Для чего используют полиэтилен
Полиэтилен (ПЭ). Виды и применение. Свойства и особенности
Полиэтилен (ПЭ) – это термический полимер, молекула которого представляет собой сложную ковалентную связь атомов углерода. Материал является диэлектриком. Представляет собой белую массу. В тонком виде прозрачен, отличается низкой адгезией, не пропускает воду, отличается высокой химической стойкостью.
История появления
Материал является одним из первых полимеров. Впервые был получен случайно химиком Гансом фон Пехманном в 1899 году, однако не получил никакого распространения, так как его свойства не были исследованы и оценены. Начиная с 1930-х годов материал начал применяться в качестве изолятора при производстве токопроводящего кабеля. Дальнейшие исследования его качеств позволили оценить его химическую нейтральность. Благодаря этому с 1950-х годов полиэтилен стал самой распространенной пищевой упаковкой, заменив ранее применяемую бумагу.
Как производится полиэтилен
Для получения полиэтилена проводится сложная химическая реакция, задачей которой является укрепление молекул углеводорода этилена. При этом конечные свойства получаемого материала во многом зависят от условий протекания реакции полимеризации. На нее влияют температура, давление, пропорции реагентов.
В основном полиэтилен производится в виде гранул размером 2-5 мм. Они закупаются различными предприятиями, и путем плавки, перерабатываются в изделия самых разнообразных форм. Это осуществляется методом литья или экструзии.
Химические и физические свойства
Материал часто ошибочно называют целлофаном. Однако это совершенно разные полимеры, обладающие отличительными качествами. Определить полиэтиленовое изделие, можно его воспламенив. Материал горит голубоватым пламенем, но дает мало света. При этом выделяется такой же запах, как сгорающий парафин. То есть при сжигании полиэтилена не образуется дым как от жженого пластика. Запах от него ничем не отличается от сгорающей свечи.
Материал обладает следующими ценными химическими качествами:
Полиэтиленовые изделия отличаются очень высокой химической стойкостью. Их не разрушают концентрированные щелочи и кислоты. Благодаря этому из полиэтилена делают тару для хранения различных реактивов, даже серной кислоты. При этом растворить его при нормальной комнатной температуре может только 50% азотная кислота, причем при воздействии газообразного фтора или хлора. Так как воссоздать такие условия можно только искусственно, то вероятность случайного разрушения изделия из полиэтилена полностью исключается.
При повышении температуры его можно растворить в циклогексане. Также он растворяется в воде при температуре +180°С. Материал не впитывает влагу, и не набухает. Благодаря совокупности химических качеств из некоторых видов полиэтилена можно изготавливать протезы. Они не вступают в реакцию с живыми тканями человека.
Важным качеством полиэтилена выступает свойство старения. Со временем он становится хрупким, постепенно разрушается. При этом он раскладывается на перекись водорода и альдегиды. С одной стороны это негативное качество, но с другой весьма ценное свойство. Дело в том, что из полиэтилена преимущественно делают одноразовую упаковку. После использования она выбрасывается на свалку. Благодаря свойству старения она с годами разрушается на простые соединения. Нужно отметить, что старение происходит более интенсивно на воздухе под ультрафиолетом.
Также полиэтилен обладает ценными физическими качествами:
Из полиэтилена изготавливают изделия, которые не передают электрический ток. Он также может использоваться в качестве изолятора для жил проводов. Из него производятся гидроизоляционные мембраны. Он совершенно не пропускает воду. Эти качества в сочетании с химической стойкостью к агрессивным веществам, позволяют применять такую гидроизоляцию при выполнении строительных работ, к примеру, герметизации чаши бассейна, фундамента, и т.д.
Уровень прочности полиэтилена позволяет изготавливать из него изделия, на которые оказывается высокое давление, растяжение и прочие виды нагрузок. Примером являются полиэтиленовые водопроводные трубы. Прочность в сочетании с той же химической стойкостью исключают коррозию и растворение магистралей из этого материала.
Полиэтилен имеет низкую теплопроводность. Он применим в качестве теплоизоляционного материала при производстве технических приборов, электроники. К примеру, из него можно сделать рукоятку для нагревающегося устройства. За счет низкой теплопроводности она не будет горячей, даже если соприкасается с разогретой деталью из металла.
Это самый дешевый в производстве пластик в мире. Практически все полимерные изделия изготавливаются именно из него. Доля остальных пластиков сравнительно несущественна. Нужно отметить, что 35% всего полиэтилена перерабатывается в упаковку.
Температура плавления разных видов полиэтилена может отличаться, но в среднем она составляет +103°С. Это делает его достаточно выгодным для производства различных изделий, так как не нужны высокие энергозатраты на расплавление. Материал подходит для вторичной переработки.
Плотность полиэтилена составляет 910-965 кг/м³. Он в разы легче стали. Его использования при производстве несущих деталей механизмов, что позволяет минимизировать массу готовых изделий.
Благодаря отсутствию токсичных выбросов при сгорании, изделия из чистого полиэтилена можно утилизировать на мусоросжигательных заводах. Это делает его более безопасным для экологии, чем большинство прочих пластиков, которые получили широкое распространение.
Популярные типы
В зависимости от условий полимеризации могут образовываться следующие разновидности полиэтилена:
ПВД имеет невысокую плотность, за счет чего считается самым мягким и эластичным. Его неоспоримым достоинством выступает прозрачность и гладкость поверхности. Изделия из него блестят. Из ПВД изготавливают различные гибкие эластичные мембраны. Для получения полиэтилена высокого давления требуется соблюдения трех условий. В первую очередь полимеризация проводится при температуре 200-260°C. Для ее протекания необходимо высокое давление порядка 300 МПа, за счет чего материал и получил такое название. В качестве инициатора полимеризации выступает обычный кислород, реже пероксид.
Для производства ПСД реакция происходит при в 2 раза более низкой температуре, а давление при этом поддерживается всего на уровне 3 МПа. При этом используются более сложные катализаторы. Полиэтилен, образовывающийся при полимеризации, выпадает в растворе в виде хлопьев. Материал имеет более высокую степень кристалличности на 30%, чем ПВД, также он превосходит его по плотности.
ПНД это очень плотный материал. Из него делают различные детали механизмов, на которые оказываются серьезные нагрузки. При его производстве создается давление 0,1-2 МПа, при этом используется та же температура и катализаторы, что и при получении ПСД.
Линейный полиэтилен обладает ценными качествами, в частности он такой же прочный, как ПНД, но при этом эластичный как ПВД. Благодаря этому он получил распространение при производстве пленок. Самое затратное и сложное это получение сверхмолекулярного полиэтилена. Образовывающийся в результате материал превосходит по качествам прочие разновидности ПЭ. Из него изготавливают пластиковые детали сложных механизмов.
Область использования
Полиэтилен используется для производства:
Трубы из полиэтилена могут использоваться при строительстве водогонов, а также систем водяного отопления. В частности они получили широкое распространение при монтаже теплого пола. Такие трубы закладываются в бетонную стяжку единым контуром без соединения, за счет этого полностью исключается вероятность протечки вне зоны возможного ремонта.
Наиболее часто из полиэтилена изготавливаются пленки. Это как тонкие мембраны для гидроизоляции, так и упаковка. Обычные полиэтиленовые пленки имеют достаточно ограниченный ресурс использования при контакте с ультрафиолетом, примерно 3-4 года. Постепенно они становятся ломкими, теряют прозрачность. В этом плане чистый полиэтилен превосходит полиолефиновая композиция, в состав которой добавляется полипропилен. За счет этого комбинированный материал имеет ресурс 7 лет и больше. Достаточно распространенная пупырчатая пленка для упаковки также изготавливается из полиэтилена. Из него делают и армированные сеткой мембраны, строй-пленку, скотч.
Из полиэтилена изготавливаются различные пластиковые емкости. Это бочки для хранения жидкостей, в том числе и пищевые. Также это баки для летнего душа, накопительные емкости для канализации.
Вся одноразовая посуда изготавливается из полиэтилена. Это как тарелки, так и ложки, вилки, стаканчики. Из полиэтилена делают пластиковые контейнеры, судочки, мисочки, оболочку термосов, половники, цветочные горшки. Из полиэтилена отливают сувенирную продукцию, детские и елочные игрушки. Он отличается неплохой износоустойчивостью. Игрушки из полиэтилена менее склонны к трещинам при давлении, чем изделия из других пластиков.
Полиэтилен: свойства и применение
Полимер представляет собой органическое соединение, относится к классу полиолефинов. Термопластичный полимер этилена своеобразная масса прозрачных тонких листов имеет множество практичных качеств, сделавших его незаменимых в обиходе. Его часто называют целлофаном.
История возникновения
Первая дата упоминания об изобретения полиэтилена относится к 1899 г. Родина возникновения химического соединения – Германия. Однако заслуга практичного применения и распространения материала в его современном виде принадлежит инженерам Гибсону и Фосету. С середины прошлого столетия для производства кабельной продукции, позднее для выработки упаковочного материала широкое использование получил синтетический полимерный материал. Так применение полиэтилена в промышленности позволило создавать новые виды продукции.
Химическая формула полиэтилена (CH2CHR)n
Разновидности
Известно две основные группы полимеров, которые различают по прочности и плотности основы материала. Это
В разных источниках можно встретить другие названия, к примеру, сополимеры и гомополимеры. Но все они являются производными от двух основных групп. В процессе производства разработаны различные технологии выпуска широко востребованного материала. Именно технологические различия и физические свойства полиэтилена обосновывают разнообразность данного вида продукции.
Высокая прочность материала, другие востребованные свойства, которые обосновывают широкое использование тонкой прозрачной пленки, в сочетании с относительно низкой стоимостью производства, позволяют постоянно расширять область применения. Особенное свойство, обуславливающее термопластичность полиэтилена, вывело продукт на верхние позиции популярных упаковочных материалов.
Особенности химического состава дают поистине неограниченные возможности его использования. В своей основе вещество является высокомолекулярным соединением, которое состоит из длинных разветвленных цепей. В зависимости от технологических особенностей производственного процесса при полимеризации вещества изменяются свойства конечного продукта.
Свойства
В зависимости от плотности молекулярной массы продукта могут меняться его физические свойства полиэтилена.
Полиэтилен низкого давления свойства:
Полиэтилен низкого давления применение:
Полиэтилен высокого давления свойства:
В промышленности из него изготавливается тара, упаковка для парфюмерной и пищевой промышленности (бутылки, тюбики и др.). Пригоден для изготовления контейнеров, труб и деталей трубопроводов. Разнообразие и физические свойства полиэтилена делают возможным успешно использовать материал в разных сферах деятельности. Материал занимает лидирующие позиции по использованию среди других пластмасс.
Важно. Полиэтилен безопасный для здоровья и экологически безвредный материал. Легко подлежит переработке, используется во вторичной форме.
Основные особенности присущие синтетическому материалу придают различия молекулярно-массовых распределений внутри полимера. Чем выше плотность молекулярной массы, тем жестче и тверже становится пластмасса. Эти химические свойства полиэтилена влияют на влагопроницаемость, прозрачность и стойкость при сохранении целостности поверхности готовой продукции.
Сферы применения
Изделия из полиэтилена применяются практически везде. Из прочного и недорогого материала изготавливают упаковку и контейнера для транспортировки товаров на длительные расстояния. Уникальные диэлектрические свойства полиэтилена нашли свое применение в производстве инструмента, защитной и рабочей одежды, кабельной продукции, товарах бытового применения и многое другое.
Универсальные свойства и применение полиэтилена в самых различных сферах повышает спрос и стимулирует разработку новых видов товаров и изделий. Из пнд изготавливают:
Сфер применения полимера много, так применение пнд обусловливают особенности физических свойств и технические характеристики готовой продукции. Структура молекулы полиэтилена нд отличается кристалличностью и имеет иную плотность. Особенности производства – температура изготовления 120-150 0 С, давление до 2 МПа. Для выработки требуется присутствие специального катализатора.
При охлаждении полимера в процессе производства образуются плотные соединение имеющие стабильную устойчивость к высоким температурам. Из такого материала изготавливаются изделия, пригодные для кипячения и контакта с высокотемпературной средой.
Не менее широко используется полиэтилен высокого давления.Его примененяют при изготовлении товаров для морской, автомобильной, строительной промышленности и иных сферах производства. В основу производства легли некоторые химические отличия пластмассы, которые базируются на более низкой степени кристаллизации вещества. ПВД примененяют в следующих направлениях:
Процесс изготовления ПЭВД — температура 200- 260 0 С, давление 150 – 300 МПа. Присутствие кислорода или органического пероксида обязательно.
Важно. Легкий эластичный, кристаллизующийся материал с теплостойкостью до 60 0 имеет один существенный недостаток – быстро стареет.
Пленки из полиэтилена
При производстве пленки и листов из полиэтилена может быть использован материал любой плотности. Популярная полиэтиленовая пленка, характеристики которой значительно выше, чем у других видов упаковки — один из самых востребованных и экономичных товаров. Современные технологии позволяют создать пленку из ПЭ толщиной от 0,03 мм, длина рулона достигает 300 м.
Пленка пригодна для упаковки пищевой продукции, сохраняет качество и внешний вид товара. Давно стали привычными некоторые виды спецодежды, изготовленные из непромокаемой пленки – плащи, накидки, перчатки хозяйственные и многое другое.
Армированная пленка характеризуется высокой прочностью и используется для изготовления скатертей, упаковки, защитной одежды, для производства теплиц. Сферы применения изделий из ПЭ постоянно расширяются, свойства полиэтиленовой пленки поистине универсальны.
Упаковочный материал в листах толщиной от 1 до 6 мм с шириной до 1400 мм вырабатывают методом вакуумного формирования. Крупногабаритные изделия из ПЭНД прочно вошли в нашу жизнь. Это трубы сантехнические, ванны, бачки и емкости различного назначения. Технологические приемы разнообразят ассортимент и назначение изделий, товары народного потребления из пластмассы вошли в каждый дом.
Ведущее место в мире сегодня занимает производство изделий из полимера. Ширится разновидность марок изделий. Основные группы, выпускаемые на сегодняшний день из полиэтилена и сополимеров, насчитывает не один десяток, давая возможность развиваться новым технологиям. Выпуск востребованных и качественных товаров постоянно увеличивается, находя новые сферы применения.
Что такое полиэтилен. Его особенности и характеристики, сферы применения
ПЭ (полиэтилен) представляет собой термический полимер. Атомы углерода в его молекуле соединены между собой сложными ковалентными взаимосвязями. Этот материал имеет вид массы белого цвета, является диэлектриком. Ему свойственны невысокая адгезия, водонепроницаемость, высокая химическая устойчивость. Тонкий слой такого материала достаточно прозрачен.
Когда появился полиэтилен
Этот материал впервые стал известен в конце 19-го века. Его можно отнести к первым полимерам. Впервые его случайно удалось получить в 1899 г. немецкому химику Гансу фон Пехманну. Тем не менее, из-за недостаточной изученности его свойств, данный материал почти не использовался. Лишь в 1930 г. полиэтилен впервые был использован как изолятор в процессе изготовления токопроводящего кабеля. После углубленного исследования свойств ПЭ удалось установить, что этот материал является химически нейтральным. По этой причине уже с 1950 г. полиэтилен стал широко применяться в качестве упаковки для пищевых продуктов. Тем самым он стал заменой используемой раньше в этих целях бумаге.
Особенности производства полиэтилена
Чтобы изготовить полиэтилен, требуется особая химическая реакция, в результате которой упрочняются молекулы углеводорода этилена. Какими будут окончательные характеристики полученного материала, зависит от того, как происходила реакция полимеризации. Особенное внимание должно уделяться пропорциям компонентов, а также давлению и температуре, при которых протекает реакция.
ПЭ изготавливается, чаще всего, в форме маленьких (от 2 мм до 5 мм) гранул. В дальнейшем производственные предприятия покупают нужный объем такого сырья. При помощи плавки из него изготавливаются предметы различной формы. Это возможно благодаря способам экструзии либо литья, используемым на предприятии.
Физические и химические характеристики
Многие считают, что целлофан и полиэтилен – один и тот же материал. Это ошибочное мнение, поскольку у этих полимеров абсолютно разные свойства. Легко установить, что изделие изготовлено из ПЭ, можно путем его воспламенения. Пламя от горящего полиэтилена будет иметь голубоватый оттенок, однако давать недостаточно света. Выделяемый в процессе горения запах будет напоминать запах от горения парафина. Дыма, как при сжигании пластика, в случае с ПЭ не наблюдается, а запах будет таким же, как при горении свечи.
Основные химические свойства материала:
Изделиям из ПЭ свойственна высокая химическая устойчивость. Они не разрушаются даже под воздействием высококонцентрированных кислот и щелочей. Именно это ценное свойство материала способствовало тому, что из него стали изготавливать емкости для хранения химических реактивов. В такой таре можно хранить, кроме всего прочего, даже серную кислоту. Чтобы ПЭ растворился при комнатной температуре, на него нужно воздействовать 50 %-ной азотной кислотой в комплексе с хлором или фтором в газообразном состоянии. Поскольку подобные условия создаются лишь искусственным путем, полиэтиленовое изделие не может быть разрушено нечаянно.
Для растворения полиэтилена может использоваться циклогексан или четырёххлористый углерод при температуре 80 °C. Материал не разбухает под воздействием влаги, поскольку обладает влагоотталкивающими свойствами. Полиэтилен пригоден для производства протезов. При соприкосновении таких изделий с живыми тканями человеческого организма не происходит никаких химических реакций.
Необходимо обращать внимание на то, что ПЭ свойственно стареть. Материал постепенно разрушается, становясь довольно хрупким. Происходит разложение его на альдегиды и H2O2 (перекись водорода). Такое свойство одновременно является и негативным, и положительным. Ценность такого качества в том, что в основном ПЭ используется для производства одноразовой упаковки, которая после применения выбрасывается. По прошествии времени материал распадается, образуя простейшие соединения. При этом процессы старения ускоряются на открытом пространстве и под воздействием УФ-лучей.
Ценные физические свойства полиэтилена:
Полиэтилен оптимален для производства изделий, не проводящих электричество. Поэтому данный материал применяется как изолятор в проводах. Его используют также для создания гидроизоляционных мембран. Кроме того, полиэтилен применяется в качестве гидроизоляции при обустройстве фундаментов, бассейнов и т. п. Такая сфера применения обусловлена способностью материала отталкивать воду, а также его устойчивостью к воздействиям химических веществ.
ПЭ обладает высокой прочностью, благодаря которой он может применяться для производства изделий, подвергающихся серьезным нагрузкам (растяжению, давлению). В качестве яркого примера можно привести водопроводные трубы из полиэтилена. Они, кроме прочего, не повреждаются коррозией и не растворяются в агрессивных средах.
Благодаря низкой теплопроводности ПЭ является отличным теплоизоляционным материалом. Он незаменим при изготовлении различных электротехнических устройств, к примеру, при производстве рукояток для нагревающихся приборов. Благодаря низкой теплопроводности такая деталь не нагреется даже при непосредственном контакте с разогретой металлической поверхностью.
Полиэтилен дешевле остальных пластиков. Большая часть полимерной продукции производится именно из ПЭ. Вместе с тем доля прочих пластиков достаточно невелика. Заметим, что около третьей части всего полиэтилена идет на изготовление упаковки.
Температура плавления полиэтилена зависит от его вида. Так, для ПВД различной плотности требуется от 103 до 110 °C. ПНД за счет большей молекулярной массы и строго линейного строения требует в среднем на 20 ° больше, то есть от 130 до 137 °C соответственно. Возможны небольшие отклонения от этого среднего значения. Поэтому полиэтилен не требует значительных расходов энергии для расплавления и очень выгоден в производстве. ПЭ также может подвергаться повторной переработке.
Показатель плотности ПЭ – 910–965 кг/м³. Этот материал отличается легкостью, которая во много раз превышает легкость стали. Благодаря такой особенности из него могут изготавливаться несущие детали, а значит, вес готового изделия будет минимальным.
При сгорании материал не выделяет в атмосферу вредных веществ. Поэтому изделия из него (при условии отсутствия прочих примесей) могут легко утилизироваться. Оптимально делать это на заводах по сжиганию мусора. Таким образом, полиэтилен причиняет окружающей среде меньший ущерб, чем другие широко распространенные пластики.
Самые популярные виды
Выделяют несколько видов ПЭ, которым требуются разные условия для протекания реакции полимеризации. Различают ПЭ:
Плотность ПВД довольно незначительна, поэтому это наиболее эластичный и мягкий из всех видов полиэтилена. Он отличается гладкостью поверхности, а также довольно прозрачен. Изделия, выполненные из этого материала, обычно блестят. Он применяется при производстве эластичных мембран разных видов. Получают ПВД полимеризацией этилена при температуре 190–300 °C и давлении порядка 130–250 МПа. В качестве инициаторов реакции выступают: кислород, бензоил, лаурил или их смеси.
Полиэтилен среднего давления получают при следующих условиях: давление – 2,5–7 МПа, температура 130–240 °C, участие оксидных катализаторов, например, Cr2O3. В результате происходящей химической реакции полиэтилен образует хлопья, которые оседают в растворе. По уровню кристалличности он выше полиэтилена высокого давления на 30 %. Кроме того, материал отличается и более высокой, чем ПВД, плотностью.
Особенно высока плотность полиэтилена низкого давления. Благодаря этому материал пригоден для производства разнообразных деталей механизмов, подвергающихся значительным нагрузкам. Для получения ПНД необходимы следующие условия: температура – 60–80 °C, давление – 0,2–0,6 МПа (реакция возможна и при атмосферном давлении), участие комплексных металлорганических катализаторов.
Линейному полиэтилену присущи ценные свойства предыдущих разновидностей ПЭ. У него такая же высокая прочность, как у ПНД, вместе с тем он эластичен, как полиэтилен высокого давления. Поэтому данный материал широко применяется при изготовлении пленок. Сложнее всего изготовить сверхмолекулярный ПЭ. Однако материал, полученный в итоге, по своим свойствам превосходит все другие виды полиэтилена. Он используется для производства элементов сложных механизмов.
Сфера применения
Область использования ПЭ достаточно широка. Так, из него изготавливаются:
Полиэтиленовые трубы применяются для создания водопроводов. Из них также создаются системы водяного отопления. Особенно часто трубы из ПЭ используются для обустройства теплых полов. Они прокладываются в стяжке из бетона одним контуром. Какие-либо соединения при этом отсутствуют, а значит, протечка в зоне, недоступной для ремонта, исключена.
ПЭ – идеальный материал для производства пленок. Они могут применяться в качестве упаковки, также используются в виде тонких мембран для гидроизоляции. Если говорить о типичной пленке из ПЭ, стоит отметить ее небольшой срок эксплуатации. При доступе УФ-лучей этот срок составляет от 3 до 4 лет. Со временем пленка становится непрозрачной и хрупкой. Поэтому полиэтилен без примесей значительно уступает в этом смысле полиолефиновой композиции с добавкой из полипропилена. Срок эксплуатации такого материала длительный, он достигает семи лет и более. ПЭ применяется для производства пупырчатой упаковочной пленки и различных видов строительной пленки. При производстве мембран, укрепленных сеткой, также применяется ПЭ.
Сфера применения ПЭ не ограничивается только этим. Данный материал применяется также для производства пластиковых емкостей. Речь идет о баках для душа, накопительных канализационных резервуарах. Из ПЭ еще производят емкости, в которых можно хранить жидкие вещества (в т. ч. пищевые).
Посуда для одноразового применения также производится из ПЭ. Этот материал используется для изготовления пищевых пластиковых контейнеров, мисок, цветочных горшков, оболочек термосов. Благодаря высокой износоустойчивости материала он применяется для производства игрушек, сувениров, елочных украшений. Такие изделия при давлении растрескиваются меньше, чем вещи из прочих видов пластика.