Полиэтилен – что это такое, из чего его делают и как получают

Несмотря на то, что в прошлом году в России было отмечено снижение потребления всех базовых полимеров, рынок обладает колоссальным потенциалом роста. Только по самым скромным оценкам аналитиков он может увеличиваться примерно на 1-2% в течение полугода. Поэтому поговорим о том, из чего сделан полиэтилен и какими способами производят материал, который состоит из полимеризованного газа, а также отметим, как и зачем это делается.

Интересно, что общие мощности по его производству совместно с полипропиленом постоянно растут. Если еще в 2017 году они оценивались примерно в 170 млн тонн, то сегодня речь может идти уже о 230 млн тонн ежегодно выпускаемого материала. И он продолжит быть востребованным, пока изготовители не найдут более экологичную и экономически выгодную альтернативу. Аналоги уже есть. Однако заменить ПЭ они не могут по физическим качествам и базовым свойствам. С учетом стремительного развития технологий переработки полимера и совершенствования локального законодательства в этой области, экологических проблем, связанных с растущим производством, в перспективе станет меньше.

Общее представление

Под полиэтиленом понимают термопластичный полимер этилена, который относят к числу полиолефинов. Он имеет вид монотонной белой массы, однако при формировании тонких листов он становится прозрачным. Это нечувствительный к ударной нагрузке диэлектрик, способный размягчаться уже при нагревании до 80С. Обладает невысокой адгезией и характеризуется устойчивостью к агрессии химических сред.

История открытия

Первооткрывателем полиэтилена принято считать Ганса фон Пехманна, которому в ходе совершенно других экспериментов удалось получить полимер. Он сделал это случайно в 1899 году и не мог догадываться о значимости своего открытия – жидкая субстанция на дне пробирки едва ли могла представлять интерес в конце XIX века. Материал оставался невостребованным на протяжении десятилетий.

Дальнейшее развитие полиэтилена принято связывать с Imperial Chemical Industries – британской химической компанией, некогда одной из крупнейших в Европе. Над разработкой установки для промышленного синтеза ПЭ работали ученые Эрик Фосет и Реджинальд Гибсон. В 1936 году компании удалось запатентовать полиэтилен низкой плотности. Через 2 года началось его масштабное производство.

Что же касается полимера низкого давления, то его история началась с работ нобелевского лауреата Карла Циглера, разрабатывавшего катализаторы. Запатентовать полиэтилен высокой плотности удалось в 1954 году. Тогда метод его получения уже была освоен учеными, поэтому широкое производство было запущено в течение нескольких лет. Несмотря на развитие технологий и оборудования, принцип синтеза ПЭ сегодня остается тем же.

Особенности

Чаще всего полимер выступает производственным сырьем. В зависимости от назначения он может быть порошкообразным или представлять собой гранулы разного диаметра. Проще всего понять что такое полиэтилен по фото: он выглядит более мягким и эластичным в сравнении с целлофаном, с которым его так часто путают. Также материал визуально отличается от полипропилена.

Изначально ПЭ представлен белой массой, а при формировании в тонкие листы – бесцветной гладкой пленкой. Однако при добавлении в сырье определенных красителей он может приобретать практически любой оттенок.

Свойства

Характеристики полимера во многом зависят от его вида. Различают первичный и вторичный материал, производимый под высоким, средним и низким давлением. Однако многие черты свойственны всем разновидностям. Поэтому отметим как индивидуальные, так и общие характеристики.

Свойства ПЭ высокого давления

Полиэтилен высокого давления (ПВД) – полимер термопластичного типа. Его получают путем воздействия на этилен высоких температур и давления до 3000 атмосфер.

Материал обладает следующими характеристиками:

• молекулярная масса – от 30 тыс. до 400 тыс. а. е. м.;
• показатель текучести расплава – до 20 грамм за 10 минут;
• кристалличность – порядка 60%;
• температура стеклования – на уровне -4С, плавления – 105-115 С;
• плотность – порядка 930 кг/м3.

Процесс образования полиэтилена данного вида – это реакция полимеризации под воздействием высокого давления. Метод сказывается на структуре материала, которая имеет разветвленное строение. При рассмотрении молекул она выглядит рыхлой, аморфно-кристаллической. В результате полимер получает относительно невысокую плотность.

Свойства ПЭ низкого давления

Здесь все иначе – он обладает высокой плотностью, характеризуется твердостью, износостойкостью. Именно из него производят столь популярные трубы. Полиэтилен низкого давления (ПНД) занимает примерно 40% от объема всего рынка.

Ключевые свойства:

• молекулярная масса в диапазоне от 50 тыс. до 1 млн а. е. м.;
• показатель текучести расплава – до 20 грамм за 10 минут;
• степень кристалличности – порядка 70-90%;
• температура стеклования – на уровне 120С, плавления – 130-140 С;
• плотность – порядка 950 кг/м3.

При выборе важно учитывать множество факторов: какая плотность полиэтилена, к каким полимерам относится пластмасса и для чего ее используют. ПНД характеризует твердость, паро- и водонепроницаемость, стойкость к химической агрессии. Плотная структура материала достигается за счет применения стабилизаторов и катализаторов при его производстве. Полимер отличает повышенная прочность при растяжении и сжатии.

Общие свойства

Обладает высокой устойчивостью к химической агрессии – не разрушается даже при контакте с концентрированными щелочами и кислотами. Именно поэтому из ПЭ изготавливают емкости для различных реактивов. Однако материал способен к растворению – для этого на него необходимо одновременно воздействовать на него азотной кислотой и газообразным хлором. Соответственно разрушить полимер реально только в лабораторных условиях.

Среди ключевых физических свойств ПЭ:

• способность отталкивать влагу;
• плохая проводимость электричества – относится к диэлектрикам и может являться изоляцией для кабелей;
• неспособность вступать в химические реакции с живыми тканями – по этой причине часто применяется для производства медицинских протезов;
• отличные гидроизоляционные качества и низкая теплопроводность;
• повышенная прочность.

Важное свойство ПЭ – способность стареть, разлагаясь на альдегиды и перекись водорода. Это происходит быстрее, если материал находится под воздействием ультрафиолетового излучения. Поэтому он часто применяется для изготовления одноразовой посуды и упаковки. Также полимер отличается простотой утилизации – при его сжигании не происходит выброса вредных веществ в атмосферу. В результате он наносит меньше вреда окружающей среде.

Химический состав

Изначально ПЭ получают из этилена. Однако в зависимости от вида его состав может изменяться. Перед уточнением стоит разобраться в терминологии. Например, в том, что такое простыми словами первичный полиэтилен – это искусственный полимерный материал или органическое вещество, какой плотностью он обладает и за какое время стареет.

Если говорить про химический состав молекулы ПЭ, то она представляет собой цепочку атомов углерода с прикрепленными к каждому из них двумя молекулами водорода. Формулу можно записать как (–CH2–)n или (C2H4)n, n в данном случае – это степень полимеризации.

Классификация

Различают первичный и вторичный полимер. Первый производится из ПВД сырья высшего качества. Изготавливаемая из него продукция соответствует требованиям ГОСТ, отличается долговечностью, прочностью, отсутствием специфического запаха. Вторичный материал делают из переработанных отходов первичного. Обычно он имеет желтоватый оттенок и сладковатый запах, уступает по физическим характеристикам.

ПЭ также различают по плотности:

• низкой – ПВД, LDPE;
• высокой – ПНД, HDPE.

Определить, что относится к полиэтилену конкретного типа, можно с помощью маркировки. Учтите, что отдельный сегмент рынка занимает материал среднего давления – ПСД. Он относится к категории веществ высокой плотности. В классификации также присутствуют моно- и сополимеры – например, линейный, металлоценовый, сшитый, высокомолекулярный, повышенной термостойкости и так далее.

Получение ПЭ

Базовый производственный принцип един. Однако для изготовления материалов с разными конечными характеристиками применяются соответствующие технологии. В этой ситуации важно помнить из чего делают полиэтилен – его получают из газа этилена, который после полимеризации превращается в сырье в виде гранул или порошка.

Перечень требований к ПЭ установлен положениями ГОСТ 16337-2022. В процессе полимеризации могут быть задействованы различные виды оборудования. На данный момент совокупные мощности для выпуска материала в мире составляют порядка 230-250 млн тонн в год.

Производство полиэтилена высокого давления

Для получения полимера необходимо создать следующие условия:

• соответствующий технологическому процессу реактор;
• инициатор – может использоваться кислород;
• давление – от 150 до 300 МПа;
• температура – от 200 до 260 С.

Реакция будет проходить по радикальному механизму в расплаве. В процессе производства важно учитывать, что такое полиэтилен высокого давления и что из него делают – это материал небольшой плотности, его отличает эластичность.

Ввиду относительно невысокой стоимости он особенно часто используется при изготовлении различной упаковки. По совокупности характеристик полимер уступает ПНД во многих параметрах – в частности, в прочности и долговечности. Выпускается в виде жидкого продукта, который в дальнейшем проходит гранулирование.

Производство полиэтилена среднего давления

Для его изготовления необходимо создание следующих условий:

• катализатор – например, смесь хлорида титана и алюминийорганического соединения;
• температура – от 100 до 120 С;
• давление – от 3 до 4 МПа.

В процессе получения полимер выпадает в виде хлопьев. В дальнейшем он проходит многоэтапную обработку и принимает вид готового для применения сырья.

Производство полиэтилена низкого давления

В ходе изготовления ПНД необходимо создание следующих условий:

• катализатор – например, одна из систем Циглера-Натта;
• температура – от 120 до 150 С;
• давление – менее 2 МПа.

Получение проходит в суспензии, механизм – ионно-координационный. Следует учитывать особую значимость технологий для итоговых характеристик. Ввиду широкого разброса значений, они могут быть приближенными при каждом методе. В итоге полимеры, которые по сути получают разными способами, обладают схожими характеристиками.

Также важно учитывать, что делают из полиэтилена низкого давления – так как это материал высокой плотности, он часто используется при производстве изоляционных лент. Сырье, в частности, популярно при изготовлении труб, не подверженных коррозии и процессам гниения, отличающихся высоким эксплуатационным ресурсом. Изделия отличает длительный срок службы, устойчивость к грибковому поражению, а также к разрушению из-за воздействия влаги, перепадов температур. С каждым годом ПНД становится более востребованным и применяется все шире.

Другие способы получения ПЭ

Метод производства подбирается в зависимости от вида и классификации изготавливаемого полимера. Соответствующе по мере необходимости применяются катализаторы. Если учесть, из какого вещества получают полиэтилен, то стоит отметить, что науке известны и другие способы полимеризации. В частности, с применением радиоактивного излучения, положительно влияющего на прочность вещества и создающего «эффект памяти». Однако широкого распространения они не получают ввиду дороговизны и нецелесообразности организации производственного процесса.

Альтернативным способом расширения видового многообразия полимеров этой категории становится модификация. В ее рамках создаются компаунды из разных видов полиэтилена, а также из их комбинаций с каучуком, полипропиленом и другими материалами. В результате производителю удается значительно изменить свойства и характеристики ПЭ. В частности, повысить адгезию, улучшить способность к окрашиванию, снизить горючесть и так далее.

Чем отличается ПЭ от ПП

У двух полимеров есть много общего, но при этом они имеют разные характеристики, эксплуатационные особенности. Если обратить внимание на состав, то материалы создаются посредством полимеризации газов – этилена и пропилена соответственно. Оба вещества – алкены. При соединении молекул они образуют твердые полимеры, в химической основе которых находятся углерод и водород.

Если производитель, предположим, упаковок, не знает что выбрать, полиэтилен (ПЭ) или полипропилен (ПП), ему стоит разобраться в деталях – в чем разница, какие отличия между двумя полимерами. Отметим ключевые различия:

• температура плавления ПП выше, чем у ПЭ – 175 С против 103-137 С;
• полипропилен более прочный, обладает повышенной устойчивостью к перепадам температур;
• полиэтилен более гибкий и эластичный.

Различия хорошо видны при изготовлении идентичной по толщине упаковки из обоих материалов. В случае с ПП она будет максимально глянцевой, твердой, способной к образованию жестких углов при смятии. ПЭ пленка, напротив, останется эластичной и тянущейся, способной повторять контуры предмета.

Применение

Одним из немногих периодов в современности, когда производство данного полимера шло на спад, была пандемия коронавируса. Однако отрасль восстановилась быстрее, чем предполагали аналитики. По разным оценкам сегодня в мире выпускается порядка 220-250 млн тонн ПЭ ежегодно. Несмотря на появление альтернатив, материал удерживает лидерство во многих отраслях. Поэтому поговорим о том, для чего нужен полиэтилен – он используется при изготовлении следующих видов продукции:

• трубы;
• изоляционные оболочки;
• вспененные профили;
• упаковочные пленки;
• различная тара и так далее.

Из первичного и вторичного ПЭ производят сотни видов изделий – от одноразовой посуды до медицинских протезов. Самые популярные методы переработки – экструзия и литье под давлением. Помимо этого, актуально пневматическое или вакуумное формование, а также другие способы изготовления различной продукции из гранулированного и порошкообразного сырья.

Экология и вторичное использование полиэтилена

Несмотря на способность к старению и перспективность при переработке, ПЭ остается одним из не самых дружественных для окружающей среды материалов. Ежегодно в мире производятся миллионы полиэтиленовых пакетов, которые не всегда правильно утилизируются. Тем не менее, отдельные страны активно перерабатывают использованные изделия из полимера и даже закупают отходы у соседей.

В этой ситуации важно понимать, чем отличается полиэтилен от полипропилена и почему он более популярен при вторичном использовании. Из отработанного сырья производят недорогую упаковку, мусорные мешки, материалы для изоляции и многое другое. Поэтому особое значение приобретает раздельный сбор отходов и организация перерабатывающих предприятий на территориях разных регионов. Параллельно возникает потребность в изменении текущих нормативных актов и правового регулирования вопросов утилизации. Отрасль быстро меняется – многим странам удалось совершить прорыв не только в части производства ПЭ, но и в сфере его переработки. Их позитивный опыт стоит перенимать.

Подведем итоги

Для начала кратко обозначим происхождение материала и ответим на вопрос: полиэтилен – это какой полимер природный или синтетический? В виде сырья вещество в окружающей среде не встречается. Его получают методом полимеризации этилена. Соответственно ПЭ – синтетическое вещество. Одновременно он относится к категории органических соединений.

Виды полимера различают по множеству параметров. В частности, по плотности, неразрывно связанной с процессом изготовления при определенных условиях – так выделяют полиэтилен высокого, среднего и низкого давления.

ПЭ находит широкое применение в производстве, промышленности, строительстве и в других отраслях. С каждым годом объемы его выпуска растут. Одной из наиболее перспективных категорий продукции принято считать полиэтиленовые трубы. Они востребованы как прогрессивный материал с большим эксплуатационным ресурсом.

Производство осуществляется одним из нескольких способов. Его классификацию значительно расширяют сополимеры и компаунды, изготавливаемые с использованием других веществ. Модификация позволяет ПЭ обрести принципиально новые свойства – в частности, большую твердость, «эффект памяти» и повышенную прочность.