.

Полиэтилен обладает низкой газо- и паропроницаемостью. Газопроницаемость разветвленного  ПЭВД  в 4-8 раз выше, чем у ПЭНД. Проницаемость полиэтилена для сильнополярных веществ и наибольшая для углеводородов.

Полиэтилен характеризуется малой проницаемостью для воды и  водяного пара.

Существует полиэтилен свервысокомолекулярный, свойства которого отличаются высочайшей прочностью, их молекулярная масса более 1 000 000. Эксплуатировать его можно при очень высокой температуре до 120 °С и при очень низкой от - 260 °С. Полиэтилен обладает очень высокой химической устойчивостью к воздействию агрессивной среды, у него очень низкий коэффициент трения, устойчив к растрескиванию.

Технические марки полиэтилена (примеры)

Полиэтилен марки ПЭНД 22-12 (газофазный метод) предназначен для изготовления изделий хозяйственного и бытового назначения методом литьевого формования. Это могут быть игрушки, не контактирующие с полостью рта ребенка, но изделия, контактирующие с пищевыми продуктами.

Полиэтилен марки ПЭНД 76-17 (метод экструзии) предназначен для изготовления технических изделий, контактирующих с продуктами питания. Также применяется метод выдувания для производства бутылок и различных емкостей. Методом же литья из данной марки изготовляют технические малогабаритные изделия (до 250 грамм), изделия хозяйственного обихода и д.р. Полиэтилен ПЭНД 76-17 (аналог 276-73) - самая востребованная марка для таких целей.

Полиэтилен марки ПЭНД 11-9 - это полиэтилен бимодального типа (ПЭ-100). Перерабатывается по однореакторной технологии. В свой состав рецептура стабилизации включает первичный термостабилизатор, вторичный термостабилизатор и светостабилизатор (технический углерод). Полиэтилен бимодального типа (ПЭ 100) марки ПЭНД 11-19 предназначен для изготовления изделий для инженерных трубопроводных систем: напорных труб и соединительных деталей.

Полиэтилен марки ПВД 158 — базовая марка, входящая в тройку самых популярных марок ПВД у отечественных переработчиков, а также идущая на экспорт. Основные методы переработки: экструзия (для различных пленок и пленочных изделий самого разного назначения), литье (для крупно- и малогабаритных изделий различного назначения) и выдувание (для формования выдувных изделий). Полиэтилен ПВД 158 применяется для изготовления детских игрушек, для изделий, контактирующих с продуктами питания и медицинского назначения.

Полиэтилен марки ПВД 108 - уникальный материал, обладающий высокой надежностью и не вступающий в реакцию с агрессивными средами, поэтому он применяется для покрытия антикоррозионной защиты различных труб и аппаратов. ПВД 108 не подвержен к воздействию коррозии, не гниет и не разрушается. Также применяется для производства пленок, использующихся для упаковывания пищевых продуктов и в фармацевтических, химических промышленностях. Является одним из лучших материалов для производства труб.

3. Технология переработки полиэтилена.

Полиэтилен является одним из самых, часто используемых полимеров, лидером в сфере производства материалов из полимеров. Одной из главных особенностей является его простой способ производства. Легко обрабатывается любыми способами и методами. Не нуждается в обработке узкоспециализированным оборудованием, которая может понизить интерес к его производству и обработке. На сегодняшний день известно большое количество всевозможных красителей и разнообразных добавок, которые могут усовершенствовать полиэтилен.

Широкое разнообразие свойств ПЭ позволяет перерабатывать его в широком диапазоне условий и методов. Для литья под давлением температура смолы ПЭНП составляет 160-260оС, для ПЭВП 260-300оС, а температура формы колеблется в пределах 50-70оС и 30-70оС, соответственно. Легко текучие марки полиэтилена используются для массового производства. Плотность и усадка изделий зависит от температурного режима до извлечения из формы. Быстро охлажденные изделия проявляют слабую кристалличность и усадку, но зато при нагревании усадка значительно возрастает за счет протекания процесса кристаллизации. В итоге изделие подвержено короблению и разрушению, так как в нем были заморожены внутренние напряжения. Избежать данной проблемы позволяет использование ПЭ с меньшим значением ПТР (показатель текучести расплава). Избежать хрупкости, вызванной сильной ориентацией молекул, можно повышением температуры расплава либо использованием марки полимера с наибольшим применимым значением ПТР. Из всех ПЭНП с ультранизкой молекулярной массой, только некоторые можно лить под давлением. При этом из-за очень низкого значения ПТР требуется использование литьевых машин с высоким давлением (до 1.100 бар), отсутствием противотока, гофрированной зоной питания и коротким участком течения расплава. Температура расплава порядка 240-300оС, температура формы 70-80оС. Линейный ПЭНП сложнее перерабатывать, чем нелинейный. Как правило, следует повышать мощность привода шнека и снижать производительность. Для литья с раздувом следует выбирать сорта ПЭ с более высоким значением ПТР, так как при этом заготовка не обрывается под собственным весом. Температуры расплава и формы варьируются в пределах от 140оС для ПЭНП до 160-190оС для ПЭВП, соответственно. Линейный ПЭНП меньше подходит для литья с раздувом из-за высокой вязкости расплава, вызванной узким распределением молекулярной массы. Он больше подходит для ротационного формования. ПЭНП экструдируют при температурах 140-210оС (пленки и трубы), 230оС (изоляция кабелей) и 350оС (нанесение покрытий). Для ПЭВП требуются температуры на 20-40 градусов выше. Эти сорта также используются для производства моноволокон. Пластификация при высоком давлении (2.000-3.000 бар) в двухшнековых или плунжерных экструдерах применяют для профилей из ультравысокомолекулярного ПЭВП. Экструзия линейного ПЭНП на оборудовании для ПЭНП приведет к снижению производительности на 20-30%. Это объясняется необходимостью снижения длинны шнека с 30D до 25-20D и снижением частоты вращения на 50%. Для компенсации снижения производительности применяют шнеки большего диаметра и с увеличенным шагом винтовой нарезки. Оптимальные температуры 210-235оС, а для экструзии пленок 250-280оС. При прогрессивной, контролируемой ориентации (30-ти кратной) волокон при условиях, приводящих к получению монокристаллической ориентации, получают очень жесткие волокна с прочностью 1-5 ГПА, модулем эластичности 50-150ГПА и растяжением при разрыве примерно 5%. Выделение ПЭ из раствора при сдвиге, приводит к получению целлюлозоподобных волокон, так называемых фибридов. Простые изделия получают при компрессионным литьем при давлении 2-5 бар. ПЭВП и ПЭНП можно прессовать при 105-140оС. Порошковые техники (центробежное формование, спекание в псевдоожиженном слое) используют ПЭ с диаметром частиц 30-800мкм, плотностью 0,92-0,95 г/см3 и низким объемным расходом. ПЭ с более высоким значением ПТТР используются для напольных покрытий и декорирования в форме. Ускоренные частицы ПЭ с диаметром примерно 50мкм подходят для электростатического покрытия металлов и тканей. Еще более тонкие порошки (8-30мкм) используются в бумажном производстве и типографской краске.

Для того, чтобы изготовить всевозможные канцелярские товары, игрушки, предметы, необходимые в обиходе, применяется метод литья под давлением.

Экструзия – процесс, который происходит с материалом при его выталкивании из области высокого давления в область низкого давления. При применении экструзии в обработке полиэтилена получаются всевозможные изделия: в строительстве (листовой полиэтилен, например); для сантехнических и прочих нужд (например, изготовление труб полиэтиленовых); применяется в коммуникациях (кабель из полиэтилена) и изготавливаются всевозможные полиэтиленовые плёнки для разнообразных нужд.

Выдувным экструзионным способом изготавливают разнообразные ёмкости, любые сосуды и тару. При применении термовакуумного формования получаются разные упаковочные материалы. Возможно производство специальных строительных материалов из вспененных, хлорсульфированных, сшитых и сверхвысокомолекулярных полимеров.

Новые технологии в промышленности позволяют рециклировать полиэтилен. Скупаются полиэтиленовые отходы, затем они перерабатываются и продаются для дальнейшего использования. Обычно, для того, чтобы получить рециклированный полиэтилен, применяют технологию экструдирования отобранных и очищенных отходов, которые затем подвергаются дроблению и получается отличный вторичный гранулированный материал, из которого можно изготавливать изделия.

Наиболее прогрессивным методом изготовления непрерывного рулонного полотна полиэтилена является экструзия его на шнек-машинах со щелевыми головками с последующим непрерывным каландрированием.

Для получения полотна шириной 1300-1400 мм применяют машины с диаметром шнека 90-150 мм. В этом случае длина всего агрегата достигает 12-15 м. Экструзионный метод переработки полиэтилена в различные изделия занял в последние годы доминирующее положение среди прочих - методов благодаря своей высокой эффективности как в отношении производительности, высокого и равномерного качества получаемых изделий, легкости регулирования и автоматизации, так и экономичности. Этому способствует и универсальность экструзионного метода, как по разнообразию выпускаемых изделий, так и по широкой применимости данного метода для разных термопластических материалов. Методами прессования и литья под давлением, а также методами газопламенного и вихревого наплавления перерабатывают не более четверти всей мировой продукции полиэтилена.

При экструзионном методе переработки в цилиндр шнек-машины через загрузочное отверстие непрерывно засыпают гранулированный полиэтилен. В цилиндре вращается с регулируемой в широких пределах скоростью винт (шнек), который гонит захваченные гранулы к выходному концу. Цилиндр по всей длине охвачен кольцевыми нагревательными элементами, а на выходном конце его укрепляют так называемую головку, имеющую профильное отверстие, которое определяет форму поперечного сечения изделия. В результате нагревания от стенок цилиндра и головки, а также вследствие механического перетирания сдавленных в витках шнека гранул последние расплавляются, гомогенизируются в сплошную вязкую массу, которая выдавливается через отверстие головки соответствующей формы.