Полиэтилен низкого давления
Полиэтилен низкого давления, известный также как полиэтилен высокой плотности, — это термопластичный полимер, который получают путем полимеризации этилена при низком давлении (0.1-2 МПа) с помощью катализаторов Циглера-Натта или других металлоценовых катализаторов. Название "полиэтилен высокой плотности" материал получил благодаря отличной прочности, жесткости, химической стойкости и плотности порядка 0.94-0.97 г/см³.
Химический состав
Основным компонентом структуры ПНД является этилен C₂H₄. В качестве катализаторов, как ранее было указано, используется Циглер-Натта (TiCl₄ + Al(C₂H₅)₃) и металлоценовые катализаторы, которые считаются более современными и дают лучший контроль над структурой полимера. Также добавляют стабилизаторы, антиоксиданты, красители и УФ-защиту. Структура ПНД по своим характеристикам является линейной, с минимальным количеством боковых ответвлений, что обеспечивает высокую кристалличность материала, достигающую 80%.
Производство данного полиэтилена делится на три вида:
1. Суспензионная полимеризация — наиболее распространенный метод (около 60% мирового производства). Особенность: этилен подается в реактор с инертным углеводородным разбавителем (гексан, изобутан), полимеризация идет в суспензии — образуются гранулы полимера, которые не растворяются в реакционной среде.
2. Газофазная полимеризация — второй по популярности метод (около 30%). Особенность: этилен и катализатор подаются в реактор с кипящим слоем, полимер образуется на поверхности частиц катализатора, которые находятся во взвешенном состоянии благодаря потоку газа.
3. Растворная полимеризация — около 20% мирового производства. Особенность: этилен растворяется в углеводородном растворителе, полимеризация происходит в гомогенной среде.
Важно заметить, что для всех методов производства ПНД используются разные условия среды — температура, давление. У каждого из них есть свои плюсы и минусы, но пока в мире отдают предпочтение именно суспензионному методу в силу высокого выхода продукта, хорошего контроля молекулярной массы и возможности получения широкого ассортимента марок. Также в современных реалиях ученые разрабатывают новые перспективные методы производства, такие как металлоценовая каталитическая полимеризация и полимеризация в сверхкритическом CO₂. После любого вида полимеризации проводят грануляцию, добавляют модификаторы, а далее производят экструзию или литье.
История разработки и коммерческого применения
История создания данного материала началась еще в 1953 году, когда немецкий химик Карл Циглер разработал катализатор для полимеризации этилена при низком давлении. Свое продолжение ПНД нашел в разработках итальянца Джулио Натта (1954 г.), усовершенствовавшего процесс благодаря созданию стереорегулярных полимеров. А уже в 1955 году началось производство ПНД в промышленных масштабах, продолжающееся и в наши дни.
Рассмотрим основные виды ПНД, которые делятся на разные группы по:
1. Молекулярной структуре:
- Гомополимер ПНД — это чистый полиэтилен без добавления сополимеров, отличающийся высокой жесткостью и химической стойкостью.
- Сополимер ПНД получается с помощью добавления альфа-олефинов (бутен, гексен, октен) и отличается высокой ударной вязкостью и гибкостью.
2. Молекулярной массе:
- Низкомолекулярный ПНД применяется в пленках, покрытиях, клеях (молекулярная масса 10000-50000 г/моль).
- Среднемолекулярный ПНД — в упаковках и бытовых изделиях (молекулярная масса 50000-250000 г/моль).
- Высокомолекулярный ПНД используется в износостойких деталях, лыжах и защитных экранах (молекулярная масса 250000-500000 г/моль).
- Сверхвысокомолекулярный ПНД с молекулярной массой более 1.5 млн г/моль применяется в качестве имплантов в медицине, бронезащите.
3. Способу модификации:
- Наполненный ПНД получают при помощи добавок в виде талька, стекловолокна, и отличается повышенной прочностью и жесткостью.
- Вспененный ПНД имеет пористую структуру за счет газообразующих агентов и применяется в теплоизоляции, упаковках, плавучих конструкциях.
- Сшитый ПНД имеет поперечные молекулярные связи и используется в термостойких трубах, электроизоляции.
- Биоразлагаемый ПНД создают с добавками, ускоряющими распад, и находит применение в экологичной упаковке, одноразовой посуде.
Основные характеристики и свойства полиэтилена низкого давления:
- Плотность 0.94-0.97 г/см³.
- Температура плавления 120-135 °C.
- Прочность на разрыв 20-40 МПа.
- Ударная вязкость очень высокая, материал не ломается при -50 °C.
- Твердость по Шору 60-70.
- Химическая стойкость к кислотам, щелочам, спиртам, маслам, бензину, воде и растворам солей. Однако не устойчив к концентрированной азотной кислоте, хлорорганическим растворителям, окислителям.
- Теплопроводность 0.4-0.5 Вт/м*К.
- Диэлектрическая проницаемость 2.3-2.4.
- Электрическая прочность 20-50 кВ/мм.
Важно также рассказать про инновации, связанные с этим материалом: сейчас ученые занимаются разработками Био-ПНД, частично полученного из возобновляемого сырья, а именно сахарного тростника, а также нанонаполненного ПНД с добавлением глины или графена для получения улучшенной прочности и барьерных свойств.
Применение полиэтилена низкого давления:
И так, где же ПНД применяют в мире? Спектр применения полиэтилена низкого давления довольно обширен:
В заключение укажем, что ПНД — это один из самых востребованных материалов современности, отличающийся своей универсальностью и широким диапазоном свойств, в основном прочностью и химической стойкостью. Развитие технологий позволяет создавать новые модификации ПНД, расширяя его применение в высокотехнологичных отраслях.
- Упаковка — это могут быть бутылки, пленки, канистры или бочки.
- Промышленные изделия — ящики и паллеты, литьевые детали.
- Строительство — геомембраны, защитные плиты.
- Медицина — импланты и лабораторная посуда.
- Специальные применения — в бронезащите и 3D-печати.
В заключение укажем, что ПНД — это один из самых востребованных материалов современности, отличающийся своей универсальностью и широким диапазоном свойств, в основном прочностью и химической стойкостью. Развитие технологий позволяет создавать новые модификации ПНД, расширяя его применение в высокотехнологичных отраслях.