Общие сведения о полиэтилене. Часть 1.

Майк Сепе
25.02.2020 758

Можно было бы подумать, что мы знаем все, что нужно знать о материале, который применяется вот уже 80 лет. Но это не относится к полиэтилену. Начнем с основ.

Полиэтилен доступен на рынке уже 80 лет. Учитывая, какой опыт можно было накопить за это время, кажется, что мы должны были узнать об этом материале все. Однако, судя по моим дискуссиям с разными людьми относительно выбора подходящего полиэтилена для разных применений, отрасли еще многое предстоит узнать.

Полиэтилен считается материалом широкого спроса, а такое определение создает впечатление, что для выбора подходящего сорта этого материала не требуется много размышлений. Однако полиэтилен может быть невероятно сложным, хотя бы потому, что это единственный полимер, имеющий широкий диапазон плотностей.

Плотность — это, как правило, постоянное свойство. Все поликарбонаты обладают плотность от 1,19 до 1,20 г∕см3; плотность полипропиленов охватывает крайне узкий диапазон 0,898-0,905 г∕см3; а плотность полиэфира полибутилентерефталата составляет 1,31 г∕см3. Можно изменить плотность любого материала, однако это влечет за собой изменения в состав. Добавление пластификатора снижает плотность ПВХ; большинство модификаторов ударной прочности снижают плотность базовой смолы, в которую их добавляют; а наполнители и армирующие материалы, как правило, повышают плотность материала.

Однако плотность полиэтилена может варьироваться от 0,86 до 0,97 г∕см3 без каких-либо изменений молекулярного состава. В этом диапазоне полимер может обладать широким спектром свойств.

Выбор подходящего полиэтилена всегда был сложнее по сравнению с другими смолами, именно из-за необычной универсальности этого полимера.

Так было не всегда. Полиэтилен, как и многие полимеры, которые сегодня широко применяются, был создан случайно. Исследователи, изучающие газы под высоким давлением, обнаружили, что при проведении экспериментов с газообразным этиленом можно получить твердое соединение в результате полимеризации молекулы этилена. На выпуск материала в серийное производство ушло шесть лет, и по современным стандартам процесс полимеризации был недоработанным и позволял изготавливать очень узкий ассортимент продукции.

Сейчас такие материалы называются полиэтиленом низкой плотности. В то время такой терминологии не существовало, поскольку еще не было полиэтилена высокой плотности и даже представления о подобном материале. Какое-то время мы считали, что полиэтилен низкой плотности состоит из цепей с большим количеством разветвлений. Длинные ветви предотвращают сближение основных цепей. Это ограничивает способность материала к кристаллизации и уменьшает межмолекулярные притяжения, которые отвечают за такие свойства, как прочность и жесткость.

Изначально полиэтилен использовался для изоляции проводов и кабелей, поскольку полиэтилен низкой плотности обеспечивал необходимую гибкость. Однако если попытаться создать такой продукт, как канистру объемом 5 галлонов, из полиэтилена низкой плотности, наполнить ее 40-60 фунтами содержимого и расположить по три-четыре полные канистры одни над другими, они быстро разрушатся. Поэтому ясно, что сферы применения полиэтилена были несколько ограничены в 1940-х и до середины 1950-х годов.

Тогда в дело вступили Карл Циглер и Джулио Натта. В 1954 году, работая независимо друг от друга, и даже в чем-то соперничая, они открыли катализаторы, позволившие осуществлять полимеризацию этилена без экстремальных температур и давления, которые требовались ранее. Что еще более важно, получившаяся молекула была практически неразветвленной, что характеризовало результаты процессов высокого давления. Такие линейные молекулы могли располагаться ближе друг к другу, создавая совершенно другой набор свойств. Полиэтилен высокой плотности был прочнее, жестче и тверже благодаря высокой степени кристаллизации, обусловленной более упорядоченным расположением линейных полимерных цепей.

Он также был менее ударопрочным, особенно при низких температурах. Однако повышенная прочность и жесткость материала позволили изготавливать из него такие продукты, как 5-галлонные канистры.

Непрерывные разработки в области полиэтиленов позволили специалистам создавать более тонкие и прочные пленки, чем когда-либо. (Фото предоставлено компанией Reifenhauser)

Двое исследователей из компании Phillips Petroleum открыли схожий процесс за год до Циглера и Натты, и такая система полимеризации полиэтилена по сей день известна как процесс Филлипс. Однако это техническое достижение стало предметом длительной тяжбы, которая разрешилась только в 1980-х, а к тому времени имена Циглера-Натты прочно укоренились и в 1963 году они вместе получили Нобелевскую премию в области химии.

Когда катализаторы на основе переходных металлов стали известны, области применения полиэтилена стали стремительно расширяться. Можно было производить полиэтилен, обладающий различными свойствами, с широким диапазоном плотностей, от 0,91 до 0,97 г∕см3. В конце 1970-х новые разработки позволили создавать линейный полиэтилен низкой плотности. В данном материале обеспечивалось более контролируемое разветвление, чем в традиционном полиэтилене низкой плотности.

Примерно в то же время зарождалась новая революция в сфере катализаторов, которая окажет большое влияние на полиэтилен. В 1977 году Вальтер Камински из университета Гамбурга продемонстрировал действие металлоценовых катализаторов при полимеризации полиэтилена. Развитие этих материалов было длительным и сложным, но к концу 1990-х годов и в начале нового тысячелетия полиэтилен, изготовленный с помощью новых каталитических систем, стал принимать такие формы, которые раньше казались невозможными. Линейный полиэтилен низкой плотности, полученный с помощью металлоценового катализатора, сложнее обрабатывать, чем полученный с помощью катализатора Циглера-Натты, аналогично тому, как более ранние варианты линейного полиэтилена низкой плотности были более проблематичными, чем традиционный полиэтилен низкой плотности. Но когда специалисты освоили новые материалы, улучшения в их характеристиках стали очевидными. Стало возможным создание более тонких пленок с эквивалентными характеристиками. Прозрачность, стойкость к мгновенным ударам и прочность на разрыв также были улучшены.

Не зная плотность, невозможно определить свойства полиэтилена.

Повышенный уровень контроля над полимеризацией, обеспечиваемый данными катализаторами, привел к появлению новых полиэтиленовых материалов с плотностью 0,86 г∕см3. Низкая степень кристаллизации позволила создать семейство материалов под названием пластомеры: гибкие, твердые материалы, обладающие свойствами таких материалов, как сополимер этиленвинилацетат, с гораздо меньшей плотностью и повышенной термостойкостью в расплаве.

Учитывая все эти разработки, выбор подходящего полиэтилена для конкретного применения становился все более сложным. Выбор подходящего полиэтилена всегда был сложнее по сравнению с другими смолами, именно из-за необычной универсальности этого полимера. В большинстве семейств полимеров ненаполненные и немодифицированные сорта отличаются, прежде всего, молекулярным весом. Сорта с высоким молекулярным весом обладают лучшими характеристиками, но их сложнее обрабатывать из-за большей вязкости в расплавленном состоянии. В общем случае молекулярный вес полиэтилена связан с показателем текучести расплава и указывается в спецификации.

Но у полиэтилена есть и еще одно свойство, которое необходимо учитывать при определении характеристик материала, — плотность. Возможность рассматривать два свойства вместо одного обеспечивает большее многообразие, но и делает окончательный выбор сложнее. Тот, кто выбирает материал, должен понимать, как его свойства меняются в зависимости от молекулярной массы и плотности. (Молекулярно-массовое распределение — это еще один фактор, который необходимо учитывать, но мы рассмотрим его позже).

В нашей следующей статье мы рассмотрим взаимосвязь между молекулярной массой и плотностью, а затем покажем важность понимания того, как выбирать сорта полиэтилена на основе двух этих взаимосвязанных, но в конечном счете независимых параметров.

Об авторе: Майк Сепе — независимый консультант по вопросам материаловедения и обработки материалов; его компания Michael P. Sepe, LLC, базируется в Седоне, штат Аризона. За его плечами больше 40 лет опыта работы в индустрии пластмасс и помощи клиентам с выбором материалов, планированием производства, оптимизацией процессов, устранением неисправностей и анализом отказов.

Контактные данные: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

«Полностью экологичный» концентрат полипропиленовой смолы
«Полностью экологичный» концентрат полипропиленовой смолы
Компания Milliken & Company в сотрудничестве с компанией PureCycle Technologies работают над созданием первого на…
05.11.2022
38
Создание высокогидрофобной поверхности древесины с помощью ксилана
Создание высокогидрофобной поверхности древесины с помощью ксилана
В новом исследовании предлагается потенциальное применение ксилана для создания высокогидрофобных деревянных поверхностей для защиты древесины.
31.01.2023
9
Преимущества УФ-отверждаемых покрытий для пластмасс
Преимущества УФ-отверждаемых покрытий для пластмасс
Пластмассы все больше используются в нашей повседневной жизни.
Пол Геверт
12.08.2020
225
Общие сведения о полиэтилене. Часть 3.
Общие сведения о полиэтилене. Часть 3.
Если плотность полиэтилена выбрана неправильно, изделия могут разрушаться. Рассмотрим несколько примеров и проанализируем, что произошло…
Майк Сепе
24.03.2020
542
Поверхностные свойства покрытия после плазменного электролитического оксидирования
Поверхностные свойства покрытия после плазменного электролитического оксидирования
В новой статье дается всесторонний обзор поверхностных свойств покрытия, модифицированного полимерными материалами, после плазменного электролитического…
31.10.2022
42
Итоги 25-й международной выставки «ХИМИЯ-2022»
Итоги 25-й международной выставки «ХИМИЯ-2022»
Главное выставочно-конгрессное мероприятие привлекло внимание профессионалов, разработчиков, представителей власти, руководителей компаний для ознакомления с новинками…
14.11.2022
104
Оптическое покрытие предотвращает от запотевания и нежелательных бликов
Оптическое покрытие предотвращает от запотевания и нежелательных бликов
Технологии помогают системам датчиков и камер работать оптимально, сохраняя прозрачность оптики
Жизель Беннетт
30.01.2023
8
Общие сведения о полиэтилене. Часть 4
Общие сведения о полиэтилене. Часть 4
Изготовители небольших топливных баков на собственном горьком опыте убедились, что незначительная разница в плотности (0,6%)…
Майк Сепе
16.05.2020
730
История полимерных материалов. Часть 2
История полимерных материалов. Часть 2
Изобретение целлулоида открыло двери для будущих инноваций в материалах и обработке.
Майк Сепе
09.04.2021
244