Полиетилен (полиетен) (PE)



Дата03.01.2017
Размер158.39 Kb.

CAE DS – Пластмаси за инжекционно формованe

Полиетилен (полиетен) (PE)


Технически университе – Габрово, Милена Колева

Полиетиленът (PE) е полимер, получен чрез полимеризацията на етилена (етена). Видовете полиетилен се класифицират въз основа на плътността и разклонеността на веригата. Най-често като критерий за класификацията се използва плътността. В зависимост от стойността й различаваме:

  • Полиетилен ниска плътност (LDPE)

  • Полиетилен средна плътност (MDPE)

  • Полиетилен висока плътност (HDPE).

Съществуват още:

  • Линеен полиетилен ниска плътност (LLDP);

  • Полиетилен много ниска плътност (WLDPE);

  • Омрежен полиетилен (PEX);

  • Омрежен полиетилен висока плътност (HDXLPE) ;

  • Полиетилен висока молекулна маса (HMWPE)

  • Полиетилен с ултрависока молекулна маса (UHMWPE).

  • Полиетилен ниска плътност (LDPE). Плътността му варира в диапазона 0.910 - 0.940 g/cm3. Получава чрез свободно-радикалова полимеризация при налягане 140-250 MN/m2 и температура 180-270 C. Притежава висока степен на разклоненост, което препятства образуването на кристална фаза (степен на кристалност 50-65%). Поради това силите на взаимодействие между макромолекулите са по-слаби. Високата степен на разклоненост и дългите вериги са причина за специфичния характер на течене на полимера в стопилка.

  • Полиетилен средна плътност (MDPE). Плътността му варира в диапазона 0.926 - 0.940 g/cm3. Получава се чрез полимеризация от разтвор или суспензия, с помощта на катализатори на Циглер – Ната (налягане 3-4 MN/m2, температура 60-80C от суспензия или 160-180C от разтвор). Макромолекулите се характеризират с висока степен на подреденост (степен на кристалност 80 - 90%). ПЕСП притежава добра удароустойчивост и устойчивост на напукване.

  • Полиетилен висока плътност (HDPE). Плътността му е ≥ 0.941 g/cm3. Получава се чрез полимеризация в присъствие на катализатори на Циглер – Ната или металкомплексни катализатори при налягане 0.3-0.5 MN/m2 и температура 70-80C. ПЕВП се характеризира с ниска степен на разклоненост на полимерните вериги и оттам по-силни междумолекулни взаимодействия (степен на кристалност 75-85%). Липсата на разклонения се постига чрез подходящи катализатори (хром-съдържащи катализатори, катализатори на Циглер – Ната) и условия на реакцията.

Обща информация

Класификация


  • Линеен полиетилен ниска плътност (LLDP). Плътността му е 0.915 - 0.925 g/cm3. Линеен полимер със значителен брой от къси разклонения, получен чрез съполимеризация на етилена с олефини с по-дълга верига. Характеризира се с по-висока удароустойчивост и якост на опън от ПЕНП.

  • Полиетилен много ниска плътност (WLDPE). Плътността му е в диапазона 0.880 - 0.915 g/cm3. Линеен полимер с високо съдържание на къси разклонения в полимерната верига. Получава се при съполимеризация на етилена с α- олефини с малка дължина на веригата (напр. 1- бутен, 1- хексен, 1 – октен), в присъствие на металоорганични катализатори.

  • Омрежен полиетилен (PEX). Това е полиетилен със средна до висока плътност, съдържащ напречни връзки между макромолекулите, което му придава характер на еластомер. По този начин се намалява течливостта и се подобряват термофизичните характеристики и химичната устойчивост на полимера.

  • Полиетилен в ултрависоко молекулно тегло (високомодулен полиетилен, UHMWPE). Характеризира се с изключително дълги полимерни вериги, с молекулно тегло 2 ÷ 6 .106. Високото молекулно тегло е свързано с висока степен на подреденост и ориентиране на макромолекулите в кристалната фаза на полимера. При преработката му до влакна се постига повече от 95% паралелно ориентиране на веригите и степен на кристалност до 85%. Получава се в присъствие на катализатори на Циглер – Ната или металкомплексни такива. Намира широко приложение поради изключителната си якост, износоустойчивост и химическа резистентност.

Полиетиленът се получава чрез полимеризация на етилена (етена) по следната схема:

Полимеризацията може да бъде радикалова, анионна, катионна, йонно-координативна. При всеки от тези методи се получава различен по свойства полиетилен.

Молекулната маса на полиетилена зависи от метода на получаване и условията на процеса, и варира от няколко хиляди до няколко милиона.

На основата на полиетилена могат да се получат редица присадени съполимери чрез модифицация му с други полиолефини. Освен това етиленът може да съполимеризира с редица други мономери или йонни системи.


Полиетиленът е най-простият по структура от всички познати и практически използвани полимери – молекулата му се състои от дълга верига въглеродни атоми, с прикачени към всеки от тях по два водородни атома:

Методи за получаване

Структура

Той е термопластичен полимер с преобладаващо линейна структура на макромолекулите. Ъглите между атомите в C−H - връзките са приблизително 110°, а всеки въглероден атом е разположен в центъра на тетраедър (sp3 - хибридизация):



Степента на разклоненост на макромолекулите е сравнително ниска. Намаляването на степента на разклоненост корелира с по-висока плътност и степен на кристалност. Полиетиленът е кристален полимер: при температура 20C степента на кристалност варира от 50 до 90%, в зависимост от метода на получаване. Редица свойства на полиетилена в твърдо състояние като плътност, модул на огъване, твърдост, са в пряка зависимост от степента му на кристалност. С повишаване на температурата тя намалява и при температурата на стапяне полимерът става аморфен.



Свойствата на полиетилена се различават значително в зависимост от метода на получаване и се определят от молекулната маса (молекулно-масовото разпределение), плътността, структурата и степента на кристалност (размер и разпределение по големина на кристалните структури). Последният от тези фактори е пряко свързан с плътността и е определящ за физико-механичните характеристики на различните видове полиетилен. С повишаване на плътността нарастват границата на течливост, жилавостта, модулът на еластичност, твърдостта, топлоустойчивостта, но намаляват разтворимостта и набъбването, газопропускливостта, и в малка степен удароустойчивостта.

Най-важните физични характеристики на полиетилена (при 20°C) са представени в таблица 1.

Таблица1. Обобщени физични характеристики на полиетилена

Физични свойства

Стойност *

Плътност

0.918 - 1.4 g/cm3

Водопоглъщаемост

0.01 - 1.5 %

Равновесна влагопоглъщаемост

0.01 - 0.05 %

Устойчивост на напукване под влияние на околната среда

3 - 3000 часа


Физични и физикомеханични свойства


Линейно свиване във формата

0.003 - 0.02 cm/cm

Индекс на стопилка

0.1 - 90 g/10 min

Молекулната маса (молекулно-масовото разпределение) влияят до голяма степен върху технологичните свойства на полиетилена. Полиетиленът с по-ниска молекулна маса има добри вискозитетни свойства и по-висок индекс на стопилка. Заедно с това закономерно намаляват якостта на удар, границата на течливост, модулът на еластичност, твърдостта, студоустойчивостта и устойчивостта на напукване. Полиетиленът с по-тясно молекулно-масово разпределение съдържа сравнително близки по дължина макромолекули и е подходящ за инжекционно леене. Този с по-широко е подходящ за блас-формуване, а този с широко молекулно-масово разпределение е по-подходящ за екструдиране.

Механичните характеристики на полиетилена зависят в голяма степен от степента на разклоненост на полимерните вериги (степента на кристалност). Полиетиленът с висока молекулна маса и плътност е склонен към деформиране в процеса на преработка поради възникване на вътрешни напрежения в резултат на процеси на кристализация. Комбинираното въздействие на механично натоварване и околната среда в процеса на експлоатация на изделията може да доведе до напукване. Подобен ефект може да възникне вследствие на променливи топлинни въздействия (термично напукване) или електрични въздействия (електромеханично напукване). Устойчивостта на полиетилена на напукване нараства с нарастване на молекулната маса и плътността.

Типичните за полиетилена физикомеханични характеристики са представени в таблица 2.

Таблица 2. Обобщени физикомеханични характеристики на полиетилена.

Характеристика

Стойност*

Твърдост по Rockwell R

60 - 65

Твърдост по Shore D

55 - 69

Якост на скъсване при опън

10 - 50 MPa

Граница на течливост при опън

2.4 - 31.7 MPa

Относително удължение при скъсване

10 - 1500 %

Относително удължение при граница на течливост

6.9 - 15 %

Модул на еластичност

0.18 - 1.6 GPa

Модул на еластичност при огъване

0.179 - 1.7 GPa



Граница на течливост при огъване

14 - 25 MPa

Граница на течливост при натиск

4 - 25 MPa

Якост на удар по Izod, с надрез

0.21 - 8.01 J/cm

Якост на удар по Charpy, с надрез

0.38 - 11 J/cm2

Модул на пълзене при опън, 1 час

400 - 570 MPa

Модул на пълзене при опън, 1000 часа

270 - 400 MPa


Температурата на стапяне на полиетилена зависи от плътността му – полиетиленът висока плътност има най-висока температура на стапяне. В сравнение с редица други полимери полиетиленът е относително термоустойчив - в отсъствие на кислород деструкцията му започва при температури над 290°C, и протича ускорено едва над 370C.

Полиетиленът е горим материал, но чрез използването на специфични добавки горимостта му се свежда до минимум.

Най-важните термофизични характеристики на полиетилена са представени в таблица 3.
Таблица 3. Обобщени термофизични характеристики на полиетилена.

Характеристика

Стойност*

ТКЛ , 20°C

22 - 200 µm/m.°C

Топлинен капацитет

2.2 J/g.°C

Топлопроводимост

0.29 - 0.5 W/m.K

Температура на топене

110 - 135°C

Топлоустойчивост по Vicat

67 - 131°C

Максимална температура на експлоатация, въздух

41 - 120°C

Най-ниска температура на експлоатация, въздух

-200  -60°C

Температура на крехкост

-118  -68°C

Полиетиленът е неполярен полимер с нисък фактор на диелектричните загуби (tg δ) и ниска диелектрична константа (ε). Тези му характеристики зависят слабо от температурата и остават относително постоянни в широк диапазон от честоти. Това прави полиетилена отличен електроизолационен материал.

Термофизични свойства

Електрични характеристики

Полиетиленът има способността да се наелектризира статично. Добавката на антистатици може да намали до голяма степен възникването на статично електричество.

Някои електро-физични характеристики на полиетилена са посочени в таблица 4.

Таблица 4. Обобщени електро-физични характеристики на полиетилена



Характеристика

Стойност *

Електрично съпротивление

106 - 1016 .cm

Повърхностно съпротивление

106 - 1015

Относителна диелектрична проницаемост

1 - 3

Относителна диелектрична проницаемост, ниска честота

2 - 5

Диелектрична якост

19 - 150 kV/mm

Тангенс на ъгъла на диелектричните загуби

0.0001 - 0.01

Тангенс на ъгъла на диелектричните загуби, ниска честота

0.0002 - 0.0005

Дъгоустойчивост

100 - 180 s

Едно от предимствата на полиолефините е лесната им преработка. Полиетиленът се преработва чрез всички конвенционални методи за преработка на полимерите: инжекционно леене, екструдиране, вакуумно формоване, рязане, заваряване и др. Отпадъкът, възникнал при преработката е напълно рециклируем.

Най-важните технологични параметри на полиетилена са представени в таблица 5.

Таблица 5. Технологични свойства на полиетилена

Характеристика

Стойност *

Температура на преработка

190 – 274°C

Температура в задната зона на цилиндъра

210°C

Температура в средната зона на цилиндъра

210°C

Температура в предната зона на цилиндъра

210°C


Методи за преработка


Температура на дюзата

210°C

Температура на формата

33°C

Температура на сушене

77°C


Полиетиленът е устойчив на влиянието на редица вещества, което го прави подходящ за материали с широко приложение. Пропускливостта му спрямо газове и течности зависи от вида, плътността, степента на кристалност, състава на газа (парите) и външни фактори като температура, парциално налягане и др.

Полиетиленът ниска плътност (LDPE)притежава:


  • отлична устойчивост на разредени и концентрирани киселини, основи, алкохоли и естери;

  • добра устойчивост на органични карбонилни съединения (алдехиди и кетони), растителни масла;

  • ограничена устойчивост на алифатни и ароматни въглеводороди, и минерални масла;

  • ниска устойчивост на окислители, като например азотната киселина.

Някои течни или газообразни халогени като хлор, флуор го разрушават, а други като бром и йод дифундират през него. Поради лошата си устойчивост на халогенирани въглеводороди, LDPE не се препоръчва за използване в среда на тези въглеводороди.

При 20°C LDPE не се разтваря в органични разтворители, но набъбва в някои от тях. При температури над 80°C се разтваря в алифатни, ароматни и халогенирани въглеводороди. Степента на набъбване и разтворимостта му зависят от вида на разтворителя, времето на престой в него, температурата и размерите (дебелината) на изделието.



Полиетиленът ниска плътност се характеризира с ниска газопроницаемост, която намалява с увеличаване на плътността и степента на кристалност. При комбинирано въздействие на механични натоварвания и химични въздействия, полиетиленът се напуква, независимо че е устойчив на тези въздействия поотделно. Процесът се ускорява в среди на нискомолекулни полярни течности, поради съчетанието на ниско повърхностно напрежение и адсорбция на течността върху полимерната повърхност.

Полиетиленът висока плътност (HDPE) се характеризира с висока устойчивост на въздействието на киселини, основи, концентрирани хлороводородна и флуороводородна киселина, но не е устойчив на окислители. Благодарение на високата си степен на кристалност той е по-устойчив на органични разтворители от LDPE – при стайна температура не се разтваря в тях, но, подобно на LDPE, при температури над 115°C става разтворим в ароматни въглеводороди и техните халогенопроизводни. Той показва също ниска водопоглъщаемост и ниска газо- и паропроницаемост – стойностите на тези характеристики зависят от размера на газовите молекули и неговия афинитет към полиетилена. HDPE е много по-устойчив от LDPE на напукване при въздействие на напрежения в среда на алкохоли, мастни киселини и сапуни.

Полиетиленът с ултра високо молекулно тегло (UHMWPE) също е много устойчив на въздействието на вода, влага, голяма част от химическите реагенти, UV – лъчение и микроорганизми.


Химическа устойчивост

Полиетиленът е един от най-широко използваните в практиката полимери.

Полиетиленът с ниска плътност се използва за производството на контейнери и фолия за опаковки.

Линейният полиетилен с ниска плътност също намира приложение за опаковки, кабелни изолации, играчки, капачки, контейнери, тръби. Типичното му приложение е за полимерни фолия за опаковки поради здравината, гъвкавостта и прозрачността му.

Полиетиленът с много ниска плътност се използва за производството на маркучи и тръби, контейнери за замразени храни, опаковки на храни, и като модификатор на удароустойчивостта в смеси с други полимери.

Полиетиленът средна плътност е типично използван за производството на газопроводни тръби и свързващи части, опаковъчни фолия, чували и др.

Омреженият полиетилен се използва за водопроводни части и тръби, тъй като при необходимост може да се разшири и да формира плътни водонепропускливи връзки с останалите части на водопроводните системи.

Полиетиленът висока плътност се използва при производството на опаковки като контейнери за миещи препарати, мляко, кофички за маргарин, контейнери за отпадъци и др. Той е използван също в пиротехниката.

Полиоетиленът с ултра високо молекулно тегло намира широко приложение поради изключително високата си жилавост, износоустойчивост и химическа устойчивост: машинни части за тъкачни станове, лагери, зъбни колела, изкуствени стави, ограничители за ледени пързалки и др. Влакната от този вид полиетилен конкурират арамидните в изработването на бронезащитни жилетки.

Търговски марки

HDPE

  • Hostalen (Basell, NL)

  • Lupolen (Basell, NL)

  • Paxon (Exxon Chemical, USA)

  • Marlex ( Chevron Phillips Companies, USA)

  • Marlfex ( Chevron Phillips Companies, USA)

LDPE

  • Lupolen (Basell, NL)

  • Marlex ( Chevron Phillips Companies, USA)

  • Marlfex ( Chevron Phillips Companies, USA)

LLDPE

  • Exxco (Exxon Chemical, USA)

  • Marflex ( Chevron Phillips Companies, USA)

MDPE

  • Lupolen (Basell, NL)

  • Marlex ( Chevron Phillips Companies, USA)

  • Marflex ( Chevron Phillips Companies, USA)



Приложение

* Посочените интервали отбелязват минималната и максимална стойност на съответната характеристика, експериментално установени и публикувани за различните марки и видове от този полимер.

Библиография


1. White, J. L., D. D. Ghoi. Polyolefins: Processing, Structure Development and Properties, Hanser Gardner Publications, 2004.
2. Harper, Charles A., Edward M. Petrie. Plastics Materials and Processes, John Wiley & Sons, 2003.

3. Harper, Charles A., Handbook of Plastic Processes, John Wiley & Sons, 2005.

4. Van Krevelen, D.W. Properties of polymers, Elsevier, 2003.

5. Järvelä P. et al., Ruiskuvalu, Plastdata, 2000.




Полиетилен -


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница