Технология получения полиэтилена

Содержание

 

 

 

 

Введение

 

Полиэтилен – полимер, использующийся наиболее широко в различных производственных отраслях. Его технология переработки относительно проста, полиэтилен перерабатывается всеми существующими способами для переработки пластмассы, при этом непосредственно для его переработки не требуется узкоспециализированное оборудование.

Комплекс химических, физико-механических и диэлектрических свойств определяет  потребительские свойства полиэтилена  и позволяет широко применять  его во многих промышленных отраслях (радиотехнической, кабельной, легкой, химической, медицине и др.)¹.

РЕ – международное название полиэтилена Полиэтилен выпускается под торговыми марками: Казпелен, Ставролен, MALEN-E, LUPOLEN, HOSTALEN LD и др.²

Полиэтилен (-СН2-СН2-)n – представитель  простейших полимеров. В зависимости  от способа синтезирования, молекулярная масса полиэтилена  колеблется в пределах от 20 тыс. до 3 млн. В процессе радикальной полимеризации этилена при высоких давлениях (120-150 МПа), в присутствии инициатора – кислорода или органического пероксида, получают полиэтилен с разветвленной структурой и низкой молекулярной массой.

Полиэтилен со строго линейной структурой и высокой молекулярной массой получают в процессе полимеризации, которая  проходит при низком давлении с участием металлоорганических катализаторов.

В 1933 году, полиэтилен начал производится в Англии в промышленных масштабах. На сегодняшний день во всем мире вид этого полимера  применяется наиболее широко во множестве отраслей промышленности.

Целью написания данного реферата явилось рассмотрение способов получения, свойств и области применения полиэтилена.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- дать общую характеристику  полиэтилена и перечислить его  основные виды;

- изучить особенности получения  полиэтилена;

- определить основные свойства  полиэтилена;

- рассмотреть основные области применения полиэтилена.

Предмет работы составляет материал – полиэтилен.

Объектом работы выступают свойства и особенности получения и  применения полиэтилена в современном  производстве.

Теоретико-информационную базу работы составили учебная и специальная литература, справочно-информационные издания, материалы публикаций в периодической литературе и ресурсы сети Интернет.

Структура реферата представлена введением, основной частью, заключением и списком  использованных источников.

 

 

 

 

1. Общая характеристика полиэтилена

 

Полиэтилен- это прозрачный термопластичный  материал, который имеет очень  низкую тепло- и электропроводность. Он обладает высокой химической стойкостью. Благодаря его свойствам, полиэтилен  применяют в производстве пластиковых  труб различного диаметра и назначения; при производстве изоляции электропроводки; он широко применим в изготовлении предметов бытового назначения и прозрачных пленок³.

Полиэтилен бывает нескольких типов, которые существенно отличаются друг от друга своими качественными и эксплуатационными характеристиками. Все зависит от параметров  полимеризации и применимых к ней катализаторов.

Химическая структура молекулы полиэтилена проста и представляет собою цепочку атомов углерода, к  каждому из которых присоединены две молекулы водорода.

Полиэтилен (ПЭ) [–СН2-СН2–] n существует в двух модификациях, отличающихся по структуре, а значит, и по свойствам. Обе модификации получаются из этилена  СН2=СН2. В одной из форм мономеры связаны в линейные цепи со степенью полимеризации (СП) обычно 5000 и более; в другой – разветвления из 4–6 углеродных атомов присоединены к основной цепи случайным способом. Линейные полиэтилены производятся с использованием особых катализаторов, полимеризация протекает при умеренных температурах (до 150 0С) и давлениях (до 20 атм.).

Полиэтилен – термопластичный  полимер, непрозрачен в толстом  слое, кристаллизуется в диапазоне  температур от минус 60°С до минус 369°С; не смачивается водой, при комнатной  температуре не растворяется в органических растворителях, при температуре выше 80°С сначала набухает, а затем растворяется в ароматических углеводородах и их галогенопроизводных; ПЭ устойчив к действию водных растворов солей, кислот, щелочей, но при температурах выше 60°С серная и азотная кислоты быстро его разрушают. Кратковременная обработка ПЭ окислителем (например, хромовой смесью) приводит к окислению поверхности и смачиванию ее водой, полярными жидкостями и клеями. В этом случае изделия из ПЭ можно склеивать⁴.

По своей структуре и свойствам (несмотря на то, что используется один и тот же мономер), ПЭВД, ПЭНД, линейный полиэтилен отличаются, и, соответственно, применяются для различных задач. ПЭВД мягкий материал, ПЭНД и линейный полиэтилен имеют жесткую структуру.

Также отличия проявляются в  плотности, температуре плавления, твердости, и прочности.

В Таблице 1 представлены свойства полиэтилена  высокой плотности.

Таблица 1

Свойства полиэтилена высокой  плотности

Разветвленные полиэтилены ранее  получали путем нагревания этилена  до 200° С с применением кислорода, в качестве инициатора, и при очень высоком давлении (свыше 1500 атм). Благодаря разветвлениям, уменьшается склонность полиэтилена к кристаллизации. Такой полиэтилен обычно называется полиэтиленом низкой плотности.

В Таблице 2 перечислены свойства полиэтилена низкой плотности.

Таблица 2

Свойства полиэтилена низкой плотности

Сравнительная характеристика полиэтилена  высокого и низкого давления (ПЭВД и ПЭНД) приведена в Таблице 3.

Таблица 3

Сравнительная характеристика ПЭВД и  ПЭНД

Полиэтилен	Мол. масса	Плотность, г/м3	Температура плавления, 0С	Модуль упругости, МПа	Vраст., МПа	Относ. удлинение, %
Низкой плотности (высокого давления)	50–800 тыс.	0,913–0,914	102–105	100–200	7–17	100–800
Высокой плотности (низкого давления)	50 тыс. – 3*10^6	0,919–0,973	125–137	400–1250	15–45	100–1200

Также разработаны способы получения полиэтилена низкой плотности при низком давлении и умеренных температурах. Путем сополимеризации этилена с другим олефином, например бутиленом CH2=CH–CH2–CH3. Где встраивается бутиленовая единица в цепь, там образуется короткая боковая цепь. В данном случае укладка цепей не такая плотная, как в чистом полиэтилене.

 

 

2. Технология получения полиэтилена

 

Различия полиэтиленов обусловлены  особенностями технологий производства. Полиэтилен бывает:

-        полиэтилен  высокого давления (ПЭВД, ПВД), это  то же самое, что и полиэтилен  низкой плотности (ПЭНП));

-        полиэтилен  среднего давления (ПЭСД);

-        полиэтилен  низкого давления (ПЭНП, LDPE), это то  же самое, что полиэтилен высокой  плотности (ПЭВП)⁵.

Для полиэтилена сырьем является газ  этилен. Путем полимеризации этилена  при низких и высоких давлениях, получается полиэтилен. Зачастую полиэтилен производится в виде гранул (ø 2-5 мм.), реже - в виде порошка. Полиэтилен причисляют к классу полиолефинов. Основные два  вида полиэтиленов: Полиэтилен Высокой Плотности (то же, что и Низкого Давления) HDPE; Полиэтилен Низкой Плотности (то же, что и Высокого Давления) LDPE. Есть еще несколько подклассов полиэтилена.

Этилен может быть полимеризован несколькими способами, в зависимости от этого полиэтилен разделяют на: полиэтилен высокого давления (ПЭВД) или низкой плотности (ПЭНП); полиэтилен низкого давления (ПЭНД) или высокой плотности (ПЭВП); а также еще на линейный полиэтилен.

ПЭВД полимеризуется радикальным способом под давле¬нием от 1000 до 3000 атмосфер и при температуре 180 градусов. Инициатором служит кислород.

ПЭНД полимеризуется при давлении не менее 5 атмосфер и температуре 80 градусов при помощи катализаторов  Циглера-Натта и органического растворителя.

Линейный полиэтилен (есть еще название полиэтилен среднего давления) получают при 30–40 атмосферах и температуре  около 150 градусов. Такой полиэтилен является как бы «промежуточным»  продуктом между ПЭНД и ПЭВД, что  касается свойств и качеств.

Не так давно начала применяться  технология, где используются так  называемые металлоценовые катализаторы. Смысл технологии заключается в  том, что удается добиться более  высокой молекулярной массы полимера, это, соответственно, увеличивает прочность изделия.

Полиэтилен  высокого давления (ПЭВД, ПВД) или полиэтилен низкой плотности (ПЭНП, LDPE) – получают при высоких  давлениях. В промышленности процесс  полимеризации этилена происходит в автоклавном или трубчатом  реакторах. Например, в трубчатом  реакторе реакция проходит по радикальному механизму. При воздействии с кислородом или пероксидами (бензоила, лаурила), используемых в качестве инициатора. Этилен в смеси с инициатором, нагретый до 700˚С и сжатый до 25 МПа, поступает в первый отсек реактора, где поддается нагреву до 1800˚С, постепенно перемещается во вторую зону, где, при давлении 150-300 МПа и температуре 190˚С-300˚С, полимеризуется. Время пребывания этилена в реакторе в среднем колеблется от 70 до 100 секунд. В зависимости от типа инициатора и его количества, средняя степень превращения 18-20%. На следующем этапе удаляется из полиэтилена, этилен, который не прореагировал. Расплав гранулируют, охладив до 180˚С-190˚С. На следующем этапе, гранулы охлаждают водой до 60˚С-70˚С,  упаковывают в мешки, предварительно просушив их теплым воздухом. Гранулы товарного полиэтилена  высокого давления могут быть окрашенными и неокрашенными⁶.

На рис. 1 показана формула получения  полиэтилена низкого давления.

Рисунок 1 – Формула получения  полиэтилена низкой плотности

Полиэтилен низкого давления (ПЭНД, ПНД) или полиэтилен высокой плотности (ПЭВП, HDPE) – получают при низких давлениях. Для получения данного  вида полиэтилена существуют 3 основные технологии: осуществляется газофазная полимеризация;  реакция происходит в растворе; реакция происходит в суспензии.

На рис. 2 изображена формула получения  полиэтилена высокой плотности.

Рисунок 2 – Формула получения  полиэтилена высокой плотности

Процесс получения  ПНД в растворе выглядит следующим образом. Данный процесс происходит при температуре 160˚С-250˚С, при воздействии давления 3-5 МПа, чаще всего в растворе гексана и в присутствии катализатора (катализаторы, например, смесь TiCl4 и AlR3), время воздействия с которым колеблется от 10 до 15 минут. От  раствора полиэтилен отделяют сначала в испарителе, потом в сепараторе, после – в вакуумной камере гранулятора. На следующем этапе, гранулы полиэтилена пропариваются водяным паром, температура которого превышает температуру плавления полиэтилена, для того, чтобы его низкомолекулярные фракции  перешли в воду, а остатки катализатора были нейтрализованы. Товарный полиэтилен низкого давления выпускается в гранулах, реже в порошках.  Бывает окрашенным и неокрашенным⁷.

 

3. Свойства полиэтилена

 

Основной причиной, вызывающей различия в свойствах ПЭ, является разветвленность макромолекул: чем больше разветвлений в цепи, тем выше эластичность и меньше кристалличность полимера. Paзветвления затрудняют более плотную упаковку макромолекул и препятствуют достижению степени кристалличности 100%; наряду с кристаллической фазой всегда имеется аморфная, содержащая недостаточно упорядоченные участки макромолекул. Соотношение этих фаз зависит от способа получения ПЭ и условии его кристаллизации. Оно определяет и свойства полимера. Пленки из ПЭНП в 5–10 раз более проницаемы, чем пленки из ПЭВП.

Механические показатели ПЭ возрастают с увеличением плотности (степени  кристалличности) и молекулярной массы. В виде тонких пленок ПЭ (особенно полимер  низкой плотности) обладает большей  гибкостью и некоторой прозрачностью, а в виде листов приобретает большую жесткость и непрозрачность.

Полиэтилен устойчив к ударным  нагрузкам. Среди наиболее важных свойств  полиэтилена можно отметить морозостойкость. Они могут эксплуатироваться  при температурах от -70°С до 60°С (ПЭНП) и до 100°С (ПЭВП), некоторые марки сохраняют свои ценные свойства при температурах ниже -120°С.

Полиэтилены, являясь предельными  углеводородами, стойки по отношению  ко многим агрессивным средам (кислотам, щелочам и т.д.) и органическим жидкостям.

Существенным недостатком полиэтилена  является его быстрое старение. Срок старения увеличивают за счет специальных  добавок – противостарителей (фенолы, амины, газовая сажа).

Вязкость расплава ПЭНП выше, чем  ПЭВП, поэтому он перерабатывается в изделия легче.