ПЭ-пластиковое сырье

ПЭ-сырье: универсальные пластики с характеристиками, производством и разнообразными сферами применения

ПЭ (полиэтилен) — термопластичная смола, получаемая полимеризацией этиленовых мономеров. Будучи самым распространённым в мире универсальным пластиком, он нашёл применение в различных сферах производства и быта с начала индустриализации в 1930-х годах благодаря своим превосходным эксплуатационным характеристикам, низкой стоимости и широкой применимости. От пакетов для покупок до промышленных трубопроводов, от упаковки пищевых продуктов до сельскохозяйственной плёнки — ПЭ стал незаменимым базовым материалом в современном обществе благодаря своим уникальным преимуществам, способствующим развитию промышленности полимерных материалов.

1. Молекулярная структура и основные характеристики полиэтилена

Молекулярная структура полиэтилена (ПЭ) представляет собой линейные или разветвлённые углеродно-водородные цепи с повторяющимися звеньями -Ч₂-Ч₂-. Регулярность и степень разветвлённости молекулярных цепей определяют их эксплуатационные свойства. В зависимости от молекулярной структуры полиэтилен подразделяется на полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) и линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП).

Молекулярная цепь ПЭНП имеет высокую степень разветвленности и низкую кристалличность (50% -60%), что обеспечивает ему хорошую гибкость и прозрачность, плотность 0,91-0,925 г/см³, мягкость на ощупь, отличную устойчивость к низким температурам и способность сохранять прочность при температуре -60 ℃. ПЭВП имеет высокую регулярность молекулярной цепи, кристалличность 80% -95% и плотность 0,941-0,965 г/см³. Он обладает большой жесткостью, высокой прочностью и лучшей твердостью и износостойкостью, чем ПЭНП, но немного меньшей гибкостью. ЛПЭНП образует короткие разветвленные цепи путем сополимеризации этилена и альфа-олефинов, сочетая гибкость ПЭНП с прочностью ПЭВП, с превосходной устойчивостью к разрыву и проколу.

ПЭ в целом обладает превосходными характеристиками: хорошей химической стабильностью, устойчивостью к кислотам, щелочам, солям и большинству органических растворителей, а также не реагирует с веществами, отличными от сильных окислителей при комнатной температуре; Отличная электроизоляция, низкая диэлектрическая проницаемость, подходит для изоляционных слоев проводов и кабелей; Хорошие эксплуатационные характеристики, может быть сформирован с помощью таких процессов, как выдувное формование, литье под давлением, экструзия и т. д., и имеет широкий диапазон температур обработки и низкое потребление энергии; Нетоксичен и не имеет запаха, соответствует стандартам контакта с пищевыми продуктами, широко используется в пищевой упаковке. Однако ПЭ имеет ограниченную термостойкость и обычно используется при температурах -40-60 ℃. Он склонен к окислению и старению, и его необходимо улучшить путем добавления антиоксидантов.

2. Процесс производства и источники сырья для полиэтилена

В качестве основного сырья для производства полиэтилена используется этилен, получаемый преимущественно в результате крекинга нефти (крекинг нафты) и переработки природного газа (дегидрирование этана). В последние годы биоэтилен получают методом ферментации биомассы, что открывает возможности для повышения экологичности полиэтилена. В зависимости от давления, производственный процесс подразделяется на метод высокого, среднего и низкого давления, что соответствует различным сортам полиэтилена.

Метод высокого давления в основном используется для производства полиэтилена низкой плотности (ПЭНП). Этот процесс осуществляется путём свободнорадикальной полимеризации этиленового мономера при давлении 100–300 МПа и температуре 150–300 °C с использованием кислорода или пероксида водорода в качестве инициаторов. Высокое давление приводит к образованию большого количества разветвлений молекулярных цепей, что приводит к образованию продуктов низкой плотности и высокой гибкости. Этот процесс требует больших энергозатрат, но обеспечивает высокую чистоту продукта, что делает его пригодным для таких областей, как производство тонких плёнок.

Метод низкого давления (включая метод среднего давления) используется для производства ПНД и ЛПЭНП с использованием катализатора Циглера-Натта или металлоценового катализатора при полимеризации при давлении 0,1–5 МПа и давлении 60–100 °C. В условиях низкого давления снижается разветвленность и образуется ПНД с высокой степенью кристалличности; добавление альфа-олефинов (таких как бутен и гексен) для сополимеризации приводит к образованию ЛПЭНП. Метод низкого давления отличается низким энергопотреблением и высокой эффективностью катализатора и в настоящее время является основным процессом, позволяющим точно контролировать молекулярную массу и плотность продуктов.

Полученный после полимеризации расплав полиэтилена экструдируется и гранулируется в гранулированное сырье, а при необходимости в него добавляются такие добавки, как антиоксиданты, смазочные вещества и красители, для улучшения технологических характеристик и атмосферостойкости. Выбор добавок должен соответствовать условиям применения, а для пищевого полиэтилена существуют строгие ограничения на виды и содержание добавок.

3. Классификация и технология модификации полиэтилена

ПЭ можно разделить на три категории по плотности и структуре, каждая из которых обладает своими характеристиками и сферами применения. Границы производительности могут быть расширены с помощью методов модификации.

ПЭНП (полиэтилен низкой плотности) обладает высокой степенью разветвления, низкой кристалличностью, превосходной гибкостью, прозрачностью и текучестью при переработке. Он обладает широким диапазоном индексов расплава и подходит для производства плёнок методом выдувного формования (например, пакетов для консервирования пищевых продуктов и пластиковых плёнок), литья под давлением небольших изделий (например, игрушек и крышек для бутылок) и нанесения экструзионных покрытий. Однако его прочность относительно невысока, а стойкость к растворителям несколько ниже.

ПНД (полиэтилен высокой плотности) обладает высокой кристалличностью, высокой жёсткостью, более высокой прочностью на разрыв, твёрдостью и термостойкостью, чем ПВД. Он обладает превосходной химической стойкостью к коррозии и подходит для изготовления полых контейнеров (например, бутылок для минеральной воды и бочек для химикатов), трубопроводов (например, водопроводных и газопроводных труб), картона и плотной упаковочной плёнки. Переработка ПНД имеет низкую текучесть и требует более высоких температур.

ЛПЭНП (линейный полиэтилен низкой плотности) сочетает в себе гибкость и прочность благодаря короткоцепочечной структуре, обладая превосходной устойчивостью к разрыву, проколу и растрескиванию под напряжением. Он обладает превосходными прочностными характеристиками и в основном используется для производства стретч-пленок (например, упаковочных), сельскохозяйственных пленок, плотных упаковочных пленок и изделий, изготовленных методом литья под давлением. Его часто смешивают с ПЭНП для улучшения характеристик пленки.

Технология модификации является ключом к улучшению характеристик ПЭ: Модификация сшиванием использует химические или физические методы для формирования сетчатой структуры молекулярных цепей, что повышает термостойкость, стойкость к растворителям и механическую прочность, и используется для изоляционных слоев в трубах и кабелях с горячей водой; Добавление модифицированных наполнителей, таких как карбонат кальция и тальк, позволяет снизить затраты и повысить жесткость и размерную стабильность; Улучшение модифицированного композитного стекловолокна, углеродного волокна и т. д. для повышения прочности и модуля, используется для структурных компонентов; Функциональная модификация придает антибактериальные, огнестойкие, антистатические и другие свойства, расширяя область применения на медицину, электронику и другие области.

4. Разнообразные области применения полиэтилена

ПЭ широко используется в упаковке, сельском хозяйстве, промышленности, предметах повседневного спроса и других областях благодаря своим разнообразным эксплуатационным характеристикам и низкой стоимости, поддерживая функционирование современного общества.

Упаковочная промышленность является крупнейшим рынком применения ПЭ, при этом пленка ПЭНП доминирует в упаковке пищевых продуктов, например, пакетов для сохранения свежести и хлебных пакетов, которые являются прозрачными, мягкими и обладают хорошими герметизирующими свойствами; жесткие контейнеры из ПЭВП, такие как детские бутылочки и бутылки для моющих средств, ударопрочные и устойчивые к барьерным воздействиям, подходят для упаковки жидкостей; стрейч-пленка ЛПЭНП, благодаря своей высокой растяжимости, используется для логистической намотки, чтобы сократить потери при транспортировке; вспененный ПЭ (например, жемчужный хлопок) легкий и амортизирующий материал, используется для упаковки электронных продуктов и точных приборов.

В сельском хозяйстве полиэтиленовая пленка сохраняет влагу, повышает температуру и способствует росту растений. ПНД-пленка обладает хорошей гибкостью и легко укладывается, а ЛПНП-пленка устойчива к проколам и долговечна; полиэтиленовая пленка для теплиц используется для светопропускания и изоляции при строительстве теплиц; полиэтиленовые сетчатые мешки используются для упаковки фруктов и овощей, они воздухопроницаемы и влагонепроницаемы.

В промышленной сфере трубы из ПНД широко используются для муниципального водоснабжения, транспортировки газа и отвода промышленных сточных вод благодаря своей стойкости к химической коррозии, низкому сопротивлению воздействию жидкостей и простоте монтажа; при производстве резервуаров для хранения, облицовки и антикоррозионного оборудования используются листы из ПЭ; слой изоляции кабелей из сшитого ПЭ обладает хорошей электроизоляцией и устойчивостью к старению, что обеспечивает безопасность передачи электроэнергии.

Изделия из ПЭ можно встретить повсеместно в сфере товаров повседневного спроса: изделия, изготовленные методом литья под давлением, такие как пластиковые ведра, тазы и игрушки, легкие и прочные; ПЭ-волокно (полипропилен) используется для изготовления рыболовных сетей, фильтровальной ткани и ковров, которые износостойкие и устойчивы к атмосферным воздействиям; вспененный ПЭ (тапочки, коврики для йоги) мягкий и удобный, с хорошими амортизационными характеристиками.

В медицинской сфере пищевой полиэтилен используется для изготовления инфузионных пакетов, чехлов для шприцев и т. д. Он нетоксичен, химически стабилен и может стерилизоваться паром; полиэтиленовая пленка используется для хирургических халатов и упаковочных пленок, чтобы блокировать бактерии и обеспечивать воздухопроницаемость.

5. Тенденции развития и охраны окружающей среды в сфере ПЭ

Защите окружающей среды от использования полиэтилена уделяется большое внимание, и, хотя он сталкивается с проблемой загрязнения окружающей среды, он движется в направлении устойчивого развития посредством переработки и внедрения инновационных зеленых технологий.

Система переработки полиэтилена (ПЭ) относительно развита, при этом основным методом является физическая переработка: отходы ПЭ сортируются, очищаются, измельчаются, плавятся и гранулируются, а переработанный ПЭ используется для производства мусорных баков, переработанной пленки, пластиковых лотков и т. д. Химическая переработка разлагает ПЭ на низкомолекулярные углеводороды, которые могут использоваться в качестве топлива или химического сырья и обладают преимуществами при переработке сложных отходов. Мировой уровень переработки ПЭ постепенно растёт, а политическая политика и технологический прогресс способствуют развитию экономики замкнутого цикла.

Производство биополиэтилена (ПЭ) — это экологичное направление развития, в котором в качестве сырья используется этилен, получаемый путём ферментации биомассы (например, сахарного тростника и кукурузы). Его углеродный след ниже, чем у ПЭ на основе нефти, а биоразлагаемые виды ПЭ (например, ПЭ с добавлением добавок, способствующих разложению) могут естественным образом разлагаться в определённых условиях, снижая долгосрочное загрязнение.

Будущее развитие ПЭ сосредоточено на трех направлениях: высокопроизводительная разработка за счет молекулярного дизайна и композитных технологий, разработка высокомодульного, стойкого к высоким и низким температурам ПЭ и расширение инженерных приложений; функциональные исследования и разработка антибактериального и интеллектуального ПЭ (например, чувствительного к температуре разложения) для удовлетворения высокотехнологичных потребностей; низкая карбонизация способствует индустриализации биосырья и химической переработки, создает цикл «производство-потребление-регенерация» и сочетает в себе легкую конструкцию для снижения расхода материалов.

ПЭ, как базовый универсальный пластик, благодаря своим превосходным эксплуатационным характеристикам способствует развитию множества отраслей. В условиях экологических проблем, благодаря переработке и экологичным инновациям, ПЭ обеспечит устойчивое развитие, сохраняя при этом свою практичность и обеспечивая ключевую материальную поддержку для создания экологичного и низкоуглеродного общества.