Полиэтилен (обозначаемый как ПЭ или PE) занимает ведущие позиции среди первых и наиболее широко используемых полимеров большой тоннажности. Этот материал настолько узнаваем, что в повседневной жизни он часто упоминается как обобщённое название для всех видов пластмасс, иногда даже ошибочно приписываемое к материалам, не имеющим отношения к полиэтилену.
В категорию полиэтилена входят такие основные типы, как полиэтилен низкого давления (ПЭНД или ПНД, также известный как полиэтилен высокой плотности — ПВП, PEHD, HDPE) и полиэтилен высокого давления (ПЭВД или ПВД, соответствующий полиэтилену низкой плотности — ПНП, PELD, LDPE).
Этот синтетический полимер производится путём полимеризации этилена (или этена) через свободно-радикальный механизм. Процесс крупномасштабного синтеза ПЭНД и ПЭВД осуществляется ведущими нефтегазовыми компаниями мира. В России данный полимер изготавливается на нефтехимических заводах крупных компаний, включая «Роснефть», «Лукойл», «Газпром» и СИБУР, а также на предприятиях «Казаньоргсинтез» и «Нижнекамскнефтехим». На территории бывших стран СССР производство полимера осуществляется в Белоруссии, Узбекистане и Азербайджане. Полиэтилен обычно выпускается в форме гранул размером от 2 до 5 мм, хотя некоторые виды, например сверхвысокомолекулярный полиэтилен, поступают в продажу в виде порошка.
История открытия полиэтилена
Полиэтилен, которому насчитывается уже свыше ста лет, был впервые синтезирован немецким инженером Гансом фон Пехманном в 1899 году, что обеспечило ему звание пионера в создании этого полимера. Однако, как это нередко случается с великими изобретениями, его практическое применение не было найдено сразу. Это произошло лишь в конце 1920-х, а к 1930-м годам производство полиэтилена было уже полностью налажено благодаря усилиям инженеров Эрика Фосета и Реджинальда Гибсона. Их первоначальные работы привели к созданию низкомолекулярного парафина, который можно было бы назвать полиэтиленовым олигомером. В результате их усиленной работы, к 1936 году был получен патент на ПЭ низкого давления (ПЭВД), и уже в 1938 году стартовало производство коммерческого полиэтилена, первоначально использованного для оболочек телефонных кабелей и позднее – для упаковочных материалов.
Разработка технологии для производства полиэтилена высокой плотности (ПЭНД) началась в 1920-х годах. Значительный вклад в этот процесс внес Карл Циглер, известный в кругах специалистов по пластмассам как изобретатель катализаторов для ионно-координационной полимеризации, наиболее известным из которых стал катализатор Циглера-Натта. Полное описание процесса получения ПЭНД было завершено к 1954 году, когда также был выдан патент на этот материал. Начало промышленного производства полиэтилена нового типа с улучшенными свойствами по сравнению с ПЭВД последовало вскоре после этого.
Получение полиэтилена
Давайте подробно рассмотрим технологический процесс создания двух основных видов полиэтилена.
Полиэтилен низкого давления (ПНД, HDPE, ПЭ2НТ)
Производство этого вида полиэтилена включает использование высокого давления. В процессе используются трубчатые или автоклавные реакторы. Процесс синтеза активируется окислителями – кислородом и пероксидами. Этилен смешивается с катализатором полимеризации, под давлением 25 МПа и при температуре 70°C. В реакторе сначала смесь дополнительно нагревают, а затем уже происходит полимеризация при условиях до 300°C и 250 МПа.
Время пребывания этиленовой смеси в реакторе составляет 70-100 секунд, в течение которых 18-20% этилена преобразуются в полиэтилен. Остаточный этилен возвращается в цикл для повторного использования. Полученный ПЭ охлаждают, превращают в гранулы, которые затем снова охлаждаются, сушатся и упаковываются. Полиэтилен низкой плотности обычно поставляется в виде бесцветных гранул.
Полиэтилен высокого давления (ПВД, ПЭВД, LDPE, ПНП, ПЭНП)
ПЭВД производится методом низкодавленной полимеризации. В процессе используются три основные технологии: суспензионная, растворная и газофазная.
Наиболее распространенным методом является раствор этилена в гексане, нагреваемый до 160-250°C. Этот процесс проходит при давлении от 3,4 до 5,3 МПа в течение 10-15 минут контакта смеси с катализатором. Затем ПЭВД отделяют, испаряя растворитель. Полученные гранулы полиэтилена обрабатывают паром при температуре выше температуры плавления ПЭ для удаления низкомолекулярных фракций и остатков катализаторов. Подобно ПЭНД, готовый продукт обычно прозрачен и поставляется в мешках по 25 кг, иногда в больших упаковках, цистернах или другой таре.
Свойства полиэтилена
Характеристики полиэтилена
При обсуждении свойств полиэтилена важно учитывать, что разные типы этого полимера имеют существенно различные характеристики.
Давайте подробно рассмотрим атрибуты двух наиболее популярных типов.
Полиэтилен высокого давления (ПЭВД)
| Молекулярный вес | от 30 000 до 400 000 атомных единиц. |
| Течение при расплаве (ПТР) | от 0,2 до 20 г/10 минут |
| Кристалличность | 60% |
| Температура стеклования | -4°C |
| Температура плавления | 105-115°C |
| Плотность | 930 кг/м³ |
| Усадка при переработке | 1,5-2% |
Основной особенностью структуры полиэтилена высокого давления является его разветвленное строение, что приводит к низкой плотности из-за легкой аморфно-кристаллической структуры на молекулярном уровне.
Полиэтилен низкого давления (ПЭНД)
| Молекулярный вес | от 50 000 до 1 000 000 атомных единиц |
| Течение при расплаве (ПТР) | от 0,1 до 20 г/10 минут |
| Кристалличность | 70-90% |
| Температура стеклования | 120°C |
| Температура плавления | 130-140°C |
| Плотность | 950 кг/м³ |
| Усадка при переработке | 1,5-2% |
Химическая устойчивость полиэтилена
Полиэтилен отличается низкой проницаемостью для газов. Его устойчивость к химическим веществам определяется молекулярной массой и плотностью полимера. Полиэтилен устойчив к слабым и сильным щелочам, различным солям, некоторым кислотам высокой концентрации, органическим растворителям, а также маслам и смазкам. Однако полиэтилен не устойчив к 50-процентной азотной кислоте и галогенам, таким как чистый хлор и бром, причем бром и йод могут проникать сквозь полиэтилен.
Физические свойства полиэтилена
Полиэтилен – это гибкий, но достаточно твердый материал; ПЭВД более мягкий, а ПЭНД более жесткий. Изделия из полиэтилена сохраняют свои свойства при температурах до минус 70 градусов Цельсия. Материал обладает высокой ударной вязкостью и прочностью, а также отличными диэлектрическими характеристиками. Полиэтилен характеризуется низким водо- и паропоглощением. С экологической и физиологической точки зрения полиэтилен является безопасным, не имеет запаха и вкуса.
Эксплуатационные характеристики полиэтилена
Полиэтилен начинает разрушаться в атмосфере при температуре выше 80 градусов Цельсия. Без добавления специальных стабилизаторов полиэтилен неустойчив к солнечному излучению, особенно к ультрафиолету, и подвержен фотодеструкции. Для повышения устойчивости к свету в состав ПЭ вводят стабилизаторы, например сажу. Полиэтилен не выделяет вредных химических веществ в окружающую среду, но разлагается в природных условиях очень медленно, что занимает десятилетия. Полиэтилен способен поддерживать горение, что делает его потенциально опасным в пожарных условиях.
Применение полиэтилена
Полиэтилен занимает лидирующие позиции среди полимеров в мире благодаря своей простоте в обработке и отличным возможностям для повторного использования. Изготовление изделий из полиэтилена возможно с помощью всех существующих на современном этапе методов переработки пластика. Этот материал не требует особых условий в отношении качества и конструкции оборудования, а также предварительной подготовки, например, сушки перед обработкой. В индустрии добавок и концентратов для полимеров производится широкий ассортимент пигментных суперконцентратов для ПЭ, которые могут использоваться не только для окрашивания полиэтиленовых изделий, но и других полиолефинов и полимеров.
При переработке полиэтилена методом экструзии получают пленку, широко применяемую в упаковке, сельском хозяйстве и других областях; ПЭ трубы для водоснабжения и газопроводов; кабельные оболочки; листовые материалы; вспененные профили и прочее.
Литьем под давлением из полиэтилена изготавливают разнообразные упаковочные элементы, такие как крышки, пробки, баночки, а также медицинские изделия, бытовые товары, канцелярские принадлежности, игрушки.
Полиэтилен можно обрабатывать различными методами, включая экструзионно-выдувное и инжекционно-выдувное формование, ротоформование, каландрование, а также пневмо- или вакуумформование из листов.
Специализированные типы полиэтилена, такие как сшитый, хлорсульфированный, сверхвысокомолекулярный, находят широкое применение в различных отраслях, особенно в строительстве. Например, сверхвысокомолекулярный полиэтилен используется в производстве оболочек для оптоволоконных кабелей. Армированный полиэтилен, в отличие от чистого полимера, может служить конструкционным материалом. Изделия из полиэтилена легко свариваются различными методами: термоконтактной, газовой сваркой, с использованием присадочного прутка, трением и другими способами.
Экологическая перспектива и рециркуляция полиэтилена
В последнее время полиэтилен сталкивается с обвинениями в экологической вредности, но на деле этот материал является одним из наиболее безопасных. Основная экологическая проблема полиэтилена заключается в его широком использовании для производства тонких пленок и пакетов. В странах, где нет эффективной системы раздельного сбора отходов, большое количество полиэтиленовых отходов захоранивается, что приводит к загрязнению окружающей среды и водных ресурсов.
Однако, при правильном сборе и сортировке отходов, полиэтилен может быть переработан и использован как ценное вторичное сырье. В ряде стран, включая бывшие республики СССР, уже существует достаточное количество предприятий, занимающихся покупкой полиэтиленовых отходов для их последующей переработки в гранулы, которые затем используются в производстве или продаваемые как вторичный полиэтилен. Такой подход постепенно снижает уровень загрязнения полиэтиленом, ведя к его постепенному исчезновению как экологической проблемы.
Инновации и будущее Полиэтилена
В мире, где экологическая устойчивость становится не просто трендом, а необходимостью, полиэтилен — этот всемирно известный и широко используемый полимер — переживает своего рода революцию. От простого пластика, который мы знаем, полиэтилен трансформируется, открывая новые горизонты в области биоразлагаемых материалов и устойчивого развития.
Согласно последним статистическим данным, мировое производство полиэтилена достигает поразительных объемов, измеряемых миллионами тонн ежегодно. Это отражает его всеобъемлющее присутствие в нашей повседневной жизни — от упаковки продуктов питания до строительных материалов. Однако в этой массовости кроется и главная экологическая проблема: огромные объемы пластиковых отходов.
Но вот где на сцену выходят инновации. Последние исследования и разработки направлены на создание полиэтилена нового поколения — биоразлагаемого и экологически безопасного. Эти новые виды полиэтилена, созданные с использованием передовых технологий, обещают разложение под воздействием естественных факторов значительно быстрее, чем их традиционные аналоги.
Это не просто шаг вперед, это квантовый скачок в борьбе за экологическую чистоту. Представьте мир, где пластиковые упаковки на полках магазинов не станут угрозой для океанов и дикой природы. Где каждый полиэтиленовый пакет, выброшенный сегодня, будет безвредно растворяться завтра, не оставляя после себя токсичного следа.
Конечно, до массового внедрения этих инноваций еще далеко, но уже сейчас многие компании и исследовательские центры активно работают над этой задачей. Это стремление к экологической ответственности и устойчивости — не просто новая страница в истории полиэтилена, это новая глава в истории человечества, стремящегося к гармонии с природой.
В этих усилиях кроется исключительная возможность для инвесторов и предпринимателей. Рынок, ориентированный на устойчивые, экологически чистые продукты, растет с невероятной скоростью. Вкладывая средства в разработку и производство биоразлагаемого полиэтилена, они не только способствуют сохранению планеты, но и открывают путь к новым, прибыльным рынкам.
Полиэтилен нового поколения — это не просто научная фантастика, это реальность, которая формируется прямо сейчас. Она предвещает будущее, в котором инновации и экология идут рука об руку, создавая более безопасный и устойчивый мир для нас и будущих поколений.
Научные ресурсы и интервью с экспертами по полиэтилену
- Биодеградация низкоплотного полиэтилена (LDPE) с помощью микроводоросли Uronema Africanum Borge: Это исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, исследует биодеградацию LDPE с помощью микроводорослей
{ Источник: https://www.nature.com/articles/s41598-021-96315-6 } - Биодеградация полиэтилена: Краткий обзор: Опубликованный в журнале Applied Biological Chemistry обзор обсуждает биодеградацию полиэтилена, включая влияние предварительной обработки и добавок, а также исследования биодеградации различными микроорганизмами
{ Источник: https://applbiolchem.springeropen.com/articles/10.1186/s13765-020-00511-3 } - Интервью с доктором Кэтрин Урич: В этом интервью доктор Кэтрин Урич, химик-полимерщик, делится своими взглядами на карьеру и вклад в область полимерной химии. Недавно доктор Урич приняла новую должность декана колледжа естественных и сельскохозяйственных наук в Калифорнийском университете
{ Источник: https://alphapedia.ru/w/Kathryn_Uhrich } - Будущее исследований полимеров глазами 54 ученых: В этой статье от ChemistryViews обсуждаются перспективы полимерной науки от 54 ученых, предоставляя ценные взгляды на будущее этой области.
