Характеристики и применение полиэтилена высокого давления

Современный мир сложно представить без пластмассы. Сегодня все, что нас окружает на треть состоит из разного рода пластмасс. Мы настолько к ним привыкли, что не всегда замечаем их в повседневной жизни. А вместе с тем, пластмассы - это прибыльный бизнес, который приносит своим владельцам миллионы долларов в год. Среди них самый распространенный и самый доходный - это производство полиэтилена.

Полиэтилен можно условно разделить на два основных подвида: полиэтилен с высокой плотностью, получаемый под воздействием низкого давления, и полиэтилен с низкой плотностью, получаемый под воздействием высокого давления. Именно о ПВД - полиэтилене высокого давления - и пойдет речь в данной статье.

Сфера применения полиэтилена достаточно широка. По большей части полиэтилен высокого давления используют для выпуска пленки и различных пленчатых изделий: термопленки, пакеты, пищевая многослойная упаковка, парниковые пленки. Изделия из полиэтилена высокого давления используют в электротехнике, химическом и пищевом производстве, автомобилестроении, строительстве и пр. Трубы из полиэтилена высокого давления отличаются непревзойденной прочностью и рекомендуются для установки в системах жил.коммуникаций.

Что же такое ПВД?

ПВД (он же ПЭВД, он же LDPE) - внешне почти полностью прозрачный и слабопластичный материал, в свободном состоянии не восприимчивый к воздействиям химических веществ, отличный электроизолятор, морозоустойчив, не подвержен радиации, влаго- и газонеропницаемый.

Если же говорить более научным языком, технические характеристики полиэтилена высокого давления следующие:

- температура плавления полиэтилена высокого давления от 105 до 115 градусов по Цельсию;
- плотность полиэтилена высокого давления от 917 кг/кубометр до 935 кг/кубометр;
- предельные рабочие температуры от -45 до 70 градусов по Цельсию;
- предел прочности 10-17 МПа;
- удлинение (относительное) от 50 до 600%;
- твердость 14-25 МПа;

Материалом для получения полиэтилена выступает непредельный углеводород - этилен. Для того, чтобы из газообразного вещества получился ПВД его необходимо полимеризовать, то есть создать ковалентные связи между молекулами углеводорода. Однако сделать это нужно при определенных условиях: нагреть базовое вещество до температуры от 200 до 260 градусов по Цельсию, сжать газ под давлением не меньше 150 МПа (но и не больше 300 МПа) и инициировать реакцию с помощью активатора. Таким активатором-инициатором может выступать кислород, перекись или нитросоединения (т.е. содержащие в себе нитрил NO2).

Во время нагрева молекулы активатора распадаются на свободные радикалы. Эти радикалы вступают в реакцию с СН2 (этилен). За счет нагревания и присоединения активатора инициированная молекула этилена начинает активно присоединять к себе все больше и больше новых молекул СН2. Иначе говоря - начинается полимеризация этилена. ПВД базовых марок имеет не линейную структуру, с множественными боковыми ответвлениями цепи от центра начала реакции. Иногда боковая цепь равна или даже превосходит длину основной цепи.

Технологии производства ПВД

Производство полиэтилена высокого давления может идти по одной из трех технологий: термоплимеризация в массе, в растворителе или в суспензии, - и на одном из двух видов полимерных установок: трубчатом реактор или цилиндрическом, вертикально расположенном, оснащенном специальным перемешивающим механизмом агрегате под названием автоклава.

К слову сказать, на данный момент оба типа установок для полимеризации этилена под высоким давлением распространены примерно одинаково, так как некоторые марки ПВД можно получить только в том или ином виде оборудования.

В разных установках получается различный по своим свойствам полиэтилен, что дает изготовителю возможность по своему усмотрению изменять параметры готового продукта контролируя один из следующих показателей:
- давление в системе;
- температуру нагрева;
- количество инициирующего вещества;
- длительность воздействия.

Что же изменится? Чем больше давление, тем больше масса молекул и меньше боковых отделений в структуре молекулы ПВД. Чем больше инициирующего вещества, тем наоборот меньше масса, быстрее скорость реакции и больше молекул О2. Чем жарче, тем меньше масса, больше ответвленность от центра реакции и быстрее сама реакция. Ну и на последок, чем дольше вещество находится в системе, тем быстрее оно превращается и тем больше становится его масса.

Однако у всего есть свой передел. К примеру если не контролировать дозировку вещества-инициатора, то при определенном соотношении активатор / температура происходит взрыв и распад этилена на атомы с выделением метана. В то же время, если температура становится значительно выше нормы, а система теплоотведения не успевает охладить вещество вовремя, также может произойти неконтролируемое ускорение реакции, а затем взрыв с последующим распадом этилена на атомы.

Контроль за качеством полиэтилена осуществляется специальным ГОСТом (№16337-77 от 01.01.79г.). Согласно ему ПВД может быть двух категорий: базовый (значит в нем отсутствуют какие-либо добавки) или композиционный (база + различные добавки, может быть бесцветным или цветным).

Марки полиэтилена

Базовые марки полиэтилена бывают 2-х видов в зависимости от типа выпускающего их устройства (автоклава или трубчатый реактор) и 3-х сортов (высший, первый и второй). Если ПВД производится в гранулированном виде, то все частицы его должны быть одной формы и размера. Границы размера для частиц ПВД в норме от 0,2 до 0,5 см. Также в каждой партии допускаются небольшие отклонения от нормы (т.е. наличие частиц размером больше базового показателя), но следует учесть, что их процентное содержание не должно превышать установленных ГОСТом пределов.

Всего ГОСТ устанавливает 8 базовых марок ПВД для автоклавы и 21 марку для радиаторов трубчатого типа. Цифровой код заложенный в названии каждой марки позволяет с легкостью определить, о каком продукте идет речь (для ПВД первая цифра всегда 1, она указывает на наличие высокого давления в системе), на каком оборудовании произведен ПВД (вторая и третья цифра в наименовании марки , числа от 01 до 49 присваиваются ПВД изготовленным на автоклаве, числа от 50 до 99 - ПВД из трубчатых реакторов), как происходило усреднение полимерного соединения (0-холодным смешением, 1- при расплаве), какой плотности вещество (всего существует 6 классов), а также показатель текучести ПВД (номер через тире).

На данный момент отечественные производители полиэтилена располагаются в Ангарске, Томске и Казани. В странах ближнего СНГ ПВД производят в Белоруссии (г.Новополоцк). Наиболее известные зарубежные производители ПВД:  TVK, Vordian, Polimeri Europa, NOVA Chemicals, Basell и пр.

Наряду с классическими формами ПВД в последние годы стал набирать обороты выпуск схожей с ним модификации - линейного полиэтилена (ЛПЭВД или ЛПЭНП). Его структура такая же линейная, как и у полиэтиленов низкого давления, но имеет большее число ответвлений.

ЛПЭВД гораздо более перспективное вещество, чем классический ПВД, так оно имеет в несколько раз большую прочность, при том, что толщина получаемых пленок значительно ниже. Кроме того, ЛПЭВД в отличие от других полиэтиленов можно использовать для упаковки горячих продуктов питания, за счет большего диапазона рабочих температур. А еще он не растрескивается и имеет блестящую поверхность.

Сейчас цена почти в полтора раза ниже, чем цена на ЛПЭВД, однако не далек тот час, когда ЛПЭВД догонит своих "ближайших родственников" по классу.

С каждым годом ЛПЭВД становится производить все дешевле, а значит потенциально в ближайшем будущем он может вытиснуть ПВД и ПНД с лидирующих позиций на рынке полимеров.