Свойства и применение полиэтилена

ПЭ — термопластичный насыщенный полимерный углеводород, молекулы которого состоят из этиленовых звеньев -СН₂-СН₂- и имеют конформацию плоского зигзага с периодом идентичности 0,254 нм, соответствующим повторяющемуся расстоянию в углеродной цепи. Соседние молекулы находятся на расстоянии 0,43 нм друг от друга.

В зависимости от метода получения свойства ПЭ — непрозрачного в толстом слое полимера, без запаха и вкуса — заметно изменяются (табл. 5.2), особенно это проявляется в плотности, температуре плавления, твердости, жесткости и прочно­сти. Эти показатели возрастают в ряду ПЭВ < ПЭНД < ПЭСД (в табл. 5.2 приведены свойства ПЭНД), полученного суспензионным методом). Основная причина различия свойств ПЭ состоит в разветвленности макромолекул: чем больше разветвлений в цепи, тем выше аморфизация и эластичность и тем меньше кристалличность полимера. Разветвления затрудняют образование более плотной упаковки макромолекул и препятствуют процессу кристаллизации. Наряду с кри­сталлической фазой в ПЭ всегда присутствует фаза аморфная, содержащая неупорядоченные участки макромолекул. Соотношение этих фаз зависит от способа получения ПЭ и условий его кристаллизации. Оно определяет и многие свойства полимера.

В табл. 5.3-5.4 приведены свойства некоторых марок ПЭ, выпускаемого разными методами. Марочный ассортимент выпускаемых полимеров ПЭ достаточно широк. С учетом конъюнктуры рынка в разные годы проявляется повышенный интерес к тем или иным маркам. Например, в последние годы из марочного ассортимента ПЭНП стали выделять линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП). Его получают толимеризацией этилена в газовой фазе в присутствии сомономеров (гексен, октен и другие соединения этого типа, содержащие от 3 до 12 атомов углерода). По сути дела это не гомополимер, а сополимер этилена с содержанием сомоиомера до 20 %. Процесс проводят на твердом носителе в присутствии электронодонорных добавок, используя катализаторы Циглера-Натты.

Известен также сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), получаемый в виде порошка при низком давлении суспензионным методом. СВМПЭ отличается от обычных марок ПЭ более высокими прочностными характеристиками, износостойкостью, большей стойкостью к растрескиванию и ударным нагрузкам, к различным агрессивным средам, способен сохранять свойства в широком интервале температур. Однако СВМПЭ не способен при повышении температуры переходить в вязкотекучее состояние, а только в размягченное, что затрудняет переработку СВМПЭ

ПЭ не смачивается водой и другими полярными жидкостями. При комнатной температуре он не растворяется в органических растворителях. Лишь при повышении температуры (70°С и выше) он сначала набухает, а затем растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах. Лучшими растворителями являются ксилол, декалин, тетралин. При охлаждении растворов ПЭ выпадает в виде порошка.

Масла, жиры, керосин и другие нефтяные углеводороды практически не действует на ПЭ; полимер высокой плотности проявляет к ним большую стойкость, чем юлимер низкой плотности.

ПЭ устойчив к действию водных растворов кислот, щелочей и солей, но при температурах выше 60 °С серная и азотная кислоты быстро его разрушают. Кратковременная обработка ПЭ окислителем (например, хромовой смесью) приводит к окислению поверхности и смачиванию ее водой, полярными жидкостями и клеями.

В этом случае изделия из ПЭ можно склеивать. Без изменения полярности его поверхности ПЭ только сваривается с помощью горячего воздуха, азота или аргона.

Окисление ПЭ кислородом воздуха под влиянием нагревания и воздействия солнечного света, приводящее к ухудшению физико-механических и диэлектрических свойств, в значительной степени предотвращается введением стабилизаторов.

В виде пленок ПЭ проницаем для многих газов (Н₂,0₂, С0₂, N₂, СО, СН₄, С₂Н₆), но практически непроницаем для паров воды и полярных жидкостей. Проницаемость ПЭНП в 5-10 раз выше проницаемости ПЭВП.

Механические показатели ПЭ возрастают с увеличением плотности (степени кри­сталличности) и молекулярной массы (см. табл. 5.2). В виде тонких пленок толщиной 40-100 мкм ПЭ (особенно полимер низкой плотности) обладает большой гибкостью и некоторой прозрачностью, а в виде листов приобретает большую жесткость и непрозрачность. ПЭ устойчив к ударным нагрузкам. Он эксплуатируется в пределах температур от -80 до 60 °С (ПЭНП) и до 100 °С (ПЭВП). Вязкость расплава ПЭНП выше, чем ПЭВП, поэтому он перерабатывается в изделия легче.

ПЭ обладает низкой теплопроводностью и большим коэффициентом термического расширения (см. табл. 5.2).

По электрическим свойствам ПЭ, как неполярный полимер, относится к высоко­качественным высокочастотным диэлектрикам. Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь мало изменяются с изменением частоты электрического поля, температуры в пределах от -80 до 100 °С и влажности. Остатки катализатора в ПЭВП повышают тангенс угла диэлектрических потерь, особенно при изменении температуры, что приводит к некоторому ухудшению изоляционных свойств.

Полиэтилен, наряду с широким комплексом положительных свойств, обладает и рядом недостатков. К ним относится в первую очередь уже ранее отмеченное старение при действии солнечного света, ползучесть (развитие деформации при длительном действии статических нагрузок), образование трещин в изделиях, находящихся длительное время в напряженном состоянии, невысокая рабочая температура (до 70 °С), недостаточная механическая прочность и в ряде случаев химическая стой­кость, горючесть, непрозрачность.

Ползучесть приводит к тому, что при конструировании изделий, подвергающихся длительному действию нагрузок, оперируют не разрушающим напряжением при растяжении, а пределом длительной прочности, который в несколько раз ниже и равен 2,5 МПа для ПЭНП и 0,5 МПа для ПЭВП.

Образование трещин в изделиях определяется действующими напряжениями, температурой и средой. Активно воздействуют на ПЭ растворы моющих средств и полярные жидкости. ПЭНП более устойчив к растрескиванию, чем ПЭВП.

Комплекс физико-механических, химических и диэлектрических свойств ПЭ позволяет широко применять его во многих отраслях промышленности (кабельной, радиотехнической, химической, легкой, медицине, в изделиях бытового назначения и др.).

Изоляция электрических проводов. Высокие диэлектрические свойства полиэтилена и его смесей с полиизобутиленом, малая проницаемость для паров воды позволяют широко использовать его для изоляции электропроводов и изготовления кабелей, применяемых в различных средствах связи, сигнальных устройствах, системах диспетчерского телеуправления, высокочастотных установках, для обмотки проводов двигателей, работающих в воде, а также для изоляции подводных и коаксиальных кабелей.

Кабель с изоляцией из полиэтилена имеет преимущества по сравнению с каучуковой изоляцией. Он легок, более гибок и обладает большей электрической прочностью. Провод, покрытый тонким слоем полиэтилена, может иметь верхний слой из пластифицированного поливинилхлорида, образующего хорошую механическую защиту от повреждений.

В производстве кабелей находит применение ПЭНП, сшитый небольшими количествами (1-3 %) органических перекисей или облученный быстрыми электронами.

Пленки и листы. Пленки и листы могут быть изготовлены из ПЭ любой плотности. При получении тонких и эластичных пленок более широко применяется ПЭНП.

Пленки изготовляются двумя методами: экструзией расплавленного полимера через кольцевую профилирующую головку с последующим раздувом или экструзией через плоскощелевую профилирующую головку с последующей вытяжкой. Они выпускаются толщиной 0,03-0,30 мм, шириной до 1400 мм (в некоторых случаях до 10 м) и длиной до 300 м.

Кроме тонких пленок из ПЭ изготавливают листы толщиной 1-6 мм и шириной до 1400 мм. Их применяют в качестве футеровочного и электроизоляционного материала и перерабатывают в изделия технического и бытового назначения методом пневмо- и вакуум-формования.

Большая часть продукции из ПЭНП служит упаковочным материалом, конкурируя с другими пленками (целлофановой, поливинилхлоридной, поливинилиденхлоридной, полиэтилентерефталатной,поливинилфторидно-полиэтилентерефталатной, из поливинилового спирта и др.), меньшая — используется для изготовления различных изделий (сумок, мешков, облицовки для ящиков, коробок и других видов тары).

Широко применяются пленки для упаковки замороженного мяса и птицы, при изготовлении аэростатов и баллонов для проведения метеорологических и других исследований в верхних слоях атмосферы, защиты от коррозии магистральных нефте- и газопроводов. В сельском хозяйстве прозрачная пленка используется для замены стекла в теплицах и парниках. Черная пленка служит для мульчирования почвы в целях задержания тепла и для защиты от сорняков при выращивании овощей, плодово-ягодных и бобовых культур, а также для выстилания силосных ям, дна водоемов и каналов. Все больше применяется полиэтиленовая пленка в качестве материала для крыш и стен при сооружении помещений для хранения урожая, сельскохозяйственных машин и другого оборудования.

Из полиэтиленовой пленки изготовляют предметы домашнего обихода: плащи, скатерти, гардины, салфетки, передники, косынки и т. п. Пленка может быть нанесена с одной стороны на различные материалы: бумагу, ткань, целлофан, металлическую фольгу.

Армированная полиэтиленовая пленка отличается существенно большей прочностью, чем обычная пленка такой же толщины. Такой материал состоит из двух пленок, между которыми размещены армирующие нити из синтетических или природных волокон или редкая стеклянная ткань.

Из очень тонких армированных пленок изготовляют скатерти, а также пленки для теплиц; из более толстых пленок — мешки и упаковочный материал. Армированная пленка, упрочненная редкой стеклянной тканью, может быть применена для изготовления защитной одежды и использована в качестве обкладочного материала для различных емкостей.

На основе пленок из ПЭ могут быть изготовлены липкие (клеящие) пленки или ленты, пригодные для ремонта кабельных линий высокочастотной связи и для защиты стальных подземных трубопроводов от коррозии. Полиэтиленовые пленки и ленты с липким слоем содержат на одной стороне слой из иизкомолекулярного полиизобутилена, иногда в смеси с бутилкаучуком. Выпускаются они толщиной 65-96 мкм, шириной 80-150 мм.

ПЭНП и ПЭВП применяют и для защиты металлических изделий от коррозии. Защитный слой наносится методами газопламенного и вихревого напыления.

Трубы. Из всех видов пластмасс ПЭ нашел наибольшее применение для изготов­ления методами экструзии и центробежного литья труб, характеризующихся легкостью, коррозионной стойкостью, незначительным сопротивлением движению жидкости, простотой монтажа, гибкостью, морозостойкостью, легкостью сварки.

Непрерывным экструзионным методом выпускаются трубы любой длины с внутренним диаметром 6-300 мм при толщине стенок 1,5—10 мм. Полиэтиленовые трубы небольшого диаметра наматываются на барабаны. Литьем под давлением изготовляют арматуру к трубам, которая включает коленчатые трубы, согнутые под разными углами, тройники, муфты, крестовины, патрубки. Трубы большого диаметра (до 1600 мм) с толщиной стенок до 25 мм получают методом центробежного литья.

Полиэтиленовые трубы вследствие их химической стойкости и эластичности применяются для транспортировки воды, растворов солей и щелочей, кислот, различных жидкостей и газов в химической промышленности, для сооружения внутренней и внешней водопроводной сети, в ирригационных системах и дождевальных установках.

Трубы из ПЭНП могут работать при температурах до 60 °С, а из ПЭВП — до 100 °С. Такие трубы не разрушаются при низких температурах (до -60 °С) и при замерзании воды; они не подвержены почвенной коррозии.

Литьевые и формованные изделия. Одним из основных методов переработки ПЭ в штучные изделия является литье под давлением. Большое распространение в фармацевтической и химической промышленности получили бутылки из полиэтилена объемом от 25 до 5000 мл, а также посуда, игрушки, электротехнические изделия, решетчатые корзины и ящики. Центробежным формованием получают контейнеры объемом до 10 000 л.

Из полиэтиленовых листов, полученных экструзией, можно изготовить различные изделия штампованием, изгибанием по шаблону или пневмо-, вакуум-формованием. Крупногабаритные изделия (лодки, ванны, баки и т. п.) также могут быть изготовлены из порошка полиэтилена путем его спекания на нагретой форме. Отдельные части изделий могут быть сварены при помощи струи горячего воздуха, нагретого до 250 °С.

Формованием и сваркой можно изготовить вентили, колпаки, контейнеры, части вентиляторов и насосов для кислот, мешалки, фильтры, различные емкости, ведра и т. п.