Полиэтилен низкой плотности¶

Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП, англ. Low-density polyethylene, LDPE) — это термопластичный полимер этилена, относящийся к классу полиолефинов. Характеризуется разветвлённой молекулярной структурой, относительно невысокой плотностью (0,915–0,935 г/см³) и кристалличностью (50–60 %), что обеспечивает ему гибкость, эластичность и прозрачность. Является одним из наиболее распространённых и технологичных видов пластмасс, широко используемым в производстве упаковки, плёнок, изоляции и бытовых изделий.

¶История

Полиэтилен низкой плотности был впервые получен в 1933 году британскими химиками Эриком Фосеттом и Реджинальдом Гибсоном на заводе Imperial Chemical Industries (ICI) в Уинсфорде (Англия). Синтез произошёл случайно в ходе экспериментов по изучению поведения этилена под высоким давлением. В 1935 году процесс был усовершенствован Майклом Перрином, а в 1939 году ICI запустила первое промышленное производство ПЭНП. В 1941 году полиэтилен низкой плотности начал применяться для изоляции радиолокационных кабелей в британских военных разработках, что стало первым значительным коммерческим использованием материала.

В СССР промышленное производство ПЭНП было освоено в 1950-х годах. Первая крупная установка по выпуску полиэтилена низкой плотности была запущена на Новокуйбышевском нефтехимическом комбинате (ныне «Новокуйбышевская нефтехимическая компания»). В 1960–1970-х годах технология распространилась по всему миру, и ПЭНП стал одним из самых массовых полимеров.

¶Свойства

¶Физические и химические свойства

ПЭНП представляет собой твёрдый, полупрозрачный или прозрачный материал белого цвета (в тонком слое). Его основные физико-механические характеристики:

• Плотность: 0,915–0,935 г/см³ (низкая по сравнению с полиэтиленом высокой плотности — ПЭВП).
• Температура плавления: 105–115 °C.
• Температура стеклования: около −125 °C.
• Предел прочности при растяжении: 8–25 МПа.
• Относительное удлинение при разрыве: 300–600 %.
• Модуль упругости: 200–400 МПа.
• Водопоглощение: менее 0,01 % за 24 часа.

Химическая стойкость ПЭНП высока к большинству кислот, щелочей, солей и спиртов. Однако он подвержен воздействию сильных окислителей (например, концентрированной серной кислоты) и органических растворителей (бензол, толуол, керосин) при повышенных температурах. Полимер устойчив к ультрафиолетовому излучению в ограниченной степени — при длительном воздействии солнечного света происходит фотоокислительная деструкция, что приводит к потере эластичности и растрескиванию.

¶Электрические свойства

ПЭНП является отличным диэлектриком. Его электрическая прочность составляет 20–40 кВ/мм, удельное объёмное сопротивление — 10¹⁵–10¹⁷ Ом·см. Это делает его пригодным для изоляции электрических кабелей и проводов.

¶Способы получения

Основной промышленный метод синтеза ПЭНП — радикальная полимеризация этилена под высоким давлением (от 100 до 300 МПа) при температуре 150–300 °C в присутствии инициаторов (кислорода, пероксидов или азосоединений). Процесс осуществляется в трубчатых или автоклавных реакторах непрерывного действия.

В трубчатых реакторах (наиболее распространённый тип) этилен с инициатором подаётся в длинную трубу с внутренним диаметром 25–50 мм и длиной до 1000 м. Полимеризация протекает в турбулентном потоке при высокой скорости. В автоклавных реакторах процесс идёт в объёме с перемешиванием. Выход полимера составляет 15–30 % от массы загруженного этилена; непрореагировавший этилен возвращается в цикл.

В отличие от полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), который получают при низком давлении с использованием катализаторов Циглера — Натта, ПЭНП образуется с высокой степенью разветвления (до 20–30 коротких боковых цепей на 1000 атомов углерода). Это объясняется механизмом радикальной полимеризации, при котором возможны реакции передачи цепи и внутримолекулярной перегруппировки.

¶Классификация и виды

ПЭНП классифицируют по нескольким признакам:

• По плотности:
• ПЭНП (LDPE) — плотность 0,915–0,935 г/см³.
• Линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП, LLDPE) — плотность 0,915–0,925 г/см³, получаемый сополимеризацией этилена с альфа-олефинами (бутен-1, гексен-1, октен-1). Отличается более высокой механической прочностью и меньшей разветвлённостью.

• По молекулярной массе:
• Стандартный ПЭНП (MFR 0,3–20 г/10 мин).
• Высокомолекулярный ПЭНП (HMW-LDPE) — с повышенной вязкостью расплава.

• По назначению:
• Плёночные марки (для производства плёнок).
• Литьевые марки (для литья под давлением).
• Экструзионные марки (для труб, профилей, изоляции).

¶Применение

ПЭНП является одним из самых универсальных полимеров. Основные области использования:

¶Упаковка

• Полиэтиленовая плёнка (пищевая, термоусадочная, стретч-плёнка).
• Пакеты (магазинные, мусорные, для заморозки).
• Плёнка для сельского хозяйства (парниковая, мульчирующая).
• Упаковка для медикаментов и бытовой химии.

¶Электротехника

• Изоляция силовых и контрольных кабелей (в том числе для низковольтных сетей).
• Оболочка для проводов и кабелей связи.
• Изоляция радиочастотных кабелей.

¶Строительство

• Гидроизоляционные мембраны.
• Пароизоляционные плёнки.
• Трубы для холодного водоснабжения и канализации (в комбинации с другими материалами).

¶Промышленность

• Литьевые изделия (крышки, пробки, контейнеры, игрушки).
• Плёнка для технических целей (защитная, упаковочная).
• Покрытия для бумаги и картона (ламинирование).

¶Медицина

• Упаковка для стерильных изделий.
• Одноразовые шприцы, катетеры, контейнеры для биоматериалов.

¶Переработка и вторичное использование

ПЭНП хорошо перерабатывается всеми основными методами термопластичной переработки: экструзией, литьём под давлением, выдувным формованием, ротационным формованием. Температура переработки обычно составляет 160–220 °C.

Вторичная переработка ПЭНП (рециклинг) широко распространена. Отходы ПЭНП (плёнки, пакеты, бракованные изделия) собираются, очищаются, измельчаются и гранулируются. Вторичный ПЭНП используется для производства строительных плёнок, мусорных пакетов, поддонов, труб и других изделий, не требующих высокой чистоты и прозрачности. В России система сбора и переработки ПЭНП развита неравномерно: в крупных городах действуют пункты приёма полимеров, однако значительная часть отходов попадает на полигоны.

¶Экологические аспекты

ПЭНП, как и другие полимеры, не подвергается биологическому разложению в естественных условиях. При попадании в окружающую среду он распадается на микрочастицы (микропластик) под действием абразивного износа, ультрафиолета и температуры. Время полного разложения в почве оценивается в 100–400 лет.

Сжигание ПЭНП при недостаточной температуре (ниже 800 °C) может приводить к выделению токсичных продуктов (оксиды углерода, альдегиды). Однако при контролируемом сжигании на мусоросжигательных заводах (с температурой 1000–1200 °C) он разлагается до углекислого газа и воды.

Для снижения экологического ущерба разрабатываются биоразлагаемые модификации ПЭНП (с добавлением крахмала, оксодеградантов), а также технологии химического рециклинга (пиролиз, гидролиз), позволяющие получать из отходов мономеры или синтез-газ.

¶Интересные факты

• Первое промышленное применение ПЭНП в 1941 году для изоляции кабелей радиолокаторов позволило британским ВВС существенно повысить эффективность систем ПВО во время Второй мировой войны.
• ПЭНП обладает самой низкой плотностью среди всех крупнотоннажных полимеров — он легче воды (0,92 г/см³ против 1,0 г/см³), поэтому пакеты из него не тонут.
• В 1970-х годах из ПЭНП начали массово производить полиэтиленовые пакеты, которые быстро вытеснили бумажные и тканевые сумки в розничной торговле.

¶Источники

• Энциклопедия полимеров. Том 2. — М.: Химия, 1974.
• Крыжановский В. К., Бурлов В. В., Паниматченко А. Д. Технические свойства полимерных материалов. — СПб.: Профессия, 2003.
• Шур А. М. Высокомолекулярные соединения. — М.: Высшая школа, 1981.
• ГОСТ 16337-77 «Полиэтилен низкой плотности. Технические условия».
• Handbook of Plastics, Elastomers, and Composites / ed. by C. A. Harper. — McGraw-Hill, 2002.