Термопласты

Полиэтилен высокой плотности

Основные физико-химические свойства  

Полиэтилен (ПЭ) [–CH₂–CH₂–]_n существует в двух модификациях, отличающихся по структуре, а значит, и по свойствам. Обе модификации получаются из этилена CH₂=CH₂. В одной из форм мономеры связаны в линейные цепи с СП обычно 5000 и более; в другой – разветвления из 4–6 углеродных атомов присоединены к основной цепи случайным способом. Линейные полиэтилены производятся с использованием особых катализаторов, полимеризация протекает при умеренных температурах (до 150° С) и давлениях (до 20 атм).

Молекула полиэтилена представляет из себя не что иное, как длинную цепь из атомов углерода, к каждому из которых присоединено по два атома водорода. В зависимости от метода изготовления получаются макромалекулы с различной степенью разветвления и различной плотностью. Поэтому ПЭ подразделяется на две основные группы:

Полиэтилен низкой плотности (LDPE) – ПЭ с сравнительно сильно разветвленной макромолекулой и низкой плотностью (0,916–0,935 г/см³). Процесс его изготовления протекает при очень высоком давлении от 100 до 300 мПа и температуре 100–300 °С, поэтому обозначается так же, как полиэтилен высокого давления (ПЭВД).

Полиэтилен высокой плотности (НDPE) – ПЭ с линейной макромолекулой и относительно высокой плотностью (0,960 г/см³). Это полиэтилен, называемый также полиэтиленом низкого давления (ПЭНД), его получают полимеризацией со специальными катализаторными системами.

Линейные полиэтилены образуют области кристалличности, которые сильно влияют на физические свойства образцов. Этот тип полиэтилена обычно называют полиэтиленом высокой плотности; он представляет собой очень твердый, прочный и жесткий термопласт, широко применяемый для литьевого и выдувного формования емкостей, используемых в домашнем хозяйстве и промышленности. Полиэтилен высокой плотности прочнее полиэтилена низкой плотности.

Таблица. Свойства полиэтилена высокой плотности

Линейное строение, о котором упоминалось ранее, характерно для ПЭ, получаемых при низком давлении, боковые цепи образуются, но они коротки и количество их невелико. Сополимеры этилена, например с бутеном-1, также получают при низком давлении для того, чтобы ввести контролируемое число ответвлений в линейную, в сущности, молекулу. Плотность сополимеров составляет 0,945-0,950 г/см³, в то время как линейных гомополимеров - 0,960 г/см³.

Пленки на основе ПЭВП более жесткие, прочные, менее воскообразные на ощупь по сравнению с пленками на основе ПЭНП. Они могут быть получены методом экструзии с раздувом или через плоскую щель (с поливом на охлаждаемый валок или водяным охлаждением). При экструзии с раздувом, однако, получают более мутную, полупрозрачную пленку.

Температура размягчения ПЭВП (121 °С) выше, чем у ПЭНП, поэтому он выдерживает стерилизацию паром. Морозостойкость примерно такая же, как у ПЭНП.

Прочность при растяжении и сжатии выше, чем у ПЭНП, а сопротивление удару и раздиру ниже. Из-за линейной структуры молекулы ПЭВП стремятся ориентироваться в направлении те чения, и сопротивление раздиру в продольном направлении пленок значительно ниже. Различия сопротивлений раздиру в продольном и поперечном направлениях могут быть увеличены при ориентации, и пленке будут присущи свойства ленточек, работающих на раздир.

Проницаемость ПЭВП ниже, чем у ПЭНП, примерно в 5-6 раз, и он является прекрасной преградой влаге.

Среди обычных пленок ПЭВП по влагопроницаемости уступает только пленкам на основе сополимеров винилхлорида и винил-иденхлорида.

По химической стойкости ПЭВП также превосходит ПЭНП, особенно по стойкости к маслам и жирам.

С увеличением плотности растворимость в органических растворителях уменьшается, как и проницаемость по отношению к растворителям.

ПЭВП подвержен растрескиванию под действием среды, как и ПЭНП, но этот эффект может быть уменьшен благодаря использованию высокомолекулярных марок ПЭ, у которых этот недостаток отсутствует.

СВОЙСТВА ПНД ТРУБНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

• Плотность = 0,948-0,964 кГ/см³ (по ГОСТ 15199-69).
• Предел текучести при растяжении = не менее 21,6 МПа (по ГОСТ 11262-80).
• Относительное удлинение при разрыве = не менее 700% (по ГОСТ 11262-80).
• Модуль упругости при изгибе = 680-750 МПа (по ГОСТ 9550-81).
• Температура плавления = 125-132°С (поляризационный микроскоп).
• Температура размягчения = 120-125°С (по Вика).
• Термический коэффициент линейного расширения = (1,7-2,0)•0,0001^-41/°С (по ГОСТ 15173-70).
• Коэффициент теплопроводности = 0,41-0,44 Вт/м•°С.
• Электрическая прочность (толщина образца 1 мм при частоте 50 Гц) = не менее 40 кВ/мм (по ГОСТ 6433.3-7).

Удельное объемное электрическое сопротивление = 1•10¹⁶-1•10¹⁷ Ом•см (ГОСТ 6433.2-71).

Существенные свойства всех типов полиэтилена (HDPE, LDPE, LLDPE):

-         малая плотность (легче воды);

-         очень хорошая химическая стойкость;

-         очень незначительное водопоглощение;

-         непроницаемость для водяного пара;

-         высокая вязкость, гибкость, растяжимость и эластичность в интервале температур от –70 до +100 °С;

-         хорошая прозрачность;

-         легкая перерабатываемость всеми пригодными для термопластов методами;

-         очень хорошая свариваемость.

А вот относительно высокая проницаемость полиэтилена для кислорода, двуокиси углерода, ароматических веществ, а также проблемы при контакте с определенными средами (например, растворами смачивающих веществ), феномен так называемого образования трещин вследствие внутренних напряжений, в особенности у HDPE, сужают область его применения. Различные свойства HDPE по сравнению с LDPE обусловлены его высокой плотностью. При одинаковой толщине изделия из HDPE жестче и их поверхность тверже. Температура плавления на 20 °С выше, и вследствие более плотной структуры молекулы непроницаемость для водяного пара, кислорода, углекислого газа и ароматических веществ, а также химическая стойкость лучше, чем у LDPE. Высокая температура плавления дает возможность изготовления упаковок с более высокой теплостойкостью (кратковременно до 100 °С).

Удачное и редкое сочетание в полиэтилене химической стойкости, механической прочности, морозостойкости, хороших диэлектрических свойств, стойкости к радиоактивным излучениям, чрезвычайно низкие газопроницаемость и влагопоглощение, легкость и безвредность делают полиэтилен незаменимым в целом ряде областей применения.

ПЭНД перерабатывается практически всеми базовыми способами, используемыми при работе с термопластами – экструзия, выдув, литье под давлением, ротоформование.