Что такое полиэтилен?

Полиэтилен (PE) — это синтетический термопластичный полимер, принадлежащий к классу полиолефинов, который широко используется благодаря своим универсальным свойствам. Он является одним из наиболее популярных пластиков в мире и производится в огромных масштабах для использования в упаковке, строительстве, медицине и других отраслях.

Подробнее о полиэтилене и его истории можно узнать в статье "ПОЛИЭТИЛЕН: ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ, СТАНОВЛЕНИЯ, РАЗВИТИЯ, ПРИМЕНЕНИЯ И РОЛЬ УЧЕНЫХ" .

Основу полиэтилена составляет цепочка молекул этилена (C2H4) соединённых между собой посредством ковалентных связей.

Производство полиэтилена

Полиэтилен получают из этилена путём полимеризации — химического процесса, при котором молекулы мономера соединяются в длинные полимерные цепи.

Основные методы производства:

• Радикальная полимеризация: Используется для производства полиэтилена низкой плотности (LDPE).
• Каталитическая полимеризация: Включает применение катализаторов (процессы Ziegler-Natta, Металл-оксидные катализаторы) для создания линейного полиэтилена высокой плотности (HDPE) и линейного низкой плотности (LLDPE).

Виды полиэтилена

Полиэтилен — это один из наиболее универсальных термопластичных полимеров, используемых в производстве упаковки, труб, изоляции и других изделий. Его свойства сильно зависят от структуры молекулы, плотности и степени сшивки. Рассмотрим основные виды полиэтилена и их особенности.

1. LDPE (Low-Density Polyethylene)

Полиэтилен низкой плотности

• Структура:
  LDPE имеет сильно разветвлённую молекулярную структуру, что снижает плотность упаковки молекул и делает материал более гибким.
• Свойства:
  • Низкая плотность (0,91–0,94 г/см³).
  • Высокая эластичность и гибкость.
  • Хорошая устойчивость к ударам и химическим веществам.
  • Низкая термостойкость (до 80 °C).
• Применение:
  LDPE используется для производства плёнок, упаковки для пищевых продуктов, пакетов, труб для малых давлений и изоляции электрических кабелей.

2. PEX (Cross-Linked Polyethylene)

Сшитый полиэтилен

• Структура:
  PEX — это полиэтилен с перекрёстными связями между молекулами, образуемыми в процессе химической или физической сшивки. Это делает материал термостойким и прочным.
  Методы сшивки:
  • PEX-a: Перекисная сшивка.
  • PEX-b: Сшивка силаном.
  • PEX-c: Сшивка электронным облучением.
• Свойства:
  • Высокая прочность и устойчивость к разрыву.
  • Отличная термостойкость (до 90–120 °C).
  • Устойчивость к химическим веществам и ультрафиолету.
  • Устойчивость к растрескиванию под нагрузкой.
• Применение:
  PEX используется в системах горячего и холодного водоснабжения, теплых полах, трубах для отопления и газопроводах.

3. LLDPE (Linear Low-Density Polyethylene)

Линейный полиэтилен низкой плотности

• Структура:
  LLDPE имеет линейную молекулярную структуру с небольшим количеством боковых цепей, что обеспечивает ему сочетание гибкости LDPE и прочности HDPE.
• Свойства:
  • Средняя плотность (0,91–0,93 г/см³).
  • Высокая устойчивость к разрыву и проколам.
  • Отличная гибкость и удлинение при разрыве.
  • Более высокая термостойкость по сравнению с LDPE.
• Применение:
  LLDPE применяется для изготовления прочных плёнок, упаковки, трубопроводов и различных изделий для сельского хозяйства.

4. ULDPE (Ultra-Low-Density Polyethylene)

Полиэтилен ультранизкой плотности

• Структура:
  ULDPE представляет собой полиэтилен с экстремально низкой плотностью, что делает его максимально эластичным.
• Свойства:
  • Очень низкая плотность (менее 0,91 г/см³).
  • Исключительная мягкость и гибкость.
  • Хорошая стойкость к разрыву.
  • Низкая термостойкость (до 60–70 °C).
• Применение:
  ULDPE используется для производства эластичных упаковочных материалов, клеящихся плёнок, мягких трубок и специализированных мембран.

5. PE-RT (Polyethylene of Raised Temperature Resistance)

Полиэтилен с повышенной термостойкостью

• Структура:
  PE-RT имеет линейную структуру с высокой степенью упорядоченности молекул и добавленными побочными цепями, которые повышают термостойкость и механическую прочность.
• Свойства:
  • Хорошая термостойкость (до 70–90 °C).
  • Устойчивость к длительному воздействию высоких температур и давлений.
  • Гибкость, упрощённая укладка.
  • Высокая устойчивость к химическим веществам.
• Применение:
  PE-RT используется в системах напольного отопления, горячего и холодного водоснабжения, а также в теплотрассах.

Физические свойства полиэтилена

Полиэтилен — это термопластичный полимер, физические свойства которого зависят от его структуры и плотности. Различные виды полиэтилена, такие как LDPE, HDPE, LLDPE и другие, имеют сходные базовые характеристики с вариациями в диапазонах значений.

1. Плотность

Плотность полиэтилена зависит от степени кристалличности:

• LDPE (полиэтилен низкой плотности): 0,91–0,94 г/см³.
• HDPE (полиэтилен высокой плотности): 0,94–0,97 г/см³.
• LLDPE (линейный полиэтилен низкой плотности): 0,91–0,93 г/см³.
• ULDPE (ультранизкой плотности): менее 0,91 г/см³.

2. Температура плавления

Температура плавления определяется степенью кристалличности:

• LDPE: 105–115 °C.
• HDPE: 125–135 °C.
• LLDPE: 115–125 °C.

3. Температура стеклования

• Все виды полиэтилена: от -120 до -100 °C.

4. Модуль упругости (по Гуку)

Модуль упругости полиэтилена в растяжении:

• LDPE: 200–400 МПа.
• HDPE: 800–1200 МПа.

5. Прочность на растяжение

Прочность на растяжение характеризует способность материала выдерживать нагрузки:

• LDPE: 8–15 МПа.
• HDPE: 20–40 МПа.
• LLDPE: 10–25 МПа.

6. Удлинение при разрыве

• LDPE: 100–600%.
• HDPE: 10–100%.
• LLDPE: 200–800%.

7. Теплопроводность

Теплопроводность полиэтилена зависит от температуры и плотности:

• LDPE и LLDPE: 0,33–0,35 Вт/(м·К).
• HDPE: 0,45–0,52 Вт/(м·К).

8. Коэффициент линейного термического расширения

• LDPE: 100–200×10⁻⁶ 1/°C.
• HDPE: 150–250×10⁻⁶ 1/°C.

9. Поглощение влаги

• Все виды полиэтилена: менее 0,01% за 24 часа.

10. Электрические свойства

• Диэлектрическая проницаемость (ε): 2,3–2,4.
• Удельное электрическое сопротивление: 101610^{16}1016–101810^{18}1018 Ом·м.

11. Устойчивость к ударным нагрузкам

• LDPE: высокая устойчивость (удельная ударная вязкость: 300–600 Дж/м²).
• HDPE: средняя устойчивость (200–400 Дж/м²).

12. Твердость по Шору

• LDPE: 40–50 (шкала D).
• HDPE: 60–70 (шкала D).

Химические свойства полиэтилена (PE):

1. Химическая инертность:

   • Устойчив к большинству кислот, щелочей, солей и органических растворителей.

2. Гидрофобность:

   • Практически не поглощает воду (<0,01% за 24 часа).

3. Устойчивость к окислению:

   • Не окисляется при нормальных условиях, но подвержен разрушению под воздействием УФ-излучения и высоких температур.

4. Слабая химическая активность:

   • Нерастворим в воде и в большинстве органических растворителей при комнатной температуре.

5. Чувствительность к сильным окислителям:

   • Под действием концентрированной азотной или серной кислоты разрушается.

6. Гидролизостойкость:

   • Не подвергается гидролизу в воде даже при нагреве.

7. Устойчивость к низким температурам:

   • Сохраняет химическую стабильность при отрицательных температурах.

8. Разложение при высоких температурах:

• Начинает разлагаться при температуре ~300–400 °C с выделением углеводородов.

Как усилить свойства полиэтилена?

Характеристики материала можно улучшить в процессе полимеризации (добавляя другие вещества) или уже на стадии выпуска готового полимера — при помощи специальной обработки.

• Увеличиваются прозрачность, эластичность, степень растрескивания снижается, если добавить полярные мономеры, олефины.
• Ударопрочность повышается при добавлении различных полимеров, сополимеров.
• Термостойкость, химическая устойчивость улучшается в результате бромирования, фторирования, хлорирования.

Эксплуатационные качества готовой продукции определяются условиями хранения и использования: силой и длительностью механических нагрузок, температурным режимом, давлением.