Полиэтилен - термопластичный полимер этилена. Представляет собой органическое соединение и содержит цепи

…-CH2-CH2-CH2-CH2-….

Является самым распространённым в мире пластиком. Существуют три вида этого полимера - полиэтилен высокого, среднего и низкого давления.

1.1 Синтез

Полиэтилен является виниловым полимером, мономером при его производстве служит этилен.

Молекула полиэтилена высокого давления (ПЭВД), или полиэтилена низкой плотности (ПЭНП), представляет собой длинную разветвленную цепь из атомов углерода, к каждому из которых присоединено по два атома водорода.

ПЭВД образуется при следующих условиях:

· температура 200-260 °C;

· давление 150-300 МПа;

· присутствие инициатора (кислород или органический пероксид);

· в автоклавном или трубчатом реакторах. Реакция идёт по радикальному механизму. По окончании процесса из полиэтилена удаляют непрореагировавший этилен, расплав охлаждают до 180-190°С и гранулируют. Гранулы, охлажденные водой до 60-70°С, подсушивают теплым воздухом и упаковывают в мешки.

Молекулы полиэтилена среднего давления (ПЭСД) практически линейны и образуются при следующих условиях:

· температура 100-120 °C;

· давление 3-4 МПа;

· присутствие катализатора (катализаторы Циглера - Натта, например, смесь TiCl₄ и AlR₃);

· продукт выпадает из раствора в виде хлопьев.

Молекулы полиэтилена низкого давления (ПЭНД), или полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), имеют гораздо меньше разветвлений, чем ПЭВД. ПЭНД образуется при следующих условиях:

· температура 120-150 °C;

· давление ниже 0.1 - 2 МПа;

· присутствие катализатора (катализаторы Циглера - Натта, например, смесь TiCl₄ и AlR₃);

Полимеризация идёт в суспензии по ионно-координационному механизму.

Ассортимент полимеров этилена может быть значительно расширен получением сополимеров его с другими мономерами, а также путём получения композиций при компаундировании полиэтилена одного типа с полиэтиленом другого типа, полипропиленом, полиизобутиленом, каучуками и т. п.

На основе полиэтилена и других полиолефинов могут быть получены многочисленные модификации - привитые сополимеры с активными группами, улучшающими адгезию полиолефинов к металлам, окрашиваемость, снижающими его горючесть и т. д.

Способ получения существенно влияет на свойства полиэтилена.

1.2 Свойства

ПЭВД эластичный мягкий материал. Главная особенность молекулярной структуры ПЭВД - разветвленность строения, что является причиной образования рыхлой аморфно-кристаллической структуры и, как следствие, уменьшение плотности полимера. Связи поэтому структурами не сильные, а это говорит о том, что полиэтилен имеет невысокую устойчивость на разрыв и повышенную пластичность, а также высокую текучесть в расплаве.

Полиэтилен среднего давления (ПЭСД) - это жесткий продукт, состоящий из смеси ПЭВД и ПЭНД (в определенных пропорциях). Плотность ПЭСД составляет от 0.926 г/см 3 до 0.940. Этот материал обладает хорошей устойчивостью к изломам и ударам. Помимо этого, полиэтилен среднего давления более чем ПЭНД устойчив к царапинам и растрескиванию. В отличии от ПЭНД, этот полимер более устойчив к растрескиванию и царапинам.

ПЭНД: ММ = (50-1000)*10³;

это жесткий продукт с плотностью более 0.941 г/см³. У этого полиэтилена низкая степень ветвления молекул, а это значит, что он обладает большими межмолекулярными силами и прочностью на разрыв.

Химические свойства.

Полиэтилен обладает низкой паро- и газопроницаемостью. Химическая стойкость зависит от молекулярной массы и плотности. Полиэтилен не реагирует со щелочами любой концентрации, с растворами любых солей, карбоновыми, концентрированной соляной и плавиковой кислотами. Устойчивый к кислотам, щелочам, растворителям, алкоголю, бензину, воде, овощным сокам, маслу. Он разрушается 50%-ной HNO₃, а также жидкими и газообразными Cl₂ и F₂. Бром и йод через полиэтилен диффундируют. Полиэтилен не растворим в органических растворителях и ограниченно набухает в них.

Физические свойства: эластичный, жесткий - до мягкого, в зависимости от веса изделия, устойчивый к низким температурам до -70°С, ударостойкий, не ломающийся, с хорошими диэлектрическими свойствами, с небольшой поглотительной способностью. Физиологически нейтральный, без запаха. Полиэтилен низкой плотности (0,92 - 0,94 г/см³⁾ - мягкий; полиэтилен высокой плотности (0,941 - 0,96 г/см³) - твердый, очень жесткий.

Эксплуатационные свойства: полиэтилен стоек при нагревании в вакууме и атмосфере инертного газа; деструктируется при нагревании на воздухе уже при 80⁰С. Под действием солнечной радиации, особенно УФ лучей, подвергается фотостарению (в качестве светостабилизаторов используется сажа, производные бензофенонов). Полиэтилен практически безвреден; из него не выделяются в окружающую среду опасные для здоровья человека вещества.

1.3 Применение

Хорошие механические свойства, легкость переработки, высокая химическая и термическая стойкость обуславливают широкое применение полиэтилена:

· Полиэтиленовая плёнка (особенно упаковочная, например, пузырчатая упаковка или скотч);

· Тара (бутылки, банки, ящики, канистры, садовые лейки, горшки для рассады);

· Полимерные трубы для канализации, дренажа, водо-, газоснабжения;

· Электроизоляционный материал;

· Полиэтиленовый порошок используется как термоклей;

· Броня (бронепанели в бронежилетах);

· Корпуса для лодок, вездеходов, деталей технической аппаратуры, диэлектрических антенн, предметов домашнего обихода и др.;

Глава 2. Полипропилен

Рис. 3 Изотактический полипропилен.

Рис. 4 Атактический полипропилен.

2.1 Синтез

Изотактический полипропилен в промышленности получают стереоспецифической полимеризацией пропилена, главным образом, в массе, а также в растворе или псевдоожиженном слое. Полимеризацию в растворе (растворитель - гептан, низкооктановые фракции бензина; 70-80°С, 0,5-1,0 МПа) проводят до содержания полипропилена в растворителе 300-400 г/л. После отделения на центрифуге полипропилен отмывают от остатков катализатора спиртом, смесью воды со спиртом или пропиленоксидом. Порошкообразный полипропилен сушат, смешивают со стабилизаторами, красителями и затем гранулируют.

Реакцию в массе осуществляют в среде жидкого мономера при 70-80°С и 2,7-3,0 МПа. Благодаря отсутствию растворителя упрощаются выделение и сушка полипропилена.

Полипропилен перерабатывается всеми известными способами: формование методами экструзии, вакуум- и пневмоформования, экструзионно-выдувного, инжекционно-выдувного, инжекционного, компрессионного формования, литье под давлением.

2.2 Свойства

В отличие от полиэтилена, полипропилен менее плотный (плотность 0,91 г/см³, что является наименьшим значением вообще для всех пластмасс), более твёрдый (стоек к истиранию), более термостойкий (начинает размягчаться при 140 °C, температура плавления 175 °C), почти не подвергается коррозионному растрескиванию. Обладает высокой чувствительностью к свету и кислороду (чувствительность понижается при введении стабилизаторов).

Поведение полипропилена при растяжении ещё в большей степени, чем полиэтилена, зависит от скорости приложения нагрузки и от температуры. Чем ниже скорость растяжения полипропилена, тем выше значение показателей механических свойств. При высоких скоростях растяжения разрушающее напряжение при растяжении полипропилена значительно ниже его предела текучести при растяжении.

Полипропилен химически стойкий материал. Заметное воздействие на него оказывают только сильные окислители - хлорсульфоновая кислота, дымящая азотная кислота, галогены, олеум. Концентрированная 58%-ная серная кислота и 30%-ная перекись водорода при комнатной температуре действуют незначительно. Продолжительный контакт с этими реагентами при 60 °C и выше приводит к деструкции полипропилена.

В органических растворителях полипропилен при комнатной температуре незначительно набухает. Выше 100 °C он растворяется в ароматических углеводородах, таких, как бензол, толуол.

Вследствие наличия третичных углеродных атомов полипропилен более чувствителен к действию кислорода, особенно при воздействии ультрафиолета и повышенных температурах. Этим и объясняется значительно большая склонность полипропилена к старению по сравнению с полиэтиленом. Старение полипропилена протекает с более высокими скоростями и сопровождается резким ухудшением его механических свойств. Поэтому полипропилен применяется только в стабилизированном виде.

Полипропилен - водостойкий материал. Даже после длительного контакта с водой в течение 6 месяцев (при комнатной температуре) водопоглощение полипропилена составляет менее 0,5 %, а при 60єС - менее 2 %.

Полипропилен имеет более высокую температуру плавления, чем полиэтилен, и соответственно более высокую температуру разложения. Чистый изотактический полипропилен плавится при 176 °C. Максимальная температура эксплуатации полипропилена 120-140єС. Все изделия из полипропилена выдерживают кипячение, и могут подвергаться стерилизации паром без какого-либо изменения их формы или механических свойств.

Стереоизомеры полипропилена существенно различаются по механическим, физическим и химическим свойствам. Атактический полипропилен представляет собой каучукоподобный материал с высокой текучестью, температурой плавления - около 80°С, плотностью - 850 кг/м³, хорошей растворимостью в диэтиловом эфире. Изотактический полипропилен по своим свойствам выгодно отличается от атактического, а именно: он обладает высоким модулем упругости, большей плотностью - 910 кг/м³, высокой температурой плавления - 165-170°С и лучшей стойкостью к действию химических реагентов.

Применение.

Полиэтилен используется и в качестве пластмассы, и в качестве волокна:

· материал для производства плёнок (особенно упаковочных), мешков, тары, труб, деталей технической аппаратуры, предметов домашнего обихода и др.;

· электроизоляционный материал, в строительстве для вибро- и шумоизоляции межэтажных перекрытий в системах «плавающий пол»;

· в виде волокна полипропилен используется для изготовления ковровых покрытий для использования как в помещениях, так и на открытом воздухе.

Глава 3. Полистирол

Рис. 5. Синдиотактический и атактический полистирол.

3.1 Синтез

Промышленное производство полистирола основано на радикальной полимеризации стирола. Различают 3 основных способа его получения:

· Эмульсионный (ПСЭ)

Наиболее устаревший метод получения, не получивший широкого применения в производстве. Эмульсионный полистирол получают в результате реакции полимеризации стирола в водном растворе щелочных веществ при температуре 85-95°C. Для этого метода требуются: стирол, вода, эмульгатор и инициатор полимеризации. Полистирол получаемый по данному методу имеет аббревиатуру - ПСЭ.

· Суспензионный (ПСС)

Суспензионной полимеризацией по периодической схеме в реакторах объемом 10-50 м³, снабженных мешалкой и рубашкой. Стирол суспендируют в деминерализованной воде, используя различные стабилизаторы эмульсии; инициатор полимеризации растворяют в стироле. Процесс ведут при постепенном повышении температуры от 40 до 130°С под давлением в течение 8-14 ч. Из полученной суспензии полистирол выделяют центрифугированием, после чего его промывают и сушат. Процесс удобен для получения и сополимеров стирола. Этим же методом в основном производят и пенополистирол.

· Блочный, или получаемый в массе (ПСМ).

Различают две схемы производства полистирола общего назначения: полной и неполной конверсии. Термическая полимеризацией в массе по непрерывной схеме представляет собой систему последовательно соединенных 2-3 колонных аппарата-реактора с мешалками. Полимеризацию проводят постадийно в среде бензола - сначала при температуре 80-100°С, а затем стадией 100-220°С. Полистирол, полученный блочным методом, отличается высокой чистотой и стабильностью параметров. Данная технология наиболее эффективна и практически не имеет отходов.

Ударопрочный полистирол (УПС) получают привитой сополимеризацией стирола с полибутадиеновыми или бутадиен-стирольными каучуками.

Вспененный пенополистирол (пенопласт) производится вспениванием полистирола и последующим спеканием частиц.

Полистирол перерабатывают литьем под давлением и экструзией при 190-230°С.

3.2 Свойства

Степень полимеризации промышленно выпускаемых полистиролов n = 600-2500, коэффициент полидисперсности 2-4. В зависимости от метода синтеза и степени полимеризации индекс текучести составляет 2-30, температура размягчения 97°С для аморфного и 114°С для частично кристаллизованного полистирола.

Фенильные группы препятствуют упорядоченному расположению макромолекул и формированию кристаллических образований.

Полистирол общего назначения - жёсткий, хрупкий, аморфный полимер с высокой степенью оптического светопропускания, невысокой механической прочностью. Полистирол имеет низкую плотность (1060 кг/мі), усадка при литьевой переработке 0,4-0,8 %. Полистирол обладает отличными диэлектрическими свойствами и неплохой морозостойкостью (до ?40 °C). Имеет невысокую химическую стойкость (кроме разбавленных кислот, спиртов и щелочей).

ПС растворяется в ацетоне, толуоле, дихлорэтане, медленнее в бензине. Не растворим в воде. Термопластичный материал. Полистирол легко формуется и окрашивается. Хорошо обрабатывается механическими способами. Хорошо склеивается. Обладает низким влагопоглощением, высокой влагостойкостью и морозостойкостью.

Его недостатки - хрупкость и низкая теплостойкость; сопротивление ударным нагрузкам невелико. При температурах выше 60°С снижается формоустойчивость.

Пенополистирол на 98% состоит из воздуха и только на 2% из полистирола. Такая структура и придает замечательные свойства материалу, получившему заслуженное признание во всем мире. Пенополистирол характеризуется низкой теплопроводностью (0,030-0,040 Вт/м^оС) и плотностью (15-40 кг/м³). При этом прочность пенополистирола позволяет применять его в качестве конструктивного элемента, способного нести значительные нагрузки в течение длительного времени. Пенополистирол не гигроскопичен, диффузия водного пара сквозь него пренебрежимо мала.

3.3 Применение

Полистирол выпускается в виде прозрачных гранул цилиндрической формы, которые перерабатываются в готовые изделия литьем под давлением либо экструзией при 190-230°С. Широкое применение полистирола (ПС) и пластиков на его основе базируется на его невысокой стоимости, простоте переработки и огромном ассортименте различных марок.

Наиболее широкое применение (более 60 % производства полистирольных пластиков) получили ударопрочные полистиролы. В настоящее время созданы и другие многочисленные модификации сополимеров стирола.

Из полистиролов производят широчайшую гамму изделий, которые в первую очередь применяются в бытовой сфере деятельности человека (одноразовая посуда, упаковка, детские игрушки и т. д.), а также строительной индустрии (теплоизоляционные плиты, несъемная опалубка, сандвич панели), облицовочные и декоративные материалы (потолочный багет, потолочная декоративная плитка, полистирольные звукопоглощающие элементы, клеевые основы, полимерные концентраты), медицинское направление (части систем переливания крови, чашки Петри, вспомогательные одноразовые инструменты). Вспенивающийся полистирол после высокотемпературной обработки водой или паром может использоваться в качестве фильтрующего материала (фильтрующей насадки) в колонных фильтрах при водоподготовке и очистке сточных вод. Высокие электротехнические показатели полистирола в области сверхвысоких частот позволяют применять его в производстве диэлектрических антенн, опор коаксиальных кабелей. Могут быть получены тонкие пленки (до 100 мкм), а в смеси с сополимерами (стирол-бутадиен-стирол) до 20 мкм, которые также успешно применяются в упаковочной и кондитерской индустрии, а также в производстве конденсаторов.

Предельно низкая вязкость полистирола в бензоле, позволяющая даже в предельных концентрациях получать все ещё подвижные растворы, обусловила использование полистирола в составе напалма в качестве загустителя, зависимость «вязкость-температура» которого, в свою очередь, уменьшается с увеличением молекулярной массы полистирола.

Для получения материалов, обладающих более высокими теплостойкостью и ударной прочностью, чем полистирол, используют смеси последнего с другими полимерами и сополимеры стирола, из которых наибольшее промышленнное значение имеют блок- и привитые сополимеры, т.н. ударопрочные материалы (АБС-пластик, Полистирол ударопрочный), а также статистические сополимеры стирола с акрилонитрилом, акрилатами и метакрилатами, а-метилстиролом и малеиновым ангидридом. Статистические сополимеры с виниловыми мономерами получают по той же технологии, что и полистирол: чаще всего суспензионной или эмульсионной сополимеризацией.

Глава 4. Поливинилхлорид