Вы используете его каждый день. Но что такое полиэтиленовый пластик?

101 в этом вездесущем современном материале

Полиэтилен на сегодняшний день является наиболее распространенным типом потребительского пластика и используется во многих повседневных материалах. Это термопластичный продукт, а это означает, что его можно расплавить до жидкого состояния, а затем многократно охладить до твердого состояния. Различные условия обработки приводят к получению полиэтилена разных марок, который можно использовать для самых разных целей — от гибкой пищевой пленки на одном конце спектра до жестких покрытий для столбов на другом.

Одним из наиболее привлекательных свойств полиэтилена является его долговечность. Он устойчив к выцветанию и сколам, а также непроницаем для многих химических веществ, таких как кислоты и щелочные растворы. Полиэтилен является отличным диэлектриком. Он сохраняет свои свойства в экстремально холодных условиях, но может плавиться при высоких температурах.

Полиэтиленовый пластик:молекула углерода и водорода

Молекулярная структура и общие свойства

Полиэтилен состоит из углеводородных цепочек, основным компонентом которых является молекула этилена, состоящая из 2 атомов углерода и 4 атомов водорода. Когда молекулы этилена объединяются в прямые или разветвленные цепи, образуется полиэтилен. Этот процесс включает расщепление двойной связи между двумя атомами углерода и создание свободного радикала для присоединения к следующей молекуле этилена. Макромолекулы не связаны ковалентно, а удерживаются вместе в кристаллической структуре за счет межмолекулярных сил. Чем меньше количество боковых ответвлений, тем ниже кристалличность и, следовательно, выше плотность, что можно наблюдать в различных свойствах для разных типов полиэтилена.

Полиэтилен устойчив к атмосферным воздействиям, но может стать хрупким при длительном воздействии солнечных лучей. Это ограничение может быть преодолено за счет добавления УФ-стабилизаторов. Он может воспламениться и будет продолжать гореть после того, как источник воспламенения будет удален с желтым голубым пламенем на конце, из-за чего пластик будет капать. Поверхностные свойства полиэтилена препятствуют его склеиванию или отпечатыванию без предварительной обработки. Полиэтилен может быть прозрачным, молочно-непрозрачным или непрозрачным в зависимости от марки материала, толщины изделия и наличия добавок.

Классификация полиэтилена

Полиэтилен низкой плотности (LDPE) образуется как с длинными, так и с короткими ответвлениями в полимерных цепях. Наличие этих разветвлений не позволяет цепям быть слишком плотно упакованными, что придает полиэтилену низкой плотности гибкость, которая делает его пригодным для таких применений, как пластиковые пакеты, изоляция проводов и пластиковая упаковка. LDPE обладает высокой устойчивостью к большинству химических веществ, включая кислоты, щелочи, спирты, альдегиды, кетоны и растительные масла. Он также имеет очень низкое водопоглощение.

Линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE) похож на LDPE, но состоит в основном из линейных цепей с множеством коротких боковых ответвлений. Его часто производят с помощью сополимеризации этилена с альфа-олефинами, такими как 1-бутен, 1-гексен и 1-октен. Характеристики готового продукта можно изменить, изменив составляющую формулу.

Полиэтилен высокой плотности (HDPE) состоит в основном из молекул с прямой цепью, которые удерживаются вместе за счет межмолекулярных сил. Отсутствие боковых ответвлений обеспечивает плотное прилегание цепей друг к другу. Такая высокая плотность приводит к тому, что продукт является умеренно жестким, что делает его пригодным для таких применений, как разделочные доски, контейнеры для сока, пластиковые пиломатериалы и игрушки. HDPE обладает хорошей химической стойкостью и остается прочным при очень низких температурах (-76 градусов по Фаренгейту). Он имеет восковую текстуру поверхности, устойчивую к атмосферным воздействиям.

Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (UWMPE) имеет чрезвычайно длинные цепи и может быть сплетена в нити с более высокой прочностью на растяжение, чем у стали. Сила межмолекулярных сил между длинными прямыми цепями создает прочный материал с очень высокой ударной вязкостью. Он используется в таких приложениях, как пуленепробиваемые жилеты. Как и другие типы полиэтилена, СВМПЭ устойчив к большинству химических веществ, за исключением окисляющих кислот. Он также имеет низкое поглощение влаги, но его самосмазывающиеся свойства делают его очень устойчивым к истиранию.

Американское общество испытаний и измерений (ASTM) определяет спецификации для различных марок полиэтилена, включая спецификации для различных областей применения. Основные свойства различных марок полиэтилена приведены в следующей таблице:

<сильный>

ПЭНП

ПЭВП

СВМПЭ

Плотность (фунт/дюйм3)

0,035

0,034

Влагопоглощение, 24 часа (%)

<0,01

Прочность на растяжение

1800–2200

4600

3100

Ударная вязкость с надрезом

Без перерыва

Коэффициент линейного теплового расширения (x10^-5 дюйм/дюйм/градус F)

Максимальная температура непрерывного использования (по умолчанию F)

160

180

Прибл. температура плавления (градусы F)

230

260

280

Диэлектрическая прочность (В/мил) на короткое время, толщина 1/8″

460–700

450-500

900

<сильный>

ПЭНП

Плотность (фунт/дюйм3)

0,035

Влагопоглощение, 24 часа (%)

<0,01

Прочность на растяжение

1800–2200

Ударная вязкость с надрезом

Без перерыва

Коэффициент линейного теплового расширения (x10^-5 дюйм/дюйм/градус F)

Максимальная температура непрерывного использования (по умолчанию F)

160

Прибл. температура плавления (градусы F)

230

Диэлектрическая прочность (В/мил) на короткое время, толщина 1/8″

460–700

<сильный>

ПЭВП

Плотность (фунт/дюйм3)

0,035

Влагопоглощение, 24 часа (%)

Прочность на растяжение

4600

Ударная вязкость с надрезом

Коэффициент линейного теплового расширения (x10^-5 дюйм/дюйм/градус F)

Максимальная температура непрерывного использования (по умолчанию F)

180

Прибл. температура плавления (градусы F)

260

Диэлектрическая прочность (В/мил) на короткое время, толщина 1/8″

450-500

<сильный>

СВМПЭ

Плотность (фунт/дюйм3)

0,034

Влагопоглощение, 24 часа (%)

Прочность на растяжение

3100

Ударная вязкость с надрезом

Без перерыва

Коэффициент линейного теплового расширения (x10^-5 дюйм/дюйм/градус F)

Максимальная температура непрерывного использования (по умолчанию F)

180

Прибл. температура плавления (градусы F)

280

Диэлектрическая прочность (В/мил) на короткое время, толщина 1/8″

900

Как производится полиэтилен?

Основным строительным блоком полиэтилена является молекула этена, состоящая из 2 атомов углерода и 4 атомов водорода. Этен содержится в природном газе, а также образуется при переработке сырой нефти. Одним из продуктов первой стадии переработки нефти является нафта, которую перерабатывают в установке каталитического крекинга для получения высокооктанового сырья. Этот процесс крекинга также производит этен, который отделяют от других продуктов для дальнейшей переработки в полиэтилен. Этен — это газ.

Существуют различные методы переработки полиэтилена в зависимости от качества получаемого продукта.

LDPE производится путем сжатия газа этилена до давления 50 000 фунтов на квадратный дюйм, после чего он охлаждается и подается в реактор. В реактор добавляют инициатор, который вызывает протекание реакции полимеризации. Постоянное перемешивание материала в реакторе обеспечивает максимальную скорость превращения. После реакции неиспользованный этен отделяют от продукта и возвращают обратно в компрессор. Полимер экструдируют, нарезают на гранулы и сушат перед поступлением в бункеры для хранения. Гранулы обычно упаковываются в пакеты для отправки клиентам, где они будут переплавлены и переработаны в готовые потребительские товары.

ПЭВП производится в каталитическом процессе, который позволяет производить полиэтилен при более низких температурах и давлениях. Катализаторы Циглера-Натта и хромовые катализаторы использовались первыми, но постоянно разрабатываются новые типы катализаторов для улучшения производственных процессов и характеристик продуктов. Некоторые процессы даже смешивают разные типы полиэтилена в одну партию, стирая границы между разными сортами продукции.

LLDPE также производится в каталитическом процессе с добавлением сополимеров, таких как альфа-олефины (бутан, гексан). Молекулярная структура ЛПЭНП представляет собой длинную цепь с множеством коротких разветвлений.

СВМПЭ производится с использованием металлоценовых катализаторов, что приводит к чрезвычайно длинным углеводородным цепям (более 100 000 молекул мономерного компонента). Вторичный процесс, называемый гель-прядением, использует нагретый гель СВМПЭ и выдавливает его через фильеру. Продукт охлаждают на водяной бане. Этот процесс прядения дает волокно с высокой степенью молекулярной ориентации (95%), что придает ему чрезвычайно высокую прочность на разрыв.

Формование пластика с использованием полиэтилена

Полиэтилен поставляется с завода в виде гранул и сортируется в соответствии со спецификациями. Клиенты используют эти гранулы в качестве сырья в своих собственных производственных процессах, которые включают их плавление с применением тепла и давления, а затем формование жидкого пластика в его окончательную форму. Существуют различные способы формования полиэтилена в зависимости от сорта сырья и требуемого типа готового продукта:

Литье под давлением
Литье под давлением — один из двух наиболее распространенных способов создания готовых изделий из полиэтилена. Гранулы подаются в нагретый цилиндр, где вращающийся шнек проталкивает плавящийся пластик через заслонку в форму. Фиксированное количество полиэтилена впрыскивается под высоким давлением 10 000-30 000 фунтов на квадратный дюйм. После завершения впрыска форма охлаждается, после чего открывается и извлекается готовый продукт. Это типичный процесс, используемый для производства изделий массового производства, таких как ведра и пробки для бутылок.
Выдувное формование
Выдувное формование используется для создания таких изделий, как бутылки и шприцы, в которых есть полость. В процессе выдувного формования первый этап включает формование преформы вокруг штифта сердечника с использованием стандартной формы для литья под давлением. После охлаждения преформа помещается в центр второй формы. Преформа повторно нагревается, и через штифт сердечника подается сжатый воздух, который выдувает расплавленный пластик на внутренние стенки окончательной формы, создавая таким образом внутреннюю полость. После остывания булавку извлекают.
Компрессионное формование
Компрессионное формование в основном используется для термореактивных пластиков, которые не могут подвергаться многократному повторному нагреву и повторной формовке. В смесь можно добавлять порошки и другие материалы, чтобы придать особые свойства или укрепить конечный продукт. В этом процессе пластик формуется нагретыми пластинами, которые оказывают давление на пластик. Короткое время цикла в этом процессе делает его привлекательным для крупносерийного производства, например деталей для автомобильной промышленности.
Трансферное формование
Трансферное формование включает в себя нагрев пластика до расплавленного состояния перед его передачей в процесс компрессионного формования. Когда есть много маленьких отверстий или металлических вставок, расплавленный пластик легче образуется вокруг них, не нарушая выравнивания.
Пленочная вставка
Этот процесс включает в себя вставку пленки или тканевого материала в форму для литья под давлением перед впрыскиванием пластика, поэтому пленка захватывается в готовом изделии.
Экструзия
Наряду с литьем под давлением экструзия является одним из самых популярных методов придания полиэтилену желаемой формы. Гранулы подаются через бункер в нагретую камеру, где шнек продвигает плавящийся пластик вперед. В конце нагретой камеры находится матрица, которая формирует пластик, когда он выходит в атмосферу. Этот процесс используется для создания непрерывных листов, труб, кабелей, трубопроводов и многого другого. Готовый продукт попадает на конвейерную ленту, где он охлаждается воздухом (иногда с помощью вентиляторов). Продукт также можно поместить в воду, чтобы ускорить процесс охлаждения.
Газовое литье под давлением
При литье под давлением стандартный процесс литья под давлением дополняется дополнительным этапом. Форма заполняется на 70% от общего количества требуемого расплавленного пластика, затем в камеру закачивается газ, который проталкивает пластик в конец формы. Чистый эффект заключается в том, что конечный продукт имеет полый центр из-за продувки газом, а также используется меньше пластика.
Вращательное формование
Порошкообразный пластик помещается в полую форму и крепится к вращающейся втулке. Ступица вращается по 2 осям внутри печи, в результате чего пластик плавится и покрывает внутренние стенки формы. Ступица продолжает вращаться в цикле охлаждения, который часто включает распыление воды снаружи пресс-формы. Наконец, готовое изделие удаляется. Преимуществом этого метода является простота форм, отсутствие необходимого давления и отсутствие сварных швов и соединений в готовом изделии.
Литье из конструкционной пены
Расплавленный пластик впрыскивается в аккумулятор вместе со сжатым газом для создания эффекта пены в пластике. Из аккумулятора пенопласт впрыскивается в форму. Падение давления от аккумулятора до формы заставляет пластик расширяться и заполнять форму. После остывания кожица гладкая, но внутренняя сердцевина вспенивается, что придает готовому изделию высокую жесткость.
Термоформование
Термоформование и вакуумное формование осуществляются путем нагревания листа пластика до мягкости, а затем надевания его на форму. В некоторых случаях применяется положительное давление воздуха, в то время как в других создается вакуум, чтобы прижать пластик к форме. После охлаждения готовый продукт выгружается.
Реакционное литье под давлением
Реакционное литье под давлением — это новая технология формования пластиковых изделий. Пластик смешивается с другими компонентами при более низкой температуре, чем при традиционном литье под давлением. Внутри формы происходит экзотермическая реакция, которая создает давление в пластике. Поскольку требуются более низкие температуры и давления, затраты на производство снижаются. Также в смесь можно добавить стекловолокно для придания прочности готовому изделию.

Техническое обслуживание

Полиэтилен — очень прочный материал, который не изнашивается и не ослабевает. Однако длительное воздействие солнечных лучей может со временем привести к ломкости изделия. Для трубопроводов или резервуаров, подверженных воздействию элементов, рекомендуется цикл проверки для выявления паутины или трещин из-за хрупкости.

Долговечность и долговечность изделий из полиэтилена настолько высока, что многие производители описывают их как не требующие обслуживания.

Приложения

Полиэтилен является наиболее распространенной формой термопласта, используемого в потребительских товарах, и имеет широкий спектр применений. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных применений:

Упаковочный материал для пищевых продуктов: Поскольку полиэтилен настолько устойчив к водопоглощению и химическим повреждениям, он сертифицирован как безопасный для использования в пищевой упаковке.
Медицинские трубки: Отсутствие пористости полиэтилена делает его идеальным материалом для катетеров и других медицинских изделий благодаря устойчивости к загрязнению.
Ведра, бутылки и урны: Благодаря твердости пластика и его устойчивости к нагрузкам он подходит для потребительских товаров.
Бронежилет: Волокна UHMWPE обладают высокой прочностью на растяжение, но при этом очень легкие, что делает их идеальными для обеспечения безопасности.
Высокопрочные тросы: Они легкие, поэтому их легко установить, но они прочные, поэтому их можно использовать в сложных промышленных приложениях.

Переработка

Пластиковые изделия получили много негативных отзывов в прессе за их воздействие на окружающую среду, но, как и в случае с большинством потенциальных загрязнителей, именно поведение людей, а не сам продукт, наносит ущерб окружающей среде. Полиэтилен не поддается биологическому разложению, поэтому его нельзя утилизировать на свалках.

Однако свойства полиэтилена делают его идеальным для вторичной переработки, поскольку его можно переплавить и превратить в другой продукт. Кроме того, его устойчивость к химическому загрязнению и поглощению жидкостей означает, что переработанный продукт не содержит многих примесей. Иногда переработанный и первичный материал смешивают вместе в процессе формирования готовых потребительских товаров. Номер переработки № 2 относится к ПЭВП и № 4 к ПЭНП; многие предприятия по переработке могут перерабатывать оба этих сорта для повторного использования.

Многие материалы, ранее считавшиеся опасными для окружающей среды (например, резина), перерабатываются все чаще по мере того, как люди переходят к устойчивому образу жизни и развиваются технологии переработки.

Статьи по теме

Все еще интересно? Проверьте:что такое полиуретановый пластик?
И пластмасса встала на свои места! Узнайте, как это сделать, в статье «Гибкие блокираторы и разделители трафика».

Источники

БНФ. «Пластмассовые процессы»
Производство пластмасс. «Способы переработки пластика»
База данных полимеров. «Полиолефины»
Американский химический совет. «Жизненный цикл пластикового изделия»
ЭКИ. «Полиэтилен»
Британника. «Полиэтилен»

Пассивация металлов:предотвращение активации железа и стали Спросите металлурга:что такое ржавчина?

Металл