См. также другие значения аббревиатуры ПНД.
Полиэтиле́н — термопластичный полимер этилена, относится к классу полиолефинов. Является органическим соединением и имеет длинные молекулы …—CH2—CH2—CH2—CH2—…, где «—» обозначает ковалентные связи между атомами углерода.
Представляет собой массу белого цвета (тонкие листы прозрачны и бесцветны). Химически стоек, диэлектрик, нечувствителен к удару (амортизатор), при нагревании размягчается (80—120 °С), адгезия (прилипание) — чрезвычайно низкая. Часто неверно называется целлофаном.
История Изобретателем полиэтилена считается немецкий инженер Ганс фон Пехманн, который впервые случайно получил этот полимер благодаря инженерам Эрику Фосету и Реджинальду Гибсону. Сначала полиэтилен использовался в производстве телефонного кабеля и лишь в 1950-е годы стал использоваться в пищевой промышленности как упаковка.
По другой версии, более принятой в научных кругах, развитие полиэтилена можно рассматривать с работ сотрудников компании Imperial Chemical Industries по созданию промышленной технологии производства, проводившихся начиная с 1920-х годов. Активная фаза создания начата после монтажа установки для синтеза, с которой в 1931 году работали Фосет и Гибсон. Ими был получен низкомолекулярный парафинообразный продукт, имеющий мономерное звено, аналогичное полиэтилену. Работы Фоссета и Гибсона продолжались вплоть до марта 1933 года, когда было принято решение модернизировать аппарат высокого давления для получения более качественного результата и большей безопасности. После модернизации эксперименты были продолжены совместно с М. В. Перрином и Дж. Г. Паттоном и в 1936 году завершились получением патента на полиэтилен низкой плотности (полиэтилен высокого давления - ПВД). Коммерческое производство ПВД (полиэтилена низкой плотности) было начато в 1938 годуДж. Уайт, Д. Чой.// Полиэтилен, полипропилен и другие полиолефины. — СПб.: Профессия, 2007..
История полиэтилена высокой плотности (полиэтилена низкого давления - ПНД) развивалась с 1920-х годов, когда Карл Циглер начал работы по созданию катализаторов для ионно-координационной полимеризации. В 1954 году технология была в целом освоена, и был получен патент. Позже было начато промышленное производство ПНД.
Названия Различные виды полиэтилена принято классифицировать по плотностиVasile C., Pascu M. Practical Guide to Polyethylene. — Shawbury: Smithers Rapra Press, 2008.. Несмотря на это, имеется множество ходовых названий гомополимеров и сополимеров, часть из которых приведена ниже.
Полиэтилен низкой плотности (высокого давления) — ПЭНПКулезнев В. Н. (ред.), Гусев В. К. (ред.)// Основы технологии переработки пластмасс. — М.: Химия, 2004., ПВД, LDPE (Low Density Polyethylene). Полиэтилен высокой плотности (низкого давления) — ПЭВП, ПНД, HDPE (High Density Polyethylene). Полиэтилен среднего давления (высокой плотности) — ПСД. Линейный полиэтилен средней плотности — ПЭСП, MDPE или PEMD. Линейный полиэтилен низкой плотности — ЛПЭНП, LLDPE или PELLD. Полиэтилен очень низкой плотности — VLDPE Полиэтилен сверхнизкой плотности — ULDPE Металлоценовый линейный полиэтилен низкой плотности — MPE Сшитый полиэтилен — PEX или XLPE, XPE Высокомолекулярный полиэтилен — ВМПЭ, HMWPE, PEHMW или VHMWPE Сверхвысокомолекулярный полиэтилен — UHMWPE Полиэтилен повышенной термостойкости (сополимер с октеном) - PE-RT (тип I и тип II)
В данном разделе не рассматриваются названия разных сополимеров, иономеров и хлорированного полиэтилена.
Молекулярное строение
Макромолекулы полиэтилена высокого давления (n ≈ 1000) содержат боковые углеводородные цепи C1—С4, молекулы полиэтилена низкого давления практически неразветвлённые, в нём больше доля кристаллической фазы, поэтому этот материал более плотный; молекулы полиэтилена среднего давления занимают промежуточное положение. Большим количеством боковых ответвлений объясняется более низкое содержание кристаллической фазы и соответственно более низкая плотность ПВД по сравнению с ПНД и ПСД.
+ Показатели, характеризующие строение полимерной цепи различных видов полиэтиленаПоказательПВДПСДПНДОбщее число групп СН3 на 1000 атомов углерода: 21,6 5 1,5Число концевых групп СН3 на 1000 атомов углерода: 4,5 2 1,5Этильные ответвления 14,4 1 1Общее количество двойных связей на 1000 атомов углерода 0,4—0,6 0,4—0,7 1,1—1,5в том числе: * винильных двойных связей (R-CH=CH2), % 17 43 87* винилиденовых двойных связей , % 71 32 7* транс-виниленовых двойных связей (R-CH=CH-R'), % 12 25 6Степень кристалличности, % 50—65 75—85 80—90Плотность, г/см³ 0,9—0,93 0,93—0,94 0,94—0,96
Полиэтилен низкого давления + Физико-механические свойства ПНД при 20 °CПараметр ЗначениеПлотность, г/см³ 0,94—0,96Разрушающее напряжение, кгс/см²* при растяжении 100—170* при статическом изгибе 120—170* при срезе 140—170Относительное удлинение при разрыве, % 500—600Модуль упругости при изгибе, кгс/см² 1200—2600Предел текучести при растяжении, кгс/см² 90—160Относительное удлинение в начале течения, % 15—20Твёрдость по Бринеллю, кгс/мм² 1,4—2,5
С увеличением скорости растяжения образца разрушающее напряжение при растяжении и относительное удлинение при разрыве уменьшаются, а предел текучести при растяжении возрастает.
С повышением температуры разрушающее напряжение полиэтилена при растяжении, сжатии, изгибе и срезе понижается. а относительное удлинение при разрыве возрастает до определённого предела, после которого также начинает снижаться
+ Изменение разрушающего напряжения при сжатии, статическом изгибе и срезе в зависимости от температуры (определено при скорости деформации 500 мм/мин и толщине образца 2 мм)Разрушающее напряжение, кгс/см²Температура, °С 20 40 60 80при сжатии 126 77 40 —при статическом изгибе 118 88 60 —при срезе 169 131 92 53
+ Зависимость модуля упругости при изгибе ПВД от температурыТемпература, °С−120−100−80−60−40−2002050Модуль упругости при изгибе, кгс/см²2810026700232001920013600740030502200970
Свойства изделий из полиэтилена существенно зависят от режимов их изготовления (скорости и равномерности охлаждения) и условий эксплуатации (температуры, давления, продолжительности. воздействия нагрузки и т. п.).
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности
Относительно новой и перспективной разновидностью полиэтилена является сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (СВМПЭ, англ. UHMW PE), изделия из которого обладают рядом замечательных свойств: высокой прочностью и ударной вязкостью в большом диапазоне температур (от −200°С до + 100°С), низким коэффициентом трения, большими химо- и износостойкостью и применяются в военном деле (для изготовления бронежилетов, шлемов), машиностроении, химической промышленности и др.
Химические свойства Горит голубоватым пламенем, со слабым светом, при этом издаёт запах парафина, то есть такой же, какой исходит от горящей свечи.
Устойчив к действию воды, не реагирует со щелочами любой концентрации, с растворами нейтральных, кислых и основных солей, органическими и неорганическими кислотами, даже с концентрированной серной кислотой, но разрушается при действии 50%-й азотной кислоты при комнатной температуре и под воздействием жидкого и газообразного хлора и фтора. При реакции полиэтилена с галогенами образуется множество полезных для химической промышленности продуктов, поэтому эта реакция может быть использована для переработки отходов полиэтилена. В отличие от непредельных углеводородов, не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия.
При комнатной температуре нерастворим и не набухает ни в одном из известных растворителей. При повышенной температуре (80 °C) растворим в циклогексане и четырёххлористом углероде. Под высоким давлением может быть растворён в перегретой до 180 °C воде.
Со временем подвергается деструкции с образованием поперечных межцепных связей, что приводит к повышению хрупкости на фоне небольшого увеличения прочности. Нестабилизированный полиэтилен на воздухе подвергается термоокислительной деструкции (термостарению). Термостарение полиэтилена проходит по радикальному механизму, сопровождается выделением альдегидов, кетонов, перекиси водорода и др.
Получение На обработку поступает в виде гранул от 2 до 5 мм. Различают полиэтилен высокого, среднего и низкого давления, они отличаются структурой макромолекул и свойствами. Полиэтилен получают полимеризацией этилена:
ПВД Полиэтилен высокого давления (ПВД) образуется при следующих условиях: температура 200—260 °C; давление 150—300 МПа; присутствие инициатора (кислород или органический пероксид);
Продукт получают в автоклавном или трубчатом реакторах. Реакция идёт по радикальному механизму. Получаемый по этому методу полиэтилен имеет средневесовой молекулярный вес 80 000—500 000 и степень кристалличности 50—60 %. Жидкий продукт впоследствии гранулируют. Реакция идёт в расплаве.
ПСД Полиэтилен среднего давления (ПСД) образуется при следующих условиях: температура 100—120 °C; давление 3—4 МПа; присутствие катализатора (катализаторы Циглера — Натта, например, смесь TiCl4 и AlR3);
Продукт выпадает из раствора в виде хлопьев. Получаемый по этому методу полиэтилен имеет средневесовой молекулярный вес 300 000—400 000, степень кристалличности 80—90 %.
ПНД Полиэтилен низкого давления (ПНД) образуется при следующих условиях: температура 120—150 °C; давление ниже 0,1—2 МПа; присутствие катализатора (катализаторы Циглера — Натта, например, смесь TiCl4 и AlR3);
Полимеризация идёт в суспензии по ионно-координационному механизму. Получаемый по этому методу полиэтилен имеет средневесовой молекулярный вес 80 000—300 000, степень кристалличности 75—85 %.
Следует иметь в виду, что названия «полиэтилен низкого давления», «среднего давления», «высокой плотности» и т. д. имеют чисто риторическое значение. Так, полиэтилен, получаемый по второму и третьему методам, имеет одинаковую плотность и молекулярный вес. Давление в процессе полимеризации при так называемых низком и среднем давлениях в ряде случаев одно и то же.
Другие способы получения Существуют и другие способы полимеризации этилена, например под влиянием радиоактивного излучения, однако они не получили промышленного распространения.
Модификации Ассортимент полимеров этилена может быть значительно расширен получением сополимеров его с другими мономерами, а также путём получения композиций при компаундировании полиэтилена одного типа с полиэтиленом другого типа, полипропиленом, полиизобутиленом, каучуками и т. п.
На основе полиэтилена и других полиолефинов могут быть получены многочисленные модификации — привитые сополимеры с активными группами, улучшающими адгезию полиолефинов к металлам, окрашиваемость, снижающими его горючесть и т. д.
Особняком стоят модификации так называемого «сшитого» полиэтилена ПЭ-С (PE-X). Суть сшивки состоит в том, что молекулы в цепочке соединяются не только последовательно, но и образуются боковые связи которые соединяют цепочки между собой, за счёт этого достаточно сильно изменяются физические и в меньшей степени химические свойства изделий.
Различают 4 вида сшитого полиэтилена (по способу производства): пероксидный, силановый, радиационный и азотный. Наибольшее распространение получил РЕх-b, как наиболее быстрый и дешёвый в производстве.
Радиационная обработка полиэтилена определёнными дозами приводит к появлению эффекта памяти формы и усиливает прочностьЧешуев В. И., Гладух Е. В., Сайко И. В. и др. Технология лекарств промышленного производства / В 2 частях, часть 1 // Винница, Нова Книга, 2014. — 696 с., ил. ISBN 978-966-382-540-3. С. 114..
Применение Полиэтиленовая плёнка (особенно упаковочная, например, пузырчатая упаковка или скотч). Тара (бутылки, ящики, канистры, садовые лейки, горшки для рассады). Полимерные трубы для канализации, дренажа, водо-, газоснабжения. Электроизоляционный материал. Полиэтиленовый порошок используется как термоклей. Броня (бронепанели в бронежилетах). Корпуса для лодок, вездеходов, деталей технической аппаратуры, диэлектрических антенн, предметов домашнего обихода и др.