Контрольная работа: Полиэтилен высокой прочности

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

Национальный исследовательский технологический университет

«МИСиС»

Новотроицкий филиал

Кафедра математики и естествознания

Контрольная работа

по дисциплине: «Химия высокомолекулярных соединений»

на тему:

Полиэтилен высокой прочности

Новотроицк, 2022 г.

Введение

Полиэтилен - термопластичный полимер этилена. Является органическим соединением. Самая распространенная в мире пластмасса.

Представляет собой воскообразную массу белого цвета (тонкие листы прозрачны и бесцветны). Химически- и морозостоек, изолятор, не чувствителен к удару (амортизатор), при нагревании размягчается (80-120°С), при охлаждении застывает, адгезия (прилипание) - чрезвычайно низкая. Иногда в народном сознании отождествляется с целлофаном - похожим материалом растительного происхождения.

Полиэтилен высокой плотности (низкого давления) имеет общепринятое сокращение ПНД или в иностранной аббревиатуре HDPE (High Density Polyethylene), а полиэтилен низкой плотности (высокого давления) соответственно ПВД или LDPE (Low Density Polyethylene).

1. Химические и физические свойства полиэтилена

Полиэтилен [-СН₂-СН₂-]n существует в двух модификациях, отличающихся по структуре и по свойствам. Обе модификации получаются из этилена СН₂ = СН₂. В одной из форм мономеры связаны в линейные цепи со степенью полимеризации (СП) обычно 5000 и более, а 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 150⁰С) и давлениях (до 20 атм.).

Полиэтилен - термопластичный полимер, непрозрачен в толстом слое, кристаллизуется в диапазоне температур от минус 60°С. Он смачивается водой, при комнатной температуре не растворяется в органических растворителях, а при температуре выше 80°С сначала набухает, а затем растворяется в ароматических углеводородах и их галогенопроизводных. ПЭ устойчив к действию водных растворов солей, кислот, щелочей, но при температурах выше 60°С серная и азотная кислоты быстро его разрушают. Кратковременная обработка ПЭ окислителем (например, хромовой смесью) приводит к окислению поверхности и смачиванию ее водой, полярными жидкостями и клеями. В этом случае изделия из ПЭ можно склеивать.

По своей структуре и свойствам ПЭНП, ПЭВП и ЛПЭНП отличаются, и применяются для различных задач. ПЭНП более мягкий, а ПЭВП и ЛПЭНП имеют жесткую структуру. Также отличия проявляются в плотности, температуре плавления, твердости, и прочности. В таблице 1 представлена сравнительная характеристика ПЭНП и ПЭВП.

Основной причиной, вызывающей различия в свойствах ПЭ, является разветвленность макромолекул: чем больше разветвлений в цепи, тем выше эластичность и меньше кристалличность полимера. Разветвления затрудняют более плотную упаковку макромолекул и препятствуют достижению степени кристалличности 100%.

Таблица 1

Сравнительная характеристика ПЭНП и ПЭВП

Наряду с кристаллической фазой всегда имеется аморфная, содержащая недостаточно упорядоченные участки макромолекул. Соотношение этих фаз зависит от способа получения ПЭ и условии его кристаллизации. Оно определяет и свойства полимера. Пленки из ПЭНП в 5 - 10 раз более проницаемы, чем пленки из ПЭВП.

Механические показатели ПЭ возрастают с увеличением плотности (степени кристалличности) и молекулярной массы. В виде тонких пленок ПЭ (особенно полимер низкой плотности) обладает большей гибкостью и некоторой прозрачностью, а в виде листов приобретает большую жесткость и непрозрачность. Полиэтилен устойчив к ударным нагрузкам. Среди наиболее важных свойств полиэтилена можно отметить морозостойкость. Они могут эксплуатироваться при температурах от -70°С до 60°С (ПЭНП) и до 100°С (ПЭВП), некоторые марки сохраняют свои ценные свойства при температурах ниже -120°С. Существенным недостатком полиэтилена является его быстрое старение, которое останавливают с помощью специальных добавок - противостарителей (фенолы, амины, газовая сажа). Показатель текучести расплава ПТР у ПЭНП выше, чем ПЭВП, поэтому он перерабатывается в изделия легче. По электрическим свойствам ПЭ, как неполярный полимер, относится к высококачественным высокочастотным диэлектрикам, диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь мало изменяются с изменением частоты электрического поля, температуры в пределах от минус 80 °С до 100 °С и влажности. Однако остатки катализатора в ПЭВП повышают тангенс угла диэлектрических потерь, особенно при изменении температуры, что приводит к некоторому ухудшению изоляционных свойств. Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) производится путем полимеризации этилена при низком от 1 до 50 бар или среднем давлении от 30 до 40 атмосфер и температуре от 85° до 180 °С при помощи катализаторов Циглера-Натта (оксид хрома или оксид алюминия) и органического растворителя (анионная полимеризация).

2. Получение полиэтилена высокой плотности

Полиэтилен высокой плотности (НDPE) - ПЭ с линейной макромолекулой и относительно высокой плотностью (0,960 г/смі). 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.

Производство ПЭВП предназначено для изготовления продукции, используемой для производства:

- полиэтиленовых труб различного назначения, в т.ч. ПЭ 100 и ПЭ 80;

- сверхтонкой, прочной пленки и других пленок высокой плотности;

- баков для диатермического масла, бензобаков, крупных емкостей и контейнеров;

- изделий, получаемых литьем под давлением;

- кабельной изоляции;

- выдувных изделий;

- полиэтиленового волокна.

Процесс «HOSTALEN» Фирмы «BASEL», Германия

Двухреакторный (бимодальный) суспензионный процесс в тяжелом растворителе (гексане).

Тип реактора - автоклав с мешалкой, с уплотнением в паровой фазе. Для ведения процесса используется один тип катализатора - Циглера-Натта - при его введении только в первый реактор и один тип сомономера - бутен-1. В ряде случаев используется пропилен для литьевых марок.

Параметры процесса: 76-85°С при давлении менее 10 атм., время контакта катализатора 1-3 часа, степень конверсии за 1 цикл 99,5%, что позволяет исключить рецикл этилена.

Короткое время контакта с катализатором, хорошие условия массообмена в реакторе, наличие одного типа катализатора и сомономера обеспечивают хорошие условия перехода с марки на марку (1-3 часа). Рекламируемая фирмой плотность получаемого продукта составляет 0,938 - 0,970 г/см³. Рекомендуемый марочный ассортимент ПЭВП и ПЭСП соответствует самым высоким требованиям современного рынка.

Учитывая самый большой, более 20 лет, опыт в эксплуатации бимодальных процессов в мире и наличие полиэтилена фирмы «Hostalen» в течение длительного времени на Российском рынке, следует отметить большой авторитет ПЭВП марок «Hostalen» у наших потребителей (Горьковского автозавода при производстве бензобаков, заводов, производящих напорные и газовые трубы).

Трубные марки с процесса «Hostalen» выпускаются с полной рецептурой добавок, окрашенные в черный, голубой, желтый, оранжевый и коричневый цвета (в зависимости от класса ПЭ-80, ПЭ-100 и области применения), что более соответствует требованиям Европейского и Мирового рынка (кроме США и Японии) и учитывает имеющееся оборудование трубных производств. Высоким авторитетом пользуются также высокоударопрочные литьевые марки Хосталена.

Положительным моментом процесса «Hostalen» является перспектива его совершенствования, которая базируется на последних разработках фирмы, позволяющих увеличить выход полимера с 50 кг до 150 кг на грамм катализатора. Научно-исследовательскими достижениями фирмы, доложенными на семинаре в ОАО «Пластполимер» в июне 2000 года, явилась разработка катализатора нового поколения с возможностью увеличения выхода полимера до 900 кг на грамм катализатора.

Основные недостатки процесса «Hostalen», с точки зрения требований современного рынка:

- марочный ассортимент не полностью обеспечивает требования рынка в связи с ограничением диапазона плотности (0.938 - 0.970 г/литр) полимера, что вообще исключает линейный полиэтилен низкой плотности. Это обстоятельство приведет в будущем к закупке ЛПЭНП у Западных фирм для собственного вспомогательного производства мешков и оболочной пленки для крепления мешков на палетах в объеме около 1000 т в год, необходимых для упаковки товарного полиэтилена;

- использование тяжелого растворителя - гексана - вызывает необходимость установки значительного количества дополнительного оборудования - центрифуги отстойного типа, сушилки, установки регенерации растворителя.

Характеристика сырья и производимой продукции

Производимая продукция - это полиэтилен марки 276.

Полиэтилен низкого давления - порошкообразный представляет собой порошок белого цвета (твердый высокомолекулярный продукт), полученный в газовой фазе с применением хроморганических соединений в качестве катализатора.

Химическая формула - (-СН₂-)n, где n - средняя степень полимеризации.

Он обладает высокими механическими свойствами.

Плотность полиэтилена является мерой кристалличности, а также степени разветвленности макромолекулы полиэтилена.

Повышение плотности вызывает повышение сопротивления разрыву, твердости, химической стойкости, температуры размягчения и предела текучести, но приводит к понижению вязкости при изгибе и сопротивления растеканию под напряжением.

Свойства полиэтилена марки 276 приведены в таблице 2.

Таблица 2

Свойства полиэтилена марки 276

В готовые изделия порошкообразный полиэтилен перерабатывается методом экструзии, выдувания и литья под давлением.

Характеристика основного сырья приведена в таблице 3.

Таблица 3

Характеристика основного сырья