В истории науки некоторые открытия происходили случайно, а востребованные сегодня материалы часто являлись побочным продуктом какого-либо опыта. Совершенно случайно были открыты анилиновые красители для ткани, давшие впоследствии экономический и технический прорыв в легкой промышленности. Похожая история произошла и с полиэтиленом.
Открытие материала
Первый случай получения полиэтилена произошел в 1898 году. В ходе разогревания диамезотана химик немецкого происхождения Ганс фон Пехман обнаружил не дне пробирки странный осадок. Материал был достаточно плотным и напоминал воск, коллеги ученого назвали его полиметиллином. Дальше случайности у этой группы ученых дело не пошло, результат был почти забыт, интереса ни у кого не возникло. Но все же идея повисла в воздухе, требуя прагматичного подхода. Так и случилось, через тридцать с лишком лет полиэтилен был вновь открыт как случайный продукт неудачного эксперимента.
Англичане подхватывают и выигрывают
Современный материал полиэтилен появился на свет в лаборатории английской компании Imperial Chemical Industries. Э. Фоссет и Р. Джибсон проводили эксперименты с участием газов высокого и низкого давления и заметили, что один из узлов техники, в которой проводились опыты, покрылся неизвестным восковидным веществом. Заинтересовавшись побочным эффектом, они совершили несколько попыток получить вещество, но безуспешно.
Синтезировать полимер удалось М. Перрину, сотруднику той же компании, через два года. Именно он создал технологию, послужившую основой для промышленного производства полиэтилена. В дальнейшем свойства и качества материала изменялись лишь с помощью применения различных катализаторов. Массовое производство полиэтилена началось в 1938 году, а запатентован он был в 1936 году.
Сырье
Полиэтилен - это твердый полимер белого цвета. Относится к классу органических соединений. Из чего делают полиэтилен? Сырьем для его получения является газ этилен. Газ полимеризуют при высоком и низком давлении, на выходе получают гранулы сырья для дальнейшего использования. Для некоторых технологических процессов полиэтилен производится в виде порошка.
Основные виды
На сегодняшний день полимер выпускается двух основных марок ПВД и ПНП. Материал, изготовленный при среднем давлении относительного новое изобретение, но в перспективе количество выпускаемого продукта будет неизменно расти в связи с улучшающимися характеристиками и широким полем для применения.
Для коммерческого использования производят следующие виды материала (классы):
- Низкой плотности или другое название - высокого давления (ПЭВД, ПВД).
- Высокой плотности, или низкого давления (ПЭНП, ПНП).
- Линейный полиэтилен, или полиэтилен среднего давления.
Также существуют другие виды полиэтилена, каждый из которых имеет свои свойства и сферу применения. В гранулированный полимер в процессе производства добавляются различные красители, позволяющие получить черный полиэтилен, красный или любого другого цвета.
ПВД
Производством полиэтилена занимается химическая промышленность. Газ этилен - основной элемент (из чего делают полиэтилен), но не единственный, требующийся для получения материала.
- Температура нагревания составляет до 120 °С.
- Режим давления до 4 МПа.
- Стимулятор процесса - катализатор (Циглера-Натта, смесь хлорида титана с мелаллоорганическим соединением).
Процесс сопровождается выпадением полиэтилена в виде хлопьев, которые потом проходят процесс отделения от раствора с последующей грануляцией.
Этот вид полиэтилена характеризуется более высокой плотностью, устойчивостью к нагреванию и разрыву. Сферой применения являются различные виды упаковочных пленок, в том числе для фасовки горячих материалов/продуктов. Из гранулированного сырья этого типа полимера изготавливают детали для крупногабаритных машин методом литья, изоляционные материалы, трубы повышенной прочности, товары народного потребления и пр.
Полиэтилен низкого давления
Производство ПНП имеет три способа. Большинство предприятий использует метод «суспензионной полимеризации». Процесс получения ПНП происходит с участием суспензии и постоянном перемешивании исходного сырья, для запуска процесса требуется катализатор.
Вторым по распространенности способом производства является полимеризация в растворе под воздействием температуры и участии катализатора. Метод не слишком эффективен, поскольку в процессе полимеризации катализатор вступает в реакцию, и конечный полимер теряет часть своих качеств.
Последним из способов производства ПНП является газофазная полимеризация, она почти ушла в прошлое, но иногда встречается на отдельных предприятиях. Процесс происходит с помощью смешивания газовых фаз сырья под воздействием диффузии. Конечный полимер получается с неоднородной структурой и плотностью, что сказывается на качестве готового продукта.
Производство происходит при следующем режиме:
- Температура поддерживается на уровне от 120°C до 150°C.
- Давление не должно превышать 2 МПа.
- Катализаторы процесса полимеризации (Циглера-Натта, смесь хлорида титана с мелаллоорганическим соединением).
Материал такого способа изготовления характеризуется жесткостью, высокой плотностью, малой эластичностью. Поэтому сферой его применения является промышленность. Технический полиэтилен применяется для изготовления крупногабаритных емкостей с повышенными характеристикам прочности. Востребован в строительной сфере, химической промышленности, для производства ТНП он почти не применяется.
Свойства
Полиэтилен устойчив к воздействию воды, ко многим видам растворителей, кислотам не вступает в реакцию с солями. При горении выделяется запах парафина, наблюдается свечение голубого оттенка, огонь слабый. Разложение происходит при воздействии азотной кислоты, хлора и фтора в газообразном или жидком состоянии. При старении, которое происходит на воздухе, в материале образуются поперечные связи между цепями молекул, что делает материал хрупким, крошащимся.
Потребительские качества
Полиэтилен - уникальный материал, привычный в быту и производстве. Вряд ли рядовой потребитель, сможет определить с каким количеством предметов из него он сталкивается ежедневно. В мировом выпуске полимеров полиэтилен занимает львиную долю рынка - 31% от общего валового продукта.
В зависимости от того, из чего сделан полиэтилен и технологии производства, определяются его качества. Этот материал соединяет порой противоположные показатели: гибкость и прочность, пластичность и твердость, сильное растяжение и устойчивость к разрыву, устойчивость к агрессивным средам и биологическим агентам. В быту мы используем пакеты различной плотности, одноразовую посуду, полиэтиленовые крышки, детали бытовых приборов и многое другое.
Области применения
Применение изделий из полиэтилена не имеет ограничений, любая отрасль промышленности или человеческой деятельности сопровождается этим материалом:
- Наибольшее распространение полимер получил в изготовлении упаковочных материалов. На эту часть применения приходится около 35% всего производимого сырья. Такое использование оправдано грязеооталкивающими свойствами, отсутствием среды для возникновения грибкового поражения и жизнедеятельности микроорганизмов. Одна из удачных находок - рукав полиэтиленовый, имеющий широкое применение. Варьируя по собственному усмотрению длину, пользователь ограничен лишь шириной упаковки.
- Помня, из чего сделан полиэтилен, становится понятным, почему он получил распространение как один из лучших изоляционных материалов. Одним из его востребованных в этой сфере качеств стало отсутствие электропроводимости. Также незаменимы его свойства водоотталкивания, что нашло применение в производстве гидроизоляционных материалов.
- Устойчивость к разрушительной силе воды, как растворителя, позволяет изготавливать трубы из полиэтилена для бытовых и промышленных потребителей.
- В строительной отрасли используются шумоизолирующие качества полиэтилена, его низкая теплопроводность. Эти свойства пригодились при изготовлении на его основе материалов для утепления жилых и промышленных объектов. Полиэтилен технический используется для изоляции тепловых трасс, в машиностроении и пр.
- Не менее устойчив материал к агрессивным средам химической промышленности, трубы из полиэтилена применяются в лабораториях и химических производствах.
- В медицине полиэтилен полезен в виде перевязочных материалов, протезов конечностей, используют его в стоматологии и т.д.
Способы переработки
В зависимости от того каким способом было переработано гранулированное сырье, будет зависеть какой марки полиэтилен будет получен. Распространенные способы:
- Экструзия (выдавливание). Применяется для упаковочных и других видов пленок, листового материала для строительства и отделки, изготовления кабелей, производится рукав полиэтиленовый и прочие изделия.
- Литье, способом. В основном используется для изготовления упаковочных материалов, боксов и т.д.
- Экструзионно-выдувной, ротационный. С помощью этого способа получают объемные емкости, крупногабаритную тару, сосуды.
- Армирование. По определенной технологии в формируемую массу полиэтилена закладываются усиливающие элементы (металл), что позволяет получить строительный материал повышенной прочности, но с меньшей стоимостью.
Из чего делают полиэтилен, кроме основных составляющих веществ? Обязательным является катализатор процесса и добавки, меняющие свойства, качества готового материала.
Вторичная переработка
Стойкость полиэтилена - это его плюс в качестве потребительского товара и его минус, как одного из главных загрязняющих окружающую среду факторов. На сегодняшний день важным становится переработка отходов - рециклинг. Все марки полиэтилена могут быть утилизированы и повторно превращены в гранулированное сырье, из которого можно делать множество востребованных товаров народного и промышленного потребления.
Полиэтиленовые крышки, пакеты, бутылки будут разлагаться на свалке не одну сотню лет, а накопленные отходы отравляют природные жизненно важные ресурсы. Мировая практика демонстрирует рост количества перерабатывающих полиэтилен предприятий. Собирая фактически мусор, в таких компаниях проводят его санацию, дробят. Таким образом, происходит экономия ресурсов, охрана окружающей среды и производство востребованной продукции.
Полиэтилен занимает первое место в мировом производстве полимеров, синтезируемых методом полимеризации. Одним из методов производства является полимеризация этилена под высоким давлением. Этилен получают пиролизом предельных углеводородов в печах пиролиза с получением пирогаза.
Производством полиэтилена занимаются все крупные компании нефтехимической промышленности. Главным сырьем, из которого получают полиэтилен, является этилен. Производство осуществляется при низком, среднем и высоком давлениях. Как правило, он выпускается в гранулах, которые имеют диаметр от 2 до 5 миллиметров, иногда в виде порошка. На сегодняшний день известны четыре основных способа производства полиэтилена. В результате, получают:
- полиэтилен высокого давления (ПВД)
- полиэтилен низкого давления (ПНД)
- полиэтилен среднего давления (ПСД)
- линейный полиэтилен высокого давления (ЛПВД)
Полиэтилен высокого давления давления образуется при высоком давлении в результате полимеризации этилена, компримированного до высокого давления, в автоклаве или в трубчатом реакторе. Полимеризация в реакторе осуществляется по радикальному механизму под воздействием кислорода, органических пероксидов, ими являются лаурил, бензоил или их смесей. Этилен смешивают с инициатором, затем нагревают до 700°С и сжимают компрессором до 25 МПа. После этого он поступает в первую часть реактора, в которой его нагревают до 1 800°С, а потом во вторую часть реактора для осуществления полимеризации, которая происходит при температуре в пределах от 190 до 300°С и давлении от 130 до 250 МПа. Всего этилен находится в реакторе не более 100 секунд. Степень его превращения составляет 25%. Она зависит от типа и количества инициатора. Из полученного полиэтилена удаляется тот этилен, который не прореагировал, после чего продукт охлаждают и упаковывают. ПВД производят в виде как неокрашенных, так и окрашенных гранул.
Производство полиэтилена низкого давления осуществляется по трем основным технологиям:
- Полимеризация, происходящая в суспензии
- Полимеризация, происходящая в растворе. Таким раствором служит гексан
- Газофазная полимеризация
Наиболее распространенным способом считается полимеризация в растворе . Полимеризация в растворе осуществляется в температурном промежутке от 160 до 2 500°С и давлении от 3,4 до 5,3 МПа. Контакт с катализатором осуществляется примерно на протяжении 10-15 минут. Выделение полиэтилена из раствора производится удалением растворителя сначала в испарителе, а после этого в сепараторе и в вакуумной камере гранулятора. Гранулированный полиэтилен пропаривается водяным паром. ПНД производится в виде как неокрашенных, так и окрашенных гранул, а иногда и в порошке.
Производство полиэтилена среднего давления осуществляется в результате полимеризации этилена в растворе. Полиэтилен среднего давления получается при температуре примерно 150°С, под давлением не более 4 МПа, в присутствии катализатора. ПСД из раствора выпадает в виде хлопьев. Продукт, полученный вышеописанным образом, отличается средневесовым молекулярным весом не более 400 тысяч, степенью кристалличности не более 90%.
Производство линейного полиэтилена высокого давления осуществляется при помощи химической модификации ПВД. Процесс происходит при температуре 150°С и примерно 3,0-4,0 МПа. Линейный полиэтилен низкой плотности по своей структуре напоминает полиэтилен высокой плотности, однако он отличается более длинными и многочисленными боковыми ответвлениями. Производство линейного полиэтилена выполняется двумя способами:
- Газофазная полимеризация
- Полимеризация в жидкой фазе - наиболее популярный в настоящее время способ. Она осуществляется в реакторе со сжиженным слоем. В реактор непрерывно подается этилен и отводится полимер с сохранением в реакторе постоянного уровня сжиженного слоя. Процесс происходит при температуре около 100°С, давлении от 0,689 до 2,068 МПа
Эффективность данного способа полимеризации в жидкой фазе ниже, чем у газофазного, однако для него характерны и свои плюсы, а именно: размер установки намного меньше, чем у оборудования для газофазной полимеризации, и гораздо ниже капиталовложения.
Практически аналогичным является способ в реакторе с устройством для перемешивания с применением циглеровских катализаторов. При этом образуется максимальный выход продукта. Не так давно для производства линейного полиэтилена стали использовать технологию, в результате которой применяются металлоценовые катализаторы. Такая технология дает возможность получить более высокую молекулярную массу полимера, благодаря чему возрастает прочность изделия. ПВД, ПНД, ПСД и ЛПВД отличаются друг от друга, как по своей структуре, так и по свойствам, соответственно, и используются они для решения различных задач. Кроме вышеперечисленных способов полимеризации этилена имеются и иные, только в промышленности они распространения не получили.
На сегодняшний день полимер выпускается двух основных марок ПВД и ПНД.
Существуют и другие виды полиэтилена, каждый из которых имеет свои свойства и сферу применения. В гранулированный полимер в процессе производства добавляются различные красители, позволяющие получить черный полиэтилен, красный или любого другого цвета.
Получение полиэтилена высокого давления происходит в автоклавах, трубчатых реакторах. Марок ПВД изготовленных в автоклаве, согласно ГОСТу, существует восемь. Из трубчатого реактора получают двадцать один тип полиэтилена высокого давления.
Для синтеза ПНД требуется соблюдение следующих условий:
- температурный режим - от 200 до 250°С
- катализатор - чистый кислород, пероксид (органический)
- давление от 150 до 300 МПа
Полимеризированная масса в первой фазе имеет жидкое состояние, после чего перемещается в сепаратор, далее в гранулятор, где происходит формовка гранул готового материала. Качества ПЭВД используются для производства упаковочных пленок, термопленок, многослойной упаковки. Также полиэтилен высокого давления применяется в автомобильной, химической, пищевой промышленностях. Из него делают качественные прочные трубы, используемые в жилом секторе.
Важнейшими задачами предприятий по производству полиэтилена являются модернизация оборудования, совершенствование технологии пиролиза, конверсии, повышение мощности производства. В этом направлении «ЛЕННИИХИММАШ» выполняет следующие виды работ :
- разработка оборудования для оснащения печей пиролиза при их модернизации
- обследование существующего состояния предприятия
- анализ, технико-экономическое обоснование и выбор оптимального варианта реконструкции
- модернизация оборудования
- проектирование зданий и сооружений
Основное оборудование производства полиэтилена:
- реакторный блок
- компрессоры
- блоки рецикла высокого и среднего давления (отделитель, сепаратор, теплообменник)
- станция горячей воды с насосами
- холодильная установка
- насосы
- емкости, в т.ч. с перемешивающим устройством
Предварительное обследование существующего состояния оборудования
Опыт «ЛЕННИИХИММАШ»
В период активного строительства в СССР заводов по производству из пирогаза этилена и пропилена для последующей выработки полимерных материалов ЛЕННИИХИММАШ являлся основным разработчиком и поставщиком колонного и теплообменного оборудования низкотемпературных блоков для установок различной мощности от 45 до 300 тыс.т этилена в год (Э-45, ЭП-60, Э-100, Э-200, ЭП-300). В последующие годы для действующих производств выполнялись работы по их реконструкции с целью повышения производительности по перерабатываемому пирогазу, реализованы технические решения по стабилизации работы установок, снижению потерь целевых продуктов (повышение коэффициента извлечения), повышению качества продукции. При этом проводилось оснащение установок дополнительной аппаратурой, замена контактных устройств колонн, оптимизация технологической схемы. В низкотемпературных блоках этиленовых производств при разработке колонной аппаратуры использованы результаты проведенных ЛЕННИИХИММАШ научно-исследовательских работ, разработанные методики гидравлического расчета тарелок, результаты обследования блоков разработанного оборудования на этиленовых производствах. Для производства полиэтилена высокого давления для Новополоцкого, Сумгаитского, Томского комбинатов и производства в Германии ЛЕННИИХИММАШ было разработано специальное оборудование: поршневые этиленовые компрессора (бустер-компрессор, компрессора этилена высокого давления на оппозитной базе (I каскада - до давления 25 МПа и II каскада - до 230 МПа), реакторное оборудование, емкости. Это оборудование продолжает успешно эксплуатироваться и в настоящее время.
В 2010 году для производства ПЭВД на предприятии «Лукойл Нефтехим Бургас АД» (Болгария) разработано предложение по реконструкции технологических линий с целью увеличения мощности производства, совершенствования технологии, замены устаревшего оборудования, экономической целесообразности.
В состав действующего производства входят:
- Установка производства ПЭВД с трубчатым реактором производительностью 50 тыс. т/год (процесс фирмы АТО - Франция)
- Установка получения ПЭВД с автоклавным реактором (две технологические линии мощностью по15 тыс. т/год каждая, общей производительностью - 30 тыс. т/год) процесс фирмы ICI- Англия
Специалистами ЛЕННИИХИММАШ было проведено обследование, в процессе которого выявлены следующие резервы по основному и вспомогательному оборудованию:
По установке с трубчатым реактором резерв имеются резервы по производительности, что делает целесообразным не заменять установку в полном объеме. Возможна частичная модернизация с увеличением мощности основных технологических блоков:
- реакторный блок без демонтажа реактора
- блок компрессии с частичной заменой оборудования без изменения строительной части
- блок рецикла низкого давления сохранится без крупных изменений
- блок рецикла высокого давления требует значительной реконструкции
Предложено проектирование новой холодильной установки, которая значительно увеличит производительность, составлен перечень нового и модернизируемого оборудования блоков с основными техническими характеристиками.
Вариант реконструкция трубчатого реактора - переход на трехзонный
реактор во 2 и 3 вариантах реконструкции с введением жидкостного
инициирования
Модернизация компрессоров - Мульти компрессор бустер/первый каскад
фирмы Burckhardt
Предложено три варианта реконструкции. В зависимости от объема реконструкции суммарная производительность двух производств может быть повышена с 80 тыс.т ПЭ в год до:
- Вариант 1 - 90 тыс. т/год
- Вариант 2 - 130 тыс.т/год
- Вариант 3 - 128 тыс.т/год
В 2016 году в связи с реконструкцией цеха пиролиза и очистки газа завода этилена ПАО «Казаньоргсинтез» разработаны основные технические решения, а в 2017 году ведется техническое проектирование наружной установки « Четырехкамерная печь пиролиза этана П-810/815/820/825», в составе узла пиролиза этановой и пропановой фракции в трубчатых печах. Целью работы является привязка 4-х камерной печи, проектируемого и поставляемого компанией Technip, к существующим технологическим коммуникациям завода этилена ПАО «Казаньоргсинтез» и строительство вспомогательных объектов для обеспечения соответствия параметров, качественных и расходных показателей технологических потоков, необходимых для работы печного блока. Строительство новой 4-х камерной печи пиролиза и вспомогательных объектов предусматривается для обеспечения резервирования существующих печей пиролиза.
В состав проекта входит разработка узла нагрева и подготовки сырья и топливного газа, узла редуцирования пара, узла дозирования диметилдисульфида (ДМДС) - ингибитора коксообразования, система подготовки и насосная питательной воды, узел продувочных вод.
Материал полиэтилен получают путем полимеризации газа этилена. Производство полиэтилена налажено на нескольких российских нефтехимических заводах, а также в странах СНГ - Белоруссии и Узбекистане. На обработку полиэтилен обычно поступает в гранулированном виде. Новое слово на рынке упаковки - вспененный полиэтилен, который обладает незаменимыми свойствами: низкой плотностью, что значительно уменьшает его вес, отменными термоизоляционными свойствами, очень низким влагопоглощением, механической прочность и мн. др. Производство вспененного полиэтилена налажено на заводах, работающих с методом экструзии. Специальным видом полиэтилена является сшитый полиэтилен. Соединение линейных молекул получается в результате ионизирующего излучения при высоком давлении, что вызывает дополнительное образование поперечных связей. Применяется шитый полиэтилен для изготовления труб для водопровода, газопровода, систем отопления. Для выпуска термоформовочных изделий используется полиэтилен листовой, всё чаще находит применение полиэтилен из вторично переработанных изделий. По качеству вторичный полиэтилен обычно всего на 10% уступает первичному сырью, но стоимость его значительно ниже. Основное производство полиэтилена в РФ сосредоточено в Татарстане, Ставропольском крае и Сибири. Изделия из полиэтилена пользуются широким спросом повсеместно: в быту, для упаковки, для технических нужд, в сельском хозяйстве и строительстве.
Полиэтилен - PE (выпускается под торговыми марками: Ставролен, Казпелен, HOSTALEN LD, LUPOLEN, MALEN-E и др.). Крупнотоннажное производство полиэтилена налажено как в России и СНГ, так и во многих зарубежных странах. Производители полиэтилена - практически все крупные нефтехимические компании мира. Производство вспененного полиэтилена организовано на более мелких предприятиях, это - разновидность переработки уже синтезированного ПЭ в изделия.
Получение полиэтилена. Сырьем для производства полиэтилена служит газ этилен. Полиэтилен синтезируют путем полимеризации этилена при высоком и низком давлениях. Как правило, полиэтилен выпускают в виде гранул диаметром 2-5 миллиметров (намного реже порошка). ПЭ относится к классу полиолефинов. Существует два основных класса полиэтиленов: Полиэтилен Низкой Плотности (Высокого Давления) LDPE и Полиэтилен Высокой Плотности (Низкого Давления) HDPE. Кроме того, существует несколько подклассов полиэтилена, а также композиций, т.е. материалов на основе ПЭ, примером иможет служить производство вспененного полиэтилена.
Полиэтилен , получаемый при высоком давлении, называют полиэтиленом высокого давления (ПЭВД, ПВД) или низкой плотности (ПЭНП, LDPE). В промышленности полиэтилен высокого давления получают полимеризацией этилена в трубчатом реакторе или в автоклаве. Подробнее рассмотрим производство полиэтилена в трубчатом реакторе. Процесс при высоком давлении протекает по радикальному механизму под действием О2, пероксидов (бензоила, лаурила) или их смесей. При производстве полиэтилена в трубчатом реакторе этилен, смешанный с инициатором, сжатый компрессором до 25 МПа и нагретый до 700С, поступает сначала в первую зону реактора, где подогревается сначала до 1800С, а затем во вторую, где полимеризуется при 190-300 град. С и давлении 130-250 МПа. Среднее время пребывания этилена в реакторе 70-100 сек, степень превращения 18-20% в зависимости от количества и типа инициатора. Из полиэтилена удаляют непрореагировавший Этилен, расплав охлаждают до 180-1900С и гранулируют. Гранулы, охлажденные водой до 60-70 град. С, подсушивают теплым воздухом и упаковывают в мешки. Товарный полиэтилен ВД выпускают окрашенным и неокрашенным, в гранулах.
Полиэтилен , получаемый при низком давлении, называют полиэтиленом низкого давления (ПЭНД, ПНД) или высокой плотности (ПЭВП, HDPE). Используются три основные технологии получения полиэтилена низкого давления: реакция проводится в суспензии, реакция проводится в растворе, осуществление газофазной полимеризации. Рассмотрим процесс получения LDPE в растворе. Процесс производства полиэтилена в растворе (чаще в гексане) проводят при 160-2500С, давлении 3,4-5,3 МПа, время контакта с катализатором 10-15 мин (катализатор - CrO3 на силикагеле, Ti-Mg или др.). Полиэтилен из раствора выделяют удалением растворителя последовательно в испарителе, сепараторе и вакуумной камере гранулятора. Гранулы полиэтилена пропаривают водяным паром при температуре, превышающей температуру плавления полиэтилена (в воду переходят низкомолекулярные фракции полиэтилена и нейтрализуются остатки катализатора). Товарный полиэтилен НД выпускают окрашенным и неокрашенным, в гранулах и иногда в порошке.
Свойства полиэтилена низкой плотности (LDPE):
Молекулярная масса ММ = (30-400)*103; показатель текучести расплава (2300С/2,16кг, г/10мин) 0,2-20; степень кристалличности 60%; температура стеклования (температура размягчения) -4 град. С; температура плавления 105-115 град. С; диапазон технологических температур 200-260 град.С; плотность 0,93 г/см3; усадка (при изготовлении изделий) 1,5-2,0%. Главная особенность молекулярной структуры LDPE - разветвленность строения, что является причиной образования рыхлой аморфно-кристаллической структуры и, как следствие уменьшение плотности полимера.
Свойства полиэтилена высокой плотности (HDPE):
Молекулярная масса ММ = (50-1000)*103; показатель текучести расплава (2300С/2,16кг, г/10мин) 0,1-15; степень кристалличности 70-90%; температура стеклования (температура размягчения) -120 град. С; температура плавления 130-140 град. С; диапазон технологических температур 220-2800С; плотность 0,95 г/см3; усадка (при изготовлении изделий) 1,5-2,0%.
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, щелокам, растворителям, алкоголю, бензину, воде, овощным сокам, маслу. Он разрушается 50%-ной HNO 3 , а также жидкими и газообразными Cl 2 и F 2 . Бром и иод 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/см 3) - мягкий; полиэтилен высокой плотности (0,941 - 0,96 г/см 3) - твердый, очень жесткий.
Эксплуатационные свойства: полиэтилен стоек при нагревании в вакууме и атмосфере инертного газа; деструктируется при нагревании на воздухе уже при 80 0 С. 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.
Основные группы марок полиэтилена и сополимеров этилена, выпускаемые на сегодняшний день:
Полиэтилен
HDPE - Полиэтилен высокой плотности (полиэтилен низкого давления)
LDPE - Полиэтилен низкой плотности (полиэтилен высокого давления)
LLDPE - Линейный полиэтилен низкой плотности
mLLDPE, MPE - Металлоценовый линейный полиэтилен низкой плотности
MDPE - Полиэтилен средней плотности
HMWPE, VHMWPE - Высокомолекулярный полиэтилен
UHMWPE - Сверхвысокомолекулярный полиэтилен
EPE - Вспенивающийся полиэтилен
PEC - Хлорированный полиэтилен
Cополимеры этилена
EAA - Сополимер этилена и акриловой кислоты
EBA, E/BA, EBAC - Сополимер этилена и бутилакрилата
EEA - Сополимер этилена и этилакрилата
EMA - Сополимер этилена и метилакрилата
EMAA - Сополимер этилена и метакриловой кислоты, Сополимер этилена и метилметилакрилата
EMMA - Сополимер этилена и метил метакриловой кислоты
EVA, E/VA, E/VAC, EVAC - Сополимер этилена и винилацетата
EVOH, EVAL, E/VAL - Сополимер этилена и винилового спирта
POP, POE - Полиолефиновые пластомеры
Ethylene terpolymer - Тройные сополимеры этилена
Основные направления применения полиэтилена.
Полиэтилен - наиболее широко использующийся полимер. Технология переработки полиэтилена сравнительно проста, он перерабатывается всеми способами переработки пластмасс. Для переработки полиэтилена не требуется применения узкоспециализированного оборудования, как например, для переработки ПВХ. Современной промышленностью выпускаются сотни марок красителей и концентратов пигментов для окрашивания изделий из полиэтилена (которые подходят также для других типов полиолефинов).
При использовании экструзии получают полиэтиленовые трубы (существует специальные марки - трубный PE63, PE80, PE100), полиэтиленовые кабели, пленки, листовой полиэтилен для упаковки и строительства, а также самые разнообразные полиэтиленовые пленки для нужд всех отраслей промышленности. Сюда же относится производство вспененного полиэтилена. Применяя литье под давлением и термо-вакуумное формование для изготовления изделий, получают разнообразные упаковочные материалы из полиэтилена. Упаковка из полиэтилена - бурно развивающийся сегмент сегодняшнего рынка пластиковых изделий. Кроме того, достаточно крупными потребителями полиэтилена в России являются компании, призводящии товары бытового назначения, канцтовары, игрушки. Полиэтилен перерабатывается также экструзионно-выдувным и ротационным способами для получения разного рода емкостей, сосудов и тары.
Различные специальные виды полиэтилена, такие как сшитый ПЭ, вспененный ПЭ, хлорсульфированный ПЭ, сверхвысокомолекулярный ПЭ успешно применяются для создания специальных стройматериалов. ПЭ не является конструкционным материалом, но армированный полиэтилен используется в изделиях конструкционного назначения. Широко распространена также сварка изделий из полиэтилена, который может свариваться всеми основными способами: контактная, горячим газом, присадочным прутком, трением и т.д.
Отдельный сегмент современного рынка - рециклинг полиэтилена. Многие компании в России и мире специализируются на покупке полиэтиленовых отходов с дальнейшей переработкой и продажей или использованием вторичного полиэтилена. Как правило, для этого применяется технология экструдирования очищенных отходов и последующим дроблением и получением вторичного гранулированного материала пригодного для изготовления изделий.
Объявления о покупке и продаже оборудования можно посмотреть на
Обсудить достоинства марок полимеров и их свойства можно на
Зарегистрировать свою компанию в Каталоге предприятий
Промышленное производство полиэтилена было осуществлено в 1938 г. под высоким давлением (около 150 МПа) и 180 – 200 0 С в присутствии следов кислорода по радикальному механизму.
Важным этапом в развитии производства полиолефинов явилось открытие Циглером катализаторов – комплексов алкилалюминия и хлоридов титана, которые вызывали полимеризацию этилена, пропилена и других олефинов при атмосферном давлении. В настоящее время количество таких катализаторов значительно увеличилось. Они представляют собой комплексы, состоящие из металлорганических соединений Al, Be, Mg, Zn, Cd, Ba, Na и хлоридов металлов IV, V, VI и VIII групп, т. е. элементов с незаполненной промежуточной электронной оболочкой. Чаще всего используют хлориды титана TiCl 4 и TiCl 3 , причём TiCl 4 при взаимодейтивии с металлалкилами, в частности Al(C 2 H 5) 3 , восстанавливается до соединений более низкой валентности. В зависимости от природы компонентов катализаторов, а также числа заместителей в олефине можно получать стереорегулярные полиолефины различной пространственной конфигурации: изотактические, синдиотактические и т. п.
Различная степень кристалличности и характер структуры определяют комплекс ценных физико-механических свойств полиолефинов, полученных на катализаторах Циглера – Натта.
Важной явилось разработка полимеризации олефинов (метод Филлипса) при давлении 3,5 – 7 МПа и 130 – 170 0 С в среде инертного углеводорода в присутствии катализатора, состоящего из оксидов металлов переменной валентности, например оксидов хрома, нанесённых на алюмосиликат. Существует несколько модификаций этого метода, носящих общее название полимеризации при среднем давлении. Различные способы промышленного производства позволяют получать полиэтилен с различными свойствами.
Тепловой эффект полимеризации этилена составляет около 4200 кДж/кг. В это число входит теплота полимеризации этилена, рассчитанная по энергиям связи и равная 3653 кДж/кг, теплота, выделяющаяся при переходе газообразного продукта (этилена) в твёрдый продукт (полиэтилен), а также теплота растворения этилена в жидком углеводороде (в случае полимеризации при низком давлении).
Формула полиэтилена [–CH 2 –CH 2 –] n является формальной. Полиэтилен – разветвлённый полимер, в его структуре имеются следующие аномальные звенья:
~CH 2 –CH~; ~CH 2 –CH=CH 2 ; ~CH 2 –С–CH 2 ~; ~CH 2 –СН=СH–CH 2 ~
…………….CH 3 …………………………. CH 2
Полиэтилен представляет собой твёрдый продукт. В зависимости от метода получения он обладает различными свойствами и может быть двух типов: полиэтилен, получаемый при высоком давлении (низкой плотности) и полиэтилен, получаемый при низком и среднем давлениях (высокой плотности). Однако этот признак условен. Плотность можно изменять в пределах метода.
Физико-химические и механические свойства полиэтилена зависят главным образом от структуры полимера и его молекулярной массы. Для полиэтилена высокого давления характерны разнозвенность, большая эластичность, меньшая хрупкость, более низкая температура размягчения (108 – 120 0 С) по сравнению с полиэтиленом, получаемым при низком давлении. Полиэтилен с молекулярной массой около 3*10 6 обладает исключительно высокой прочностью, что очень ценно при производстве волокна и композиционных материалов.
Полиэтилен при комнатной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей и только при 80 0 С и выше он начинает заметно растворяться в четырёххлористом углероде, трихлорэтилене, бензоле, толуоле, ксилоле. При охлаждении раствора полимер выпадает в осадок.
Полиэтилен обладает высокой водостойкостью и химической стойкостью. При температурах до 60 – 80 0 С он устойчив к действию щелочей и кислот, в том числе и фтороводородной, за исключением концентрированной азотной кислоты.
При нагревании полиэтилена на воздухе уже при 120 0 С начинается его окисление, сопровождающееся поперечной сшивкой линейных макромолекул и образованием нерастворимых полимеров. При температуре выше 290 0 С полиэтилен деструктируется с образованием жидких маслянистых и газообразных продуктов, в том числе небольшого количества (около 3%) мономера. При воздействии ультрафиолетовых лучей, кислорода воздуха и тепла в процессе переработки и эксплуатации полиэтилен стареет, что проявляется в ухудшении его физико-механических и диэлектрических свойств.
Полиэтилен применяют в различных областях народного хозяйства. Наиболее широко применяется полиэтилен высокого давления для изготовления плёнок, листов, труб, шлангов, бочек, вёдер. Он применяется в кабельной промышленности, радиотехнике, химической промышленности, сельском хозяйстве, для облицовки каналов, в строительстве. Полиэтилен низкого давления, а также его сополимеры с пропиленом применяются в строительстве для изготовления труб и санитарно-технических изделий. Полиэтилен низкого давления представляет собой неэластичный полимер, плавящийся и приобретающий свойства эластомера при температуре 130 0 С. По мере увеличения содержания пропилена в сополимере увеличивается гибкость, снижается кристалличность. Сополимер с 20 мол. % содержанием пропилена имеет ценные свойства и получается как по методу Циглера – Натта при низком давлении, так и при 3,5 – 4 МПа с применением оксидов металлов в качестве катализатора. При соотношении два звена этилена на одно звено пропилена можно получить эластомер низкого давления со средней молекулярной массой 80 000 – 500 000 и степенью кристалличности 58 – 75 %. По сравнению с полиэтиленом низкого давления сополимер отличается повышенным сопротивлением растрескиванию под действием длительных нагрузок.
Полиэтилен высокого давления (низкой плотности)
В промышленности полиэтилен высокого давления (ПЭВД) получают полимеризацией этилена в конденсированной газовой фазе в присутствии радикальных инициаторов при давлении 150 – 300 МПа и температуре 200 – 280 0 С. Получаемый полиэтилен имеет плотность 920 -930 кг/м 3 , среднемассовую молекулярную массу 80000 – 500000 и степень кристалличности 50 – 65 %.
Регулирование плотности полиэтилена и длины цепи осуществляется варьированием условий полимеризации (давления и температуры), а также введением различных добавок (водорода, пропана, изобутана, спиртов, альдегидов, кетонов). Поскольку высокомолекулярный полиэтилен образуется только при высокой концентрации этилена, полимеризацию осуществляют при высоких давлениях, при которых плотность и концентрация этилена в 450 – 500 раз больше, чем при атмосферном давлении. Высокое давление способствует сближению реагирующих молекул и гомогенности реакционной среды. Процесс проводят в конденсированной фазе мономера в присутствии кислорода или инициаторов радикальной полимеризации.
При взаимодействии этилена с кислородом образуются пероксидные или гидропероксидные соединения этилена:
CH 2 =CH 2 + O 2 ⟶ CH 2 –CH 2 или CH=CH 2
…………………... O ¾ O ……... OOH
Неустойчивая пероксидная связь –О–О– под действием тепла подвергается гомолитическому разрыву с образованием би- и монорадикалов: *OCH 2 – CH 2 O* и CH 2 =CHO*. Свободные радикалы инициируют полимеризацию этилена. Свободные радикалы входят в состав полимера и, следовательно, расходуются в процессе полимеризации.
В процессе синтеза образуется линейный полимер, содержащий боковые ответвления (короткие и длинные) длиной в 2 – 5 атомов углерода, расположенные хаотически примерно на расстоянии 50 углеродных атомов друг о друга. Реже возможно образование макромолекул с длиной боковой цепью, сопоставимой с длиной основной цепи. На концах цепи содержатся СН 3 группы. Макромолекула полиэтилена высокого давления может содержать винильные и диеновые группы в количестве 4 – 6 на 10 000 атомов углерода.
Разветвлённость макромолекул ПЭВД ограничивает степень кристалличности 55 – 60 % .
Полиэтилен высокого давления – неполярный, аморфно – кристаллический полимер с температурой плавления 103 – 110 0 С. Молекулярная масса промышленных марок колеблется от 30 000 до 500 000.
Эффективность полимеризации этилена обусловлена высокой скоростью реакции, свойствами образующегося полиэтилена, а также степенью конверсии мономера за один проход. Эффективность полимеризации зависит от температуры, давления, концентрации инициатора и времени пребывания мономера в реакторе.
С повышением температуры возрастает скорость полимеризации и степень конверсии мономера, но уменьшается молекулярная масса полимера. С повышением температуры увеличивается количество двойных связей в полиэтилене и степень его разветвлённости.
При увеличении давления возрастают скорость полимеризации и степень конверсии мономера, а также молекулярная масса и плотнось полиэтилена, улучшаются физико – механические свойства продукта.
Для повышения степени конверсии этилена в зону реакции иногда вводят новую порцию инициатора, что позволяет увеличить выход продукта с единицы объёма реакционного пространства.
В промышленности для производства полиэтилена высокого давления применяются в основном два типа установок, различающихся конструкцией реактора для полимеризации этилена. Реакторы представляют собой либо трубчатые аппараты, работающие по принципу идеального вытеснения, либо вертикальные цилиндрические аппараты с перемешивающим устройством - автоклавы с мешалкой, работающие поп принципу идеального смешения.
Для получения полиэтилена с достаточно высокой молекулярной массой и плотностью полимеризацию проводят при высоких давлениях. Для этого применят толстостенные металлические трубы. Кроме того, полиэтилен имеет самую высокую теплоту полимеризации среди мономеров олефинового ряда, что требует эффективного теплоотвода.
Для обеспечения высоких скоростей процесса (и тем самым высокой производительности реактора при ограниченном объёме реакционного пространства) полимеризацию проводят при максимально допустимых температурах (200 – 300 0 С). Верхний температурный предел зависит от рабочего давления в реакторе и ограничен условиями взрывобезопасности (из-за возможности разложения этилена при критических температурах), заданной молекулярной массой и молекулярно-массовым распределением.
Трубчатый реактор имеет ряд преимуществ по сравнению с автоклавным.
Во-первых, в трубчатом реакторе осуществляется больший теплосъём через стенку, чем в автоклаве. Конверсия этилена в полиэтилен в автоклаве ниже. В трубчатом реакторе получается продукт с более широким молекулярно-массовым распределением, что важно при производстве плёнок, кабельных покрытий и др.
Во-вторых, при полимеризации в трубчатом реакторе можно использовать в качестве инициатора дешёвый кислород, т. е. исключить подачу парафинового масла с пероксидным инициатором.
Подача различных инициаторов в разные зоны реактора позволяет варьировать свойства получаемого полиэтилена.
