Полиетилен

Полиетилен
Имена
Други	Полиетен, PE
Свойства
Формула	(C2H4)n
Плътност	0,88 – 0,96 g/cm^3
Точка на топене	115 – 135 °C
Магнитна възприемчивост	−9,67×10^−6
Идентификатори
CAS номер	9002-88-4
PubChem	6325
KEGG	C19503
MeSH	Polyethylene
ChEBI	53227
UNII	J245LN42AI
Данните са при стандартно състояние на материалите (25 °C, 100 kPa), освен ако не е указано друго.
Полиетилен в Общомедия

Полиетилен (съкр. PE) е термопластичен полимер на етилена и е най-често срещаната пластмаса. Към 2017 г. над 100 милиона тона полиетилен се произвежда годишно, което представлява 34% от световния пазар на пластмаса.^[1][2] Основната му употреба е за опаковки (торбички, слоеве, съдове за съхранение, бутилки, геомембрани). Известни са множество видове полиетилен, като повечето от тях имат химична формула (C₂H₄)_n. PE обикновено е смес от сходни полимери на етилен с различни стойности за n.

История

Кутийка за хапчета, представена на техник в ICI през 1936 г. и съставена от първия килограм полиетилен.

Зърна полиетилен.

Полиетиленът за пръв път е синтезиран от германския химик Ханс фон Пехман, който го приготвя неволно през 1898 г., докато проучва диазометан.^[3] Когато колегите му Ойген Бамбергер и Фридрих Тширнер характеризират бялото вещество, те откриват, че то съдържа дълги –CH₂– вериги и го наричат полиметилен.^[4]

Първият промишлено значим синтез на полиетилен (диазометанът е изключително нестабилно вещество, което обикновено се избягва в промишлеността) е открит през 1933 г. от Ерик Фосет и Реджиналд Гибсън, отново по случайност, в Imperial Chemical Industries (ICI) в Нортуич, Великобритания.^[5] След като прилагат изключително голямо налягане (няколкостотин атмосфери) към смес от етилен и бензалдехид, те отново получава бяло вещество. Тъй като реакцията е започната от кислородни примеси в апаратурата им, експериментът отначало е труден за възпроизвеждане. Едва през 1935 г. други химик в ICI, Майкъл Перин, разработва този случаен експеримент в повтаряем синтез под високо налягане за полиетилен, който става основа за промишленото производство на полимера след 1939 г. Тъй като е открито, че полиетиленът има много малко загуби при радиовълни с много висока честота, комерсиалното му разпространение във Великобритания е отложено при избухването на Втората световна война, а новият процес се използва за производство на изолатори за коаксиални кабели и радарни инсталации, работещи със свръхвисоки честоти. По време на войната се провеждат още изследвания върху процеса и през 1944 г. започва широкомащабно комерсиално производство в Тексас и Западна Вирджиния, САЩ, под лиценз на ICI.^[6]

Пробивът в комерсиалното производство на полиетилена започва с разработването на катализатор, който подпомага полимеризацията при умерени температура и налягане. Първият такъв катализатор е хромовият триоксид, открит през 1951 г. от Робърт Банкс и Джон Хоган във Phillips Petroleum.^[7] През 1953 г. германският химик Карл Цайглер разработва катализаторна система, базирана на титаниеви халиди и органоалуминиеви съединения, която работи при дори по-умерени условия. Катализаторът на Phillips се оказва по-евтин и по-лесен за работа, но и двата метода се използват в промишлеността. През 1970-те години системата на Цайглер е подобрена чрез включването на магнезиев дихлорид. Катализаторни системи с разтворими катализатори, металоцени, са изобретени през 1976 г. Катализаторите металоцени и тези на Цайглер се оказват много гъвкави при кополимеризацията на етилен и други алкени и стават основата на широк набор от полиетиленови смоли, налични днес.

Свойства

Свойствата на полиетилена могат да се разделят на механични, химични, електрически, оптични и термични.^[8]

Механични свойства

Полиетиленът има ниска твърдост и издръжливост, но има висока деформируемост и удароустойчивост. Проявява силно пълзене под постоянна сила, което може да се намали чрез добавянето на къси влакна. На допир е подобен на восък.

Термални свойства

Комерсиалната приложимост на полиетилена е ограничена от относително ниската му точка на топене. За обикновени комерсиални полиетилени със средна и висока плътност точката на топене обикновено е в граници между 120 и 180 °C. Точката на топене за полиетилен с ниска плътност обикновено е 105 – 115 °C. Тези температури варират в широки граници в зависимост от вида полиетилен.

Химични свойства

Полиетиленът е съставен от неполярни, наситени, високомолекулни въглеводороди. Следователно, неговото химично поведение е сходно с това на парафина. Индивидуалните макромолекули не са ковалентно свързани. Поради симетричната си молекулна структура, те са склонни към кристализация. Като цяло полиетиленът е частично кристален. Високата кристалност повишава плътността и механичната и химичната стабилност.

Повечето етиленови видове имат отлична химична устойчивост, което ще рече, че те не се повлияват от силни киселини или силни основи и са устойчиви на леки окислители и редуциращи агенти. Кристалните образци не се разтварят на стайна температура. Полиетиленът обикновено може да се разтвори при по-високи температури в арени като толуен или ксилен или в хлорирани разтворители като трихлороетан или трихлоробензен.^[9]

Полиетиленът почти не абсорбира вода. Пропускливостта му на газове и пари е по-ниска в сравнение с повечето пластмаси. От друга страна, кислород, въглероден диоксид и ароматизанти лесно преминават през него. PE може да стане чуплив, когато се изложи на слънчева светлина, поради което често се използва технически въглерод в ролята на UV стабилизатор.

Полиетиленът гори бавно със син пламък с жълт връх и изпуска парафинова миризма. Материалът продължава да гори и при премахване на източника на пламък и образува капки.^[10] PE не може да бъде отпечатан или свързан с лепила без предварителна обработка. Висококачествените съединения се постигат лесно с пластмасово заваряване.

Електрически свойства

Полиетиленът е добър електрически изолатор. Предоставя добра устойчивост към разклоняване на електричеството, но се зарежда лесно електростатично (което може да се намали чрез добавяне на графит или технически въглерод).

Оптични свойства

В зависимост от термалната история и дебелината на слоя, PE може да варира между почти напълно прозрачен до млечно непрозрачен. PE с по-малка плътност е най-прозрачен, докато този с по-висока плътност е по-непрозрачен. Прозрачността се намалява от кристалните зрънца, ако са по-големи от дължината на вълната на светлината.^[11]

Производство

Рециклируема торбичка, произведена от полиетилен.

Мономер

Съставката (или мономерът) е етилен – газообразен въглеводород с формула C₂H₄, който може да се разглежда като двойка метиленови групи (–CH
2–), свързани помежду си. Етиленът обикновено се произвежда от петролни суровини, но може да се създаде и чрез дехидратация на етанол.^[9]

Полимеризация

Етиленът е стабилна молекула, която се полимеризира само при контакт с катализатор. Преобразуването е силно екзотермично. Координационната полимеризация е най-разпространената технология, което означава, че се използва метални хлориди или оксиди. Най-широко използваните катализатори са съставени от титаниев(III) хлорид, така наречените Цайглер-Ната катализатори. Друг разпространен катализатор се приготвя чрез отлагането на хромов триоксид върху силициев диоксид.^[9] Полиетиленът може да се получи и чрез радикална полимеризация, но този начин е с ограничена полза и обикновено изисква апаратура под високо налягане.

Приложение

Полиетиленът се използва при изработването на ленти и слоеве (опаковъчни или тиксо), съдове за съхранение (бутилки, буркани, кутии), полимерни тръби (канализация, дренаж, газоснабдяване), електроизолационни и топлоизолационни материали, бронепанели, корпуси на лодки и други.

Екология

Полиетиленът се произвежда от етилен, който, макар да може да се набавя от възобновяеми ресурси, се добива основно от петрол и природен газ.

Широкомащабната употреба на полиетилен създава трудности за управлението на отпадъците, ако не се рециклира. Полиетиленът не е лесно биоразградим и следователно се натрупва в сметищата. Изгарянето му може да доведе до отделянето на вредни газови емисии. Все пак, съществуват няколко вида бактерии и животни, които са способни да разграждат полиетилен.

Изделията от полиетилен са годни за преработване и последващо използване.

Популярно название

В България под найлон, особено за покривно фолио се подразбира полиетилен което е навлязло масово и е устойчиво название.

Източници

1. Geyer, Roland и др. Production, use, and fate of all plastics ever made // Science Advances 3 (7). 1 юли 2017. DOI:10.1126/sciadv.1700782. с. e1700782.
2. Plastics: The Facts // Plastics Europe. Архивиран от оригинала на 2018-02-04. Посетен на 29 август 2018.
3. von Pechmann, H. Ueber Diazomethan und Nitrosoacylamine // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft zu Berlin 31. 1898. с. 2640 – 2646.
4. Eug. Bamberger & Fred. Tschirner (1900) "Ueber die Einwirkung von Diazomethan auf β-Arylhydroxylamine"
5. Winnington history in the making // This is Cheshire. 23 август 2006. Посетен на 20 февруари 2014.
6. Poly – The All Star Plastic // Popular Mechanics. юли 1949. с. 125 – 129. Посетен на 20 февруари 2014.
7. Chapter 10. Review of Phillips Chromium Catalyst for Ethylene Polymerization // Handbook of Transition Metal Polymerization Catalysts. John Wiley & Sons, 2010. ISBN 978-0-470-13798-7. DOI:10.1002/9780470504437.ch10.
8. Kaiser, Wolfgang. Kunststoffchemie für Ingenieure von der Synthese bis zur Anwendung. 3. München, Hanser, 2011. ISBN 978-3-446-43047-1.
9. Whiteley, Kenneth S.; Heggs, T. Geoffrey; Koch, Hartmut; Mawer, Ralph L. and Immel, Wolfgang (2005) „Polyolefins“ in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim. DOI 10.1002/14356007.a21_487
10. How to Identify Plastic Materials Using The Burn Test // Boedeker Plastics. Посетен на 8 май 2012.
11. Chung, C. I. (2010)　Extrusion of Polymers: Theory and Practice. 2nd ed.. Hanser: Munich.