Свойства и применение полиэтилена
Полиэтилен — термопластичный насыщенный полимерный углеводород, молекулы которого состоят из этиленовых звеньев 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, особенно это проявляется в плотности, температуре плавления, твердости, жесткости и прочности. Эти показатели возрастают в ряду: ПЭВД < ПЭНД < ПЭСД. Основной причиной, вызывающей различия в свойствах ПЭ, является разветвленность макромолекул: чем больше разветвлений в цепи, тем выше эластичность и меньше кристалличность полимера. Разветвления затрудняют более плотную упаковку макромолекул и препятствуют достижению степени кристалличности 100%; наряду с кристаллической фазой всегда имеется аморфная, содержащая недостаточно упорядоченные участки макромолекул. Соотношение этих фаз зависит от способа получения ПЭ и условий его кристаллизации. Оно определяет и свойства полимера.
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 действуют на ПЭ; полимер высокой плотности проявляет к ним большую стойкость, чем полимер низкой плотности.
ПЭ устойчив к действию водных растворов кислот, щелочей и солей, но при температурах выше 60 °С сер-ная 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).
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, СО2, N2, СО, СН4, С2Нб), 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. 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 небольшой теплопроводностью и большим коэффициентом термического расширения. 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, 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 и др.). Ниже представлена структура потребления ПЭ, %:
Пленки и листы 60—70
Изоляция электрических проводов 5—9
Трубы и профилированные изделия 1—3
Изделия, полученные литьем под давлением 10—12
Изделия, полученные выдуванием 1—5
Экструзионные изделия 5—10
Прочие изделия 1—8
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 (телефонной, телеграфной), 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 щель с последующим раздувом или экструзией через плоскую щель 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 изготовляют листы тол; ной 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 вакуумного формования.
Большая часть продукции из ПЭНП служит упаковочным материалом, конкурируя с другими пленками (целлофановой, поливинилхлоридной, поливинилидемхлоридной, поливинилфторидной, 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 верхних слоев 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 покрытия почвы в целях задержания тепла 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 большей прочностью, чем обычная пленка такой же толщины. Материал состоит из двух пленок, между которыми находятся 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 низкомолекулярного полиизобутилена, иногда в смеси с бутилкаучуком. Выпускаются они толщиной 65—96 мкм, шириной 80—150 мм.
ПЭНП и ПЭВП применяют и для защиты металлических изделии 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 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 углами 45* и 90 , 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.
Формованные и литьевые изделия
Из полиэтиленовых листов, полученных экструзией или прессованием, можно изготовить различные изделия штампованием, изгибанием по шаблону или вакуумформованием. 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.
Одним из основных методов переработки ПЭ в изделия является метод литья 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.
СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ СОПОЛИМЕРОВ ЭТИЛЕНА
Этилен образует сополимеры с большинством ненасыщенных соединений в присутствии как радикальных, так и ионных инициаторов. Но в технике нашли применение лишь некоторые сополимеры, обеспечивающие получение материалов с определенным комплексом свойств более экономичными способами.
Сополимеры этилена с пропиленом. СЭП обладают повышенной устойчивостью к растрескиванию и большей эластичностью при более высокой механической прочности по сравнению с ПЭНП- ^ Получают сополимеры в условиях, аналогичных получению ПЭ при низком давлении. Технические сополимеры, содержащие 2—10% (мол.) пропилена, являются кристаллическими. С увеличением содержания пропи-7ена более 30% образуются аморфные каучукоподобные продукты.
СЭП находят применение в кабельной промышленности и для изготовления изделий методами литья под давлением, экструзии и выдувания (бутыли, флаконы, канистры, трубы, покрытия по металлу и др.).
Сополимеры этилена с эфирами акриловой кислоты. В зависимости от условий получения и состава получают сополимеры, представляющие собой прозрачные продукты, перерабатываемые в изделия методами литья под давлением, экструзией и выдуванием. В них можно вводить наполнители (асбест, карбонат кальция, метасиликат кальция) в количествах до 30% без увеличения хрупкости.
Сополимеры этилена с ненасыщенными карбоновыми кислотами получают сополимеризацией этилена с акриловой, метакриловой, малеиновой или фумаровой кислотой, а также с моноэфирами двухосновных органических кислот при повышенном давлении (5—300 МПа) в реакторе с мешалкой при температурах 150 -300 °С в присутствии инициаторов радикального типа получают сополимеры, содержащие до 50% второго компонента и обладающие рядом специфических свойств. Уже небольшое введение метакриловой кислоты (5—10%) или другого карбоксилсодержащего мономера в ПЭ придает ему прозрачность, повышенные стойкость к растрескиванию и прочность при растяжении по сравнению с ПЭНП, более высокую проницаемость к парам воды и кислороду. Нейтрализацией (полной или частичной) таких сополимеров гидроокисями и солями одно-, двух- и трехвалентных металлов удается приготовить сополимеры с улучшенными свойствами.
Сополимеры этилена с метакриловой кислотой (90:10) имеют разрушающее напряжение при растяжении 30—35 МПа, что значительно превышает аналогичный показатель для ПЭНП. Из них изготавливают пленки, трубы, волокна, различные изделия методами экструзии и литья под давлением, получают покрытия по бумаге, металлам и тканям.
СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИПРОПИЛЕНА
Полипропилен (ПП) в отличие от ПЭ и сополимеров этилена является более легким, жестким и прозрачным полимером, обладающим блеском и высокими механическими свойствами (наилучшая среди термопластов прочность при изгибе). ПП обладает высокой пространственной регулярностью, приводящей к кристаллизации макромолекул (степень кристалличности достигает 85—95%). При нормальной температуре ПП нерастворим в органических растворителях даже при длительном пребывании в них, но набухает в ароматических и хлорированных углеводородах, а при температурах выше 80 °С в них растворяется. По водостойкости, а также стойкости к действию растворов кислот, щелочей и солей ПП подобен ПЭ. При отсутствии внешнего механического воздействия изделия из ПП сохраняют свою форму до 150 °С. Они устойчивы к кипящей воде и могут стерилизоваться при 120—135 °С. Физико-механические свойства его значительно выше, чем свойства ПЭ. По прочности при растяжении и теплостойкости он превосходит полиэтилен, полистирол и некоторые сорта поливинилхлорида. По другим механическим свойствам этот полимер близок к полистиролу и поливинилхлориду.
Диэлектрические свойства ПП подобны свойствам ПЭ, но в отличие от последнего он обладает двумя существенными недостатками: малой морозостойкостью и более легкой окисляемостыо при действии высоких температур переработки изделия, кислорода воздуха и солнечного света, вызывающей особое внимание к стабилизации полимера «(например, антиоксидантами, содержащими замещенные фенолы в смеси с дилаурилтиодипропинатом и др.).
Морозостойкость ПП улучшают совмещением с небольшим _ количеством (10—15%) полибутадиенового каучука (температур хрупкости композиции снижается на 20—30 °С) и введением в макромолекулы звеньев этилена (до 15%).
Высокомолекулярный ПП пригоден для изготовления труб, ,электроизоляции, различных формованных и литьевых изделии, волокна. По теплостойкости трубы из ПП также лучше труб из жесткого ПВХ и ацетобутиратцеллюлозы, но по морозостойкости полипропиленовые трубы значительно уступают полиэтиленовым
Полипропиленовые трубопроводы применяются для подачи горячей воды, транспортировки агрессивных жидкостей, органических растворителей, минеральных масел и т.д.
Пленки и листы. Пленки и листы из ПП изготовляют экструзией с раздувом и экструзией с вытяжкой. Они могут быть неориентированными (разрушающее напряжение при растяжении 35—46 МПа) и ориентированными- в одном и двух направлениях (разрушающее напряжение при растяжении 90—175 МПа).
Полипропиленовая пленка обладает высокой механическом прочностью, стойкостью к истиранию, малой разнотолщинностыо и повышенной устойчивостью к деформации в широких пределах изменения температуры и влажности. По прозрачности она не уступает целлофановой пленке, но имеет лучшие механические свойства (разрушающее напряжение при растяжении в продольном направлении достигает 35-40 МПа). Повышенная прочность позволяет изготовлять более тонкие пленки (толщиной Ш—ои мкм» для упаковки товаров, а высокая термостойкость способствует расширению областей применения.
Проницаемость полипропиленовой пленки для и других паров меньше, чем полиэтиленовой (низкой плотности и она может быть еще уменьшена покрытием из поливинилхлорида и других полимеров. Пленка из ПП применяется во многих областях, где используется пленка из ПЭ .
ПП пригоден для изготовления деталей автомобилей и мотоциклов, текстильных и стиральных машин, а также деталей холодильников, телефонов, пишущих и счетных машин, карнизов, ящиков, футляров, аккумуляторных баков, баков и аппаратов для крашения и беления, роторов центрифуг, корпусов центробежных насосов, турбинок турбобуров, бутылок и флаконов, игрушек предметов домашнего обихода и т. п. Более жесткие изделия могут быть изготовлены из ПП, наполненного коротким стеклянным волокном. По жесткости такой материал превышает непластифицированный поливинилхлорид (винипласт), полиформальдегид, полиамиды и ненаполненный полипропилен.
Сополимеры пропилена с этиленом, содержащие небольшое количество этилена (1—20%), обладают свойствами ПП, но имеют повышенную стойкость к ударным нагрузкам (их температура хрупкости от —15 до —40 °С), улучшенную способность к переработке всеми методами из-за хороших реологических свойств и пониженные механические напряжения в изделиях, даже при высокой молекулярной массе. При этом теплостойкость и жесткость сополимеров’ близка к аналогичным показателям ПП. Благодаря этим свойствам сополимеры пригодны для изготовления деталей автомобилей, телевизоров и радиоприемников, изоляции проводов и кабелей, в качестве упаковочного материала и т. п.
СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ДРУГИХ ПОЛИОЛЕФИНОВ
Полиабутилен (ПБ), кристаллический полимер, медленно кристаллизующийся в первые 7—10 сут после расплавления и изготовления изделий. При этом изменяется его плотность от 880 до 910 кг/м3, повышается твердость и прочность при растяжении. По сравнению с другими полиолефинами этот полимер обладает значительно меньшей склонностью к образованию трещин под действием напряжений и меньшей ползучестью.
ПБ пригоден для изготовления труб, пленок и получения антикоррозионных покрытий. Его перерабатывают в изделия методами питья под давлением и экструзии.
Полиметилпентен-1. Полиметилпентен-1 (ПМП), получаемый из 4-метилпентена-1 (т. кип. 56,3-56.9 °С) , плотность его (830 кг/м3) ниже, плотности других термопластов выпускаемых промышленностью, а прозрачность соответствует прозрачности органического стекла из, полиметакрнлата, жесткость же превышает жесткость ПЭНП п Модуль упругости при 20 °С достигает значения модуля упруг* ПП при 100°С. ПМП эксплуатируется при более высоких температурах, чем ПЭ и ПП. Стойкость к ударным нагрузкам ниже, чем у ПЭ и ПП, но выше, чем у полиметилметакрилата и полистирола. По диэлектрическим свойствам превосходит полиолефины пластицированный поливинилхлорид. Перерабатывается стабилизированный ПМП методами литья под давлением, экструзии и прессования.
Благодаря легкости, прозрачности и теплостойкости ПМП используется для изготовления прозрачных деталей, смотровых стекол, медицинского и лабораторного оборудования, пленок для фармацевтических продуктов, электрической изоляции кабелей, плат для печатных схем, осветительной арматуры стерилизуемых труб в пищевой промышленности и т.п.
29181 всего просмотров, 0 просмотров за сегодня
