Способ получения полиэтилена химический или природный

Виды и свойства полиэтилена

Полиэтиленовые пакеты знают все. В них упаковывают конфеты, фрукты, рыбу, бытовые товары. Но мало кто задумывается о том, из чего их получают. Познакомимся с пакетами поближе.

Характеристика полиэтилена

Полиэтилен – полимер этилена. Органическое соединение, имеющее формулу:—CH2—CH2—CH2—CH2—. Связь между атомами углерода – ковалентная.

Свойства полиэтилена

Полиэтилен представляет собой массу белого цвета. Тонкие листы полиэтилена бесцветные или прозрачные.

Обладает следующими свойствами:

• Не проводит электрический ток.
• Не подвергается изменению формы при ударе – амортизирует.
• Размягчается при нагревании свыше 800С.
• Имеет низкую адгезию.
• Не реагирует с водой, она просто с него стекает.
• Не вступает в химическую реакцию со щелочами, кислотами, солями.
• Подвергается химическому разрушению – 50% азотной кислотой, а также галогенами – хлором и фтором.

Но данный минус может быть переведен в плюс: возможно использование данной реакции для утилизации полимера, получения новых соединений.

Мономер этилен подвергают полимеризации двумя способами, в зависимости от способа получения выделяют полиэтилен высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления.

• ПВД – полиэтилен низкой плотности.
• ПНД – полиэтилен высокой плотности.

Также среди собратьев выделяют класс линейного полиэтилена.

Полиэтилен высокого давления

Молекулярный вес 80000-500000. Полученный материал легкий, теплостойкий, переносит охлаждение до -1200С.

Свойства находятся в зависимости от плотности. Чем выше плотность, тем выше прочность, жесткость, твердость, стойкость к действию химических реагентов.

Полиэтилен низкого давления

• Теплостойкость до 1100С.
• Переносимое охлаждение до – 800С.
• Имеет глянцевую, блестящую поверхность.
• Характеризуется ударопрочностью, высокими диэлектрическими показателями.

Свойства также определяются плотностью. Повышение прочности приводит к увеличению жесткости, химической стойкостью, но при этом уменьшается ударопрочность при низких температурах, проницаемость для газов. Материал инертен к биопоражению. Но с легкостью подвергается переработке.

Виды полиэтилена

Полиэтилен нашел широкое применение у потребителей. Растущий к материалу интерес был двигателем науки, создавались все новые и новые материалы, обладающие новыми свойствами. В настоящее время можно выделить четыре основные группы полиэтилена. Способ получения, определяет свойства, которыми награжден материал, ну а свойства, определяют область использования.

Четыре основных вида полиэтилена:

1. Линейный полиэтилен высокого давления, обозначающийся аббревиатурой ЛПВД.
2. Полиэтилен высокого давления, обозначающийся аббревиатурой ПВД.
3. Полиэтилен среднего давления, обозначающийся аббревиатурой ПСД.
4. Полиэтилен низкого давления, обозначающийся аббревиатурой ПНД.

Следует отметить, что полиэтилен среднего и низкого давления, это достаточно условное разделение, так как получаемый материал имеет одинаковую плотность и молекулярную массу, и схожие условия синтеза.

Существует дополнительная классификация полиэтилена, так сказать более специфическая. Данные материалы применяют для строительных, медицинских нужд.

• Сшитый полиэтилен, имеющий обозначение РЕХ.
• Вспененный полиэтилен, имеющий обозначение ПП.
• Свервысокмолекулярный полиэтилен, имеющий обозначение СВМП.
• Хлорсульфированный полиэтилен, имеющий обозначение ХСП.

Получение полиэтилена

Основным сырьем для получения служит чистый этилен. Определены две основные химические технологии получения полиэтилена:

• радикальная полимеризация, которая протекает в газовой фазе;
• координационно-ионая полимеризация, которая осуществляется в жидкой среде бензина.

По данным технологиям получают два вида материала:

• первое — это полиэтилен высокого давления;
• второе – это полиэтилен низкого давления.

Полиэтилен высокого давления

Синтезируется при давлении 150-300 МПа, температуре 200-2600С, в присутствии кислородсодержащего катализатора – кислород, перекись водорода.

Технология получения протекает через образование промежуточного соединения с последующим его распадом.

Радикалы, которые образуются, являются основоположниками полимеризации мономера.

nСН2 =» СН2 (-СН2-СН2-)n.

Технологию получения можно представить следующими стадиями:

• Смешение исходного сырья с возвратным газом и «товарищем» кислородом.
• Сжатие газовой смеси, протекающее в две стадии.
• Этап полимеризации исходного сырья.
• Разделения продукта и непрореагировавшего сырья.
• Перевод жидкого продукта в гранулы.

Полиэтилен низкого давления

Название говорит само за себя. В технологии получения используют низкое давление. Исходным сырьем является также мономер – этилен.

По способу получения разделяют:

• Полимеризацию, протекающую в суспензии.
• Полимеризацию, протекающую в растворе, чаще всего жидкой средой служит гексан.
• Полимеризация в газовой среде.

Реакции, протекающие в жидкой фазе, нашли более широкое применение, нежели в газовой.

Процесс в жидкой среде протекает при высокой температуре до 25000 С. При этом установленном давлении, находящемся в диапазон 3,4-5,3 МПа.

Контакт с катализатором недолгий и составляет всего 10-15 минут.

Из реакционной смеси продукт выделяют удалением растворителя. Этот процесс протекает в испарителе, затем смесь передается в сепаратор, а из него в вакуумную камеру, где происходит уже грануляция. Полученный твердый продукт пропаривают водяным паром.

Применение полиэтилен

Полиэтилен очень широко распространен в нашей жизни.

Полиэтиленовая пленка применяется для упаковки продуктов товаров, пузырчатая пленка используется в перевозке хрупких материалов. В сельском хозяйстве полипропиленовыми пленками укрывают парники, для повышения температуры внутри них и сохранении тепла – это повышает урожайность.

Из полиэтилена производят различную тару – это и бутылки, ящики, канистры под различные, в том числе агрессивные жидкости, опять-таки для сельского хозяйства производят лейки и горшки для выращивания рассады.

В строительной сфере из полиэтилена производят канализационные, дренажные трубы, трубы газового и водоснабжения.

Из полиэтиленного порошка изготавливают термоклей.

Что может показаться удивительным, но также полиэтилен идет на производство бронежилетов, корпусов судоходных плавательных средств, двигателей некоторой технической аппаратуры.

Вспененный полиэтилен применяется в качестве теплоизолятора.

А полиэтилен высокого давления идет на строительство накопителей твердых и жидких отходов, опасных для окружающего мира.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен – это индивидум, но он специфичен. Не имеет низкомолекулярных добавок, характеризуется высокой линейностью, большой молекулярной массой. Применяется в медицинской области для замены хрящевой ткани суставов. Сфера применения, несмотря на выгодно отличающие его свойства, не очень велика. Так как этот полимер плохо поддается переработке.

Экология и вторичное использование

Удобство использования полиэтилена омрачено сложностью утилизации. Поэтому во многих странах уже ввели ограничение на выпуск, продажу и применение полиэтиленовых пакетов.

Переработка материала проводится известными для пластика способами: литье под давлением, экструзией.

Также возможно проводить сжигание, но при этом в атмосферу выделается огромное количество продуктов горения.

Новая жизнь полиэтилену дается следующим способом: исходный мусор отмывают, измельчают, отделяют от влаги и мусора в центрифуге, вновь промывают, отправляют в сушильную камеру – на выходе получают вторичное сырье, которое пригодно для нового использования. Так методом экструдирования из него производят трубы, второсортную пленку.

Стоит отметить, что природа пытается сама спасти себя от пагубного действия полиэтилена. Выведены плесневые грибы, которые способны за три месяца «слопать» полиэтилен, который был «приготовлен» для них – обработкой азотной кислотой.

Наша планета создала все условия, для проживания человека, мы должны пользоваться ее дарами с уважением и беречь природу. Разделить отходы по разным мусорным корзинам – это простое, но очень полезное действие, которое спасает нашу Землю и позволяет получать новые полезные материалы.

Источник

Полиэтилен. Свойства, технология получения

Полиэтилен – карбоцепной полимер алифатического непредельного углеводорода олефинового ряда – этилена. Макромолекулы полиэтилена имеют линейное строение с небольшим числом боковых ответвлений. Его структурная формула выглядит следующим образом:

Знаки вторичной переработки для полиэтилена высокой и низкой плотности:

Что касается свойств полиэтилена, отмечаются присущие ему хорошие электроизоляционные свойства, сохраняющиеся в широком интервале частот, влагостойкость, инертность по отношению к агрессивным химическим средам, хорошие механические показатели (значительная разрывная прочность и высокая эластичность, сохраняющаяся при низких температурах) и прекрасные технологические данные. Естественно, что те или иные показатели зависят от способа получения полиэтилена и могут варьироваться в ту или иную сторону в зависимости от молекулярной массы.

Эти и другие показатели полиэтилена значительно меняются от способа полимеризации. Например, полиэтилен, получаемый при высоком давлении (радикальная полимеризация), характеризуется более низкой температурой плавления и плотностью, чем полиэтилен, получаемый ионной полимеризацией (при получении полиэтилена при низком или среднем давлении). Получаемые полимеры несколько различаются и по свойствам, и, как следствие, по режимам переработки в изделия и их качеству. Ниже в таблице приведены основные физико-механические свойства ПЭВП и ПЭНП и химический состав:

Также полиэтилен обладает достаточной стойкостью к кислотам, щелочам и действию воды. При комнатной температуре на него не действуют кислоты, кроме 50%-ой азотной кислоты, жидкого и газообразного фтора и хлора. Взаимодействие полиэтилена с галогенами применяется для переработки отходов полиэтилена. Также полиэтилен растворим в циклогексане и четыреххлористом углероде при 80 °C. Со временем подвергается деструкции с образованием поперечных межцепных связей, что приводит к повышению хрупкости на фоне небольшого увеличения прочности. Нестабилизированный полиэтилен на воздухе подвергается термоокислительной деструкции (термостарению).

В промышленности для производства полиэтилена ВД применяют обычно два типа установок, отличающиеся конструкцией реактора. Реакторы представляют собой либо трубчатые аппараты, работающие по принципу ИВ (идеального вытеснения), либо вертикальные цилиндрические аппараты с перемешивающим устройством – автоклавы с мешалкой, работающие по принципу ИС (идеального смешения).

Для получения полиэтилена с высокой молекулярной массой и плотностью полимеризацию проводят при высоких давлениях. Это обуславливает применение толстостенных металлических труб и аппаратов с ограниченной поверхностью теплообмена. Для обеспечения высоких скоростей процесса, его проводят при температуре около 200 — 300°C. Верхний предел ограничивается условиями взрывобезопасности, а также зависит от рабочего давления в реакторе.

Следует отметить, что процессы полимеризации в трубчатом реакторе и автоклаве различаются температурным режимом и временем пребывания реакционной массы в аппарате.

Рассматривая процесс получения ПВД в трубчатом реакторе, можно выделить несколько стадий: смешение свежего этилена с возвратным газом и кислородом, двухкаскадное сжатие газа, полимеризация этилена в конденсированной фазе, разделение ПВД и непрореагировавшего этилена, поступающего в рецикл, грануляция продукта.

На рисунке приведена схема процесса производства полиэтилена высокого давления в газовой фазе, где:

• 1 – коллектор
• 2 – смеситель этилена НД
• 3 – компрессор первого каскада
• 4 – смеситель этилена ВД
• 5 – компрессор второго каскада
• 6 – трубчатый реактор
• 7 – отделитель этилена ВД
• 8 – отделитель НД
• 9 – гранулирующий агрегат
• 10 – вибросито
• 11, 14 – циклонные сепараторы
• 12, 15 – холодильники
• 13, 16 – фильтры
• 17 – компрессор предварительного сжатия

Из цеха газоразделения свежий этилен под давлением 0,8 – 1,1 Мпа поступает в коллектор 1 и затем в смеситель 2, в котором смешивается с возвратным этиленом низкого давления. Далее в поток вводят кислород и смесь поступает в трехступенчатый компрессор первого каскада 3, где сжимается до 25 Мпа. После каждой ступени сжатия этилен охлаждается в холодильниках, отделяется от смазки в сепараторах, а затем поступает в смеситель 4, в котором смешивается с возвратным этиленом ВД из отделения 7. Затем смесь направляется в двухступенчатый компрессор 5 второго каскада, где сжимается до 245 Мпа. После первой ступени сжатия этилен охлаждается в холодильнике, очищается от смазки в сепараторах, а после второй ступени при температуре 70°C поступает в трубчатый реактор 6 на полимеризацию.

Реактор – полимеризатор состоит из трех зон, перед каждой зоной имеется теплообменник для подогрева газа или реакционной смеси в зависимости от применяемого инициатора до 120-190°C. В конце третьей зоны имеется холодильник, в котором реакционная масса охлаждается до 200-250°C (теплообменники и холодильник на схеме не показаны).

Из трубчатого реактора 6 смесь непрореагировавшего мономера с полимером через редукционный вентиль под давлением 24,5 – 26,3 Мпа поступает в отделитель высокого давления, в котором за счет разности плотностей этилена и полиэтилена происходит их разделение. Непрореагировавший этилен из верхней части отделителя высокого давления 7 направляется в циклонные сепараторы 11 и холодильники 12, где от этилена отделяются унесенные частицы полиэтилена. Затем этилен охлаждается, поступает на смешение со свежим газом в смеситель 4 и возвращается в цикл.

Из нижней части отделения ВД 7 расплавленный полиэтилен направляется в отделитель низкого давления 8, в котором поддерживается давление 0,15-0,59 Мпа. Расплав полиэтилена, освобожденный от остатков растворенного этилена при 180-190°C, направляется в гранулирующие агрегаты 9.

Этилен из отделителей низкого давления 8 и после очистки и охлаждения в циклонном сепараторе 14, холодильнике 15 и фильтре 16 поступает в компрессор предварительного сжатия (0,9 – 1,7 Мпа) 17, затем в коллектор 1 свежего этилена и возвращается в цикл.

В грануляторы 9 непрерывно подается стабилизирующая смесь и другие добавки. Полиэтилен, смешанный со стабилизатором, направляется на грануляцию. Для быстрого охлаждения гранул в гранулирующую головку подается обессоленная вода. Охлажденные до 60-70°C гранулы полиэтилена выносятся водой на вибросито 10, на которое потом подается теплый воздух для окончательной сушки. Готовый полиэтилен упаковывают в мешки или направляют на конфекционирование.

Что касается ПНД, то его получают ионной или ионно-координационной полимеризацией в газовой и жидкой фазе. Процесс проводят под давлением 0,3 – 2,5 Мпа, при температуре 70-105°C в присутствии катализаторов Циглера – Натта, высокоактивных хроморганических катализаторов и оксидов хрома.

Рассмотрим схему процесса производства полиэтилена низкого давления в газовой фазе:

3 – емкость для продувки

4 – емкость для катализатора

5 – воздушный холодильник

6 – циркуляционный компрессор

Полимеризацию проводят в реакторе-полимеризаторе 1. Единичная мощность реактора 70 тыс. т полиэтилена в год. В реактор полимеризации из емкости 4 пневмотранспортом с помощью очищенного азота высокого давления подается порошкообразный катализатор.

Количество подаваемого катализатора регулируется роторным дозатором. Для получения полимера заданной молекулярной массы в реактор вводят водород, а для изменения плотности – сомономеры – бутилен, пропилен.

Полимеризация проводится в псевдоожиженном слое. В нижней части реактора имеется перфорированная решетка для равномерного распределения подаваемого этилена и создания кипящего слоя, а в верхней части – расширенная зона, предназначенная для снижения скорости газа и улавливания основной массы частиц полимера. Теплота реакции отводится за счет циркуляции газа, охлаждаемого в воздушном холодильнике 5 циркуляционного контура. Циркуляция газа осуществляется с помощью одноступенчатого центробежного компрессора 6. Образующийся полиэтилен накапливается в нижней части реактора. Степень конверсии этилена составляет 97%. Выгрузка полиэтилена из реактора циклическая – время цикла 6 минут.

Полимер после выгрузки из реактора поступает в отделитель 2, в котором полиэтилен отделяется от непрореагировавшего этилена. Этилен направляется на очистку и возвращается в цикл, а полиэтилен поступает в емкость 3 для продувки инертным газом (азотом), продувной газ выходит через фильтр для улавливания мелких частичек ПЭ.

Далее полиэтилен поступает на компаундирование (стабилизацию и грануляцию), а затем на расфасовку и упаковку готового продукта.

Естественно, что от вариаций производства полиэтилена меняются не только его свойства, но и обозначения – маркировки.

В данной таблице последние две цифры указывают на тип добавки и свойства композиции. Например, 01 для суспензионного полиэтилена любой марки – антикоррозионная добавка; нестабилизированная, неокрашенная.

Область применения полиэтилена довольно широка. Так, этот полимер можно встретить в виде пленки (пузырчатая упаковка), тары (бутылки, ящики, канистры, садовые лейки, даже горшки для рассады), труб для канализации, электроизоляционного материала, брони в бронежилетах, корпусов для лодок. Вдобавок ко всему, вспененный полиэтилен (пенополиэтилен) используется как теплоизолятор, а ПНД применяется при строительстве полигонов переработки отходов, накоплений различных веществ. Также полиэтилен используется для радиационной защиты от нейтронного излучения, а с добавлением бора его эффективность значительно усиливается.

Малотоннажная марка полиэтилена, отличающаяся отсутствием низкомолекулярных добавок, высокой линейностью и молекулярной массой, применяется в медицине как замена хрящевых суставов, но, к сожалению, встречается довольно редко из-за трудностей переработки, обусловленной низким ПТР.

Известно, что, для борьбы с загрязнением окружающей среды полиэтиленовыми пакетами (которые часто путают с целлофановыми), около 40 стран мира ввели запрет или ограничение на продажу и производство пластиковых пакетов.

Источник