Polyeteeni

Polyeteeni

Kansainvälinen kierrätysmerkki korkeatiheyksiselle polyeteenille
Kansainvälinen kierrätysmerkki matalatiheyksiselle polyeteenille
Kenraali
Lyhenteet PE, PE
Chem. kaava ( C2H4 ) n _ _
Luokitus
Reg. CAS-numero 9002-88-4
Reg. EINECS-numero 618-339-3
CHEBI 53227
Tiedot perustuvat standardiolosuhteisiin (25 °C, 100 kPa), ellei toisin mainita.
 Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa

Polyeteeni  on etyleenin termoplastinen polymeeri , joka kuuluu polyolefiinien luokkaan [1] . Se on orgaaninen yhdiste ja siinä on pitkät molekyylit ... -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -..., jossa "-" tarkoittaa kovalenttisia sidoksia hiiliatomien välillä.

Se on valkoista massaa (ohuet levyt ovat läpinäkyviä ja värittömiä). Kemiallisesti kestävä, dielektrinen , ei herkkä iskuille ( iskunvaimennin ), pehmenee kuumennettaessa (80-120 °C), tarttuvuus (tarttuminen) on erittäin alhainen. Kutsutaan usein väärin sellofaaniksi [2] .

Historia

Polyeteenin keksijä on saksalainen insinööri Hans von Pechmann, joka sai ensimmäisen kerran vahingossa tämän polymeerin insinöörien Eric Fawcettin ja Reginald Gibsonin ansiosta. Aluksi polyeteeniä käytettiin puhelinkaapelin valmistuksessa ja vasta 1950-luvulla sitä alettiin käyttää elintarviketeollisuudessa pakkauksena [3] .

Toisen, tieteellisissä piireissä hyväksytyn version mukaan polyeteenin kehitystä voidaan tarkastella Imperial Chemical Industries -yrityksen työntekijöiden työstä teollisen tuotantotekniikan luomiseksi, joka on tehty 1920-luvulta lähtien. Luomisen aktiivinen vaihe alkoi synteesiinstallaation asentamisen jälkeen, jonka kanssa Fawcett ja Gibson työskentelivät vuonna 1931. He saivat pienen molekyylipainon parafiinin kaltaisen tuotteen, jossa oli polyeteenin kaltainen monomeeriyksikkö. Fossetin ja Gibsonin työ jatkui maaliskuuhun 1933 asti, jolloin päätettiin modernisoida korkeapainelaitteisto parempien tulosten ja turvallisuuden parantamiseksi. Modernisoinnin jälkeen kokeita jatkettiin M. V. Perrinin ja J. G. Pattonin kanssa ja ne huipentuivat vuonna 1936 patenttiin matalatiheyksiselle polyeteenille (LDPE). LDPE:n kaupallinen tuotanto aloitettiin vuonna 1938 [4] .

HDPE:n (High Density Polyeteenin) historia on kehittynyt 1920-luvulta lähtien, jolloin Karl Ziegler aloitti työskentelyn katalyyttien luomiseksi ionikoordinaatiopolymerointiin . Vuonna 1954 tekniikka hallittiin yleisesti ja patentti saatiin. Myöhemmin aloitettiin HDPE:n teollinen tuotanto [4] .

Nimet

Erityyppiset polyeteenit luokitellaan yleensä tiheyden mukaan [5] . Tästä huolimatta homopolymeereillä ja kopolymeereillä on monia yleisiä nimiä , joista osa on lueteltu alla.

Tämä osio ei kata erilaisten kopolymeerien, ionomeerien ja klooratun polyeteenin nimiä.

Molekyylirakenne

Korkeapainepolyeteenimakromolekyylit ( n ≅ 1000) sisältävät sivuhiilivetyketjuja C1 - C4 , matalapainepolyeteenimolekyylit ovat käytännössä haaroittumattomia, siinä on suurempi osuus kidefaasista, joten tämä materiaali on tiheämpää; keskitiheyksiset polyeteenimolekyylit ovat väliasemassa. Suuri määrä sivuhaaroja selittää kiteisen faasin pienemmän sisällön ja vastaavasti LDPE:n pienemmän tiheyden verrattuna HDPE:hen ja PSD:hen.

Indikaattorit, jotka kuvaavat erityyppisten polyeteenien polymeeriketjun rakennetta
Indeksi LDPE PSD HDPE
CH3-ryhmien kokonaismäärä 1000 hiiliatomia kohden: 21.6 5 1.5
Pääteryhmien CH3 lukumäärä 1000 hiiliatomia kohti: 4.5 2 1.5
Etyyli oksat 14.4 yksi yksi
Kaksoissidosten kokonaismäärä 1000 hiiltä kohti 0,4-0,6 0,4-0,7 1,1-1,5
mukaan lukien:
* vinyylikaksoissidokset (R-CH=CH2 ) , % 17 43 87
* vinylideenikaksoissidokset, % 71 32 7
* trans-vinyleenikaksoissidokset (R-CH=CH-R'), % 12 25 6
Kiteisyysaste, % 50-65 75-85 80-90
Tiheys, g/cm³ 0,9-0,93 0,93-0,94 0,94-0,96

Matalapainepolyeteeni

HDPE:n fysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet 20 °C:ssa
Parametri Merkitys
Tiheys, g/cm³ 0,94-0,96
Murtojännitys, kgf/cm²
* jännityksessä 100-170
* staattiseen taivutukseen 120-170
* leikattaessa 140-170
Murtovenymä, % 500-600
Taivutuskimmomoduuli, kgf/cm² 1200-2600
Vetolujuus, kgf/cm² 90-160
Suhteellinen venymä virtauksen alussa, % 15-20
Brinell-kovuus , kgf /mm² 1,4-2,5

Kun näytteen vetolujuus kasvaa, murtojännitys ja murtovenymä pienenevät ja vetolujuus kasvaa.

Lämpötilan noustessa polyeteenin murtojännitys jännityksen, puristuksen, taivutuksen ja leikkauksen aikana vähenee. ja murtovenymä kasvaa tiettyyn rajaan, jonka jälkeen se alkaa myös pienentyä

Murtojännityksen muutos puristuksessa, staattisessa taivutuksessa ja leikkauksessa lämpötilan funktiona (määritetty jännitysnopeudella 500 mm/min ja näytteen paksuudella 2 mm)
Murtojännitys, kgf/cm² Lämpötila, °С
kaksikymmentä 40 60 80
puristuksen alla 126 77 40 —
staattisessa mutkassa 118 88 60 —
leikkauksessa 169 131 92 53
LDPE:n taivutuskimmomoduulin riippuvuus lämpötilasta
Lämpötila, °С −120 -100 −80 −60 −40 −20 0 kaksikymmentä viisikymmentä
Taivutuskimmomoduuli, kgf/cm² 28100 26700 23200 19200 13600 7400 3050 2200 970

Polyeteenituotteiden ominaisuudet riippuvat merkittävästi niiden valmistustavoista (jäähdytyksen nopeus ja tasaisuus) ja käyttöolosuhteista (lämpötila, paine, kesto, kuormitus jne.).

Erittäin korkean molekyylipainon polyeteeni

Suhteellisen uusi ja lupaava polyeteenityyppi on ultrakorkean molekyylipainon polyeteeni (UHMW PE), jonka tuotteilla on useita merkittäviä ominaisuuksia: korkea lujuus ja iskunkestävyys laajalla lämpötila-alueella (-200 °C - +100 °C). ), alhainen kitkakerroin, korkea kemikaalien ja kulutuskestävyys, ja niitä käytetään sotilasasioissa (luotiliivien, kypärän valmistukseen), koneenrakennuksessa, kemianteollisuudessa jne.

Kemialliset ominaisuudet

Se palaa sinertävällä liekillä, heikolla valolla [8] , samalla kun se tuottaa parafiinin hajua [9] , eli samaa, joka tulee palavasta kynttilästä .

Kestää vettä, ei reagoi minkään pitoisuuden alkalien , neutraalien, happamien ja emäksisten suolojen, orgaanisten ja epäorgaanisten happojen liuosten , jopa väkevän rikkihapon kanssa , mutta tuhoutuu 50-prosenttisen typpihapon vaikutuksesta huoneenlämpötilassa ja alle nestemäisen ja kaasumaisen kloorin ja fluorin vaikutus . Polyeteenin reaktio halogeenien kanssa tuottaa monia kansantaloudelle hyödyllisiä tuotteita, joten tätä reaktiota voidaan käyttää polyeteenijätteen käsittelyyn. Toisin kuin tyydyttymättömät hiilivedyt , se ei värjää bromivettä ja kaliumpermanganaattiliuosta [8] .

Huoneenlämpötilassa se on liukenematon eikä turpoa mihinkään tunnetuista liuottimista. Korkeissa lämpötiloissa (80 °C) liukenee sykloheksaaniin ja hiilitetrakloridiin . Korkeassa paineessa se voidaan liuottaa 180 °C tulistettuun veteen .

Ajan myötä se tuhoutuu muodostamalla poikittaisia ​​ketjujen välisiä sidoksia, mikä johtaa haurauden lisääntymiseen lujuuden lievän lisääntymisen taustalla. Ilmassa oleva stabiloimaton polyeteeni hajoaa termisesti hapettavasti ( terminen vanheneminen). Polyeteenin lämpövanheneminen etenee radikaalimekanismilla, johon liittyy aldehydien , ketonien , vetyperoksidin jne. vapautumista.

Haetaan

Käsittelyä varten se on 2-5 mm rakeiden muodossa. On olemassa korkea-, keski- ja matalapainepolyeteeniä, ne eroavat makromolekyylien rakenteesta ja ominaisuuksista. Polyeteeni saadaan polymeroimalla eteeniä: [10]

PVD

Korkeapainepolyeteeni (LDPE) muodostuu seuraavissa olosuhteissa:

Tuote saadaan autoklaavi- tai putkireaktorissa. Reaktio etenee radikaalin mekanismin avulla . Tällä menetelmällä saadun polyeteenin painokeskimääräinen molekyylipaino on 80 000–500 000 ja kiteisyysaste 50–60 % . Nestemäinen tuote rakeistetaan tämän jälkeen . Reaktio tapahtuu sulatteessa.

PSD

Keskipainepolyeteeni (MPD) muodostuu seuraavissa olosuhteissa:

Tuote saostuu liuoksesta hiutaleina. Tällä menetelmällä saadun polyeteenin painokeskimääräinen molekyylipaino on 300 000–400 000 ja kiteisyysaste 80–90 %.

PND

Matalapainepolyeteeni (HDPE) muodostuu seuraavissa olosuhteissa:

Polymerointi etenee suspensiossa ioni-koordinaatiomekanismin mukaisesti. Tällä menetelmällä saadun polyeteenin painokeskimääräinen molekyylipaino on 80 000–300 000 ja kiteisyysaste 75–85 %.

On pidettävä mielessä, että nimet "matalapainepolyeteeni", "keskipaineinen", "korkea tiheys" jne. ovat puhtaasti retorisia. Siten toisella ja kolmannella menetelmällä saadulla polyeteenillä on sama tiheys ja molekyylipaino. Polymerointiprosessin paine ns. matalalla ja keskipaineella on joissain tapauksissa sama.

Muita tapoja saada

On olemassa muita eteenin polymerointimenetelmiä, esimerkiksi radioaktiivisen säteilyn vaikutuksesta, mutta ne eivät ole saaneet teollista jakelua.

Muutokset

Eteenipolymeerien valikoimaa voidaan laajentaa merkittävästi hankkimalla sen kopolymeerejä muiden monomeerien kanssa sekä saamalla koostumuksia yhdistämällä yhden tyyppistä polyeteeniä toisentyyppiseen polyeteeniin, polypropeeniin , polyisobuteeniin, kumeihin jne.

Polyeteenin ja muiden polyolefiinien pohjalta voidaan saada lukuisia modifikaatioita - oksaskopolymeerejä, joissa on aktiivisia ryhmiä, jotka parantavat polyolefiinien tarttumista metalleihin, värjäämistä, vähentävät sen syttyvyyttä jne.

Niin kutsutun "silloitetun" polyeteenin PE-S (PE-X) modifikaatiot erottuvat toisistaan ​​. Silloittamisen ydin on, että ketjussa olevat molekyylit eivät liity vain sarjaan, vaan muodostuu myös sivusidoksia, jotka yhdistävät ketjut toisiinsa, tästä johtuen tuotteiden fysikaaliset ja vähäisemmässä määrin kemialliset ominaisuudet. muuttuvat aika voimakkaasti.

Silloitettua polyeteeniä on 4 tyyppiä (tuotantomenetelmän mukaan): peroksidi, silaani, säteily ja typpi. PEX-b on yleisin, koska se on nopein ja halvin valmistaa.

Polyeteenin säteilykäsittely tietyillä annoksilla johtaa muodon muistin ilmenemiseen ja lisää lujuutta [11] .

Sovellus

Pienikokoista polyeteeniä, niin kutsuttua " ultrakorkean molekyylipainon polyeteeniä ", jolle on ominaista pienimolekyylipainoisten lisäaineiden puuttuminen, korkea lineaarisuus ja molekyylipaino, käytetään lääketieteellisiin tarkoituksiin rustokudoksen korvikkeena. nivelet. Huolimatta siitä, että se on fysikaalisten ominaisuuksiensa suhteen suotuisa verrattuna HDPE:hen ja LDPE:hen, sitä käytetään harvoin sen käsittelyn vaikeuden vuoksi, koska sillä on alhainen MFR ja sitä käsitellään vain puristamalla.

Muovipussien aiheuttaman saastumisen torjumiseksi toteutetaan erilaisia ​​toimenpiteitä, ja noin 40 maata on kieltänyt tai rajoittanut muovikassien myyntiä ja/tai tuotantoa.

Hävittäminen

Kierrätys

Polyeteenituotteet ovat kierrätettäviä ja uudelleenkäytettäviä. Polyeteeniä (paitsi ultrakorkeaa molekyylipainoa lukuun ottamatta) käsitellään kaikilla muoveille tunnetuilla menetelmillä, kuten suulakepuristamalla , puhallusekstruusiolla, ruiskuvalulla , pneumaattisella muovauksella . Polyeteenin suulakepuristus on mahdollista laitteissa, joihin on asennettu "yleinen" mato.

Polttava

Kun polyeteeniä kuumennetaan ilmassa, ilmakehään voi vapautua haihtuvia termisesti hapettavan hajoamistuotteita. Polyeteenin lämpöhajoamisessa ilman tai hapen läsnä ollessa muodostuu enemmän matalalla kiehuvia yhdisteitä kuin lämpöhajoamisessa tyhjiössä tai inertissä kaasukehässä. Polyeteenin rakennemuutosten tutkiminen hajoamisen aikana ilmassa, happiatmosfäärissä tai O 2 :n ja O 3 :n seoksessa 150–210 °C:ssa osoitti, että muodostuu hydroksyyli-, peroksidi-, karbonyyli- ja eetteriryhmiä. Kun polyeteeniä kuumennetaan 430 °C:seen, tapahtuu erittäin syvä hajoaminen parafiineiksi (65–67 %) ja olefiineiksi (16–19 %). Lisäksi hajoamistuotteista löytyy: hiilimonoksidi (enintään 12 %), vety (jopa 10 %), hiilidioksidi (jopa 1,6 %). Olefiineista suurin osa on yleensä eteeniä. Hiilimonoksidin läsnäolo osoittaa hapen läsnäolon polyeteenissä, toisin sanoen karbonyyliryhmien läsnäoloa.

Biologinen hajoaminen

Homeet Penicillium simplicissimum pystyvät osittain hyödyntämään typpihapolla esikäsiteltyä polyeteeniä kolmessa kuukaudessa . Nocardia asteroides - bakteerit hajottavat polyeteenin suhteellisen nopeasti . Eräät eteläkoskiperhon ( Plodia interpunctella ) suolistossa elävät bakteerit pystyvät hajottamaan 100 mg polyeteeniä kahdeksassa viikossa. Tulimehiläisen ( Galleria mellonella ) toukat pystyvät hyödyntämään polyeteeniä vieläkin nopeammin [20] [21] .

Polyeteenin hajoaminen johtuu hiiliatomien välisten sidosten happihapettumisesta. Tässä tapauksessa ensin muodostuu alkoholiryhmät, sitten karbonyyli- ja karboksyyliryhmät. Syntyneet rasvahapot siirtyvät β-hapetukseen ja hajoavat asetyyli-CoA:ksi.

Biohajoavat entsyymit

Kyky hapettaa polyeteeniä on osoitettu alkaanimono-oksigenaaseille, lakkaaseille ja mangaaniperoksidaaseille. [22]

Alkaanimono-oksigenaasit (AlkB) ovat alkaaneja biohajoavia entsyymejä. Saatavilla mikro-organismeissa, jotka pystyvät käyttämään öljytuotteita energian ja hiilen lähteenä. Suorita seuraava reaktio:

Alkaani + О2 + 2Н + + 2е → alkaani-1-oli + Н2О [23]

Lakkaasit ovat entsyymejä, jotka osallistuvat ligniinin biohajoamiseen. Fenoliyhdisteet hapetetaan muodostaen aktiivisia fenoliradikaaleja. Fenoliradikaalit voivat sitten hapettaa muita yhdisteitä toimien välittäjänä. Välittäjien läsnäolon vuoksi lakkaaseilla on alhainen spesifisyys ja ne voivat hapettaa erilaisia ​​yhdisteitä, mukaan lukien polyeteenin ja mahdollisesti muun tyyppiset muovit. [24]

Mangaaniperoksidaasit osallistuvat myös ligniinin biohajoamiseen. Ne hapettavat Mn +2 :n Mn +3 :ksi . Mn 3+ -kationit eivät ole stabiileja vesiliuoksessa, joten muodostuu mangaanikationien ja karboksyylihappojen kelaattikomplekseja, kuten oksalaattia, malonaattia, malaattia ja laktaattia. Nämä kompleksit voivat hapettaa erilaisia ​​yhdisteitä, joista tulee sitten itse vahvoja hapettimia. Erikoisuutensa vuoksi mangaaniperoksidaaseilla on erittäin alhainen spesifisyys, minkä ansiosta ne voivat hapettaa myös polyeteeniä. [25]

Katso myös

Huomautus

  1. ↑ 1 2 3 4 Polymeerien kuvaus ja laatu - Polyeteeni . Haettu 21. huhtikuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 25. maaliskuuta 2015.
  2. ↑ Pakkausten kuningas: Kuinka sellofaani syntyi . Haettu 21. huhtikuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 19. huhtikuuta 2015.
  3. ↑ Polyeteenin historia: muovipussin odottamaton synty . Käyttöpäivä: 25. joulukuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 3. heinäkuuta 2009.
  4. ↑ 1 2 J. White, D. Choi.// Polyeteeni, polypropeeni ja muut polyolefiinit. - Pietari: Ammatti, 2007.
  5. ↑ Vasile C., Pascu M. Käytännön opas polyeteeniin. - Shawbury: Smithers Rapra Press, 2008.
  6. ↑ 1 2 3 4 5 Kuleznev V. N. (toim.), Gusev V. K. (toim.) // Muovinkäsittelytekniikan perusteet. — M.: Kemia, 2004.
  7. ↑ Arkistoitu kopio . Haettu 8. heinäkuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 9. heinäkuuta 2021.
  8. ↑ 1 2 Tsvetkov L. A. § ​​10. Suurimolekyylisten yhdisteiden käsite // Orgaaninen kemia. Oppikirja luokalle 10. – 20. painos - M . : Koulutus , 1981. - S. 52-57. — 1 210 000 kappaletta.
  9. ↑ Shulpin G. Nämä erilaiset polymeerit // Tiede ja elämä . - 1982. - Nro 3 . - S. 80-83 .
  10. ↑ Knunyats L. I. Chemical Encyclopedia. Osa 4. / toim. Zefirova N. S. - M. : Great Russian Encyclopedia, 1995. - S. 639. - ISBN 5-85270-008-8 .
  11. ↑ Cheshuev V. I., Gladukh E. V., Saiko I. V. et al. Teollinen lääketekniikka / 2 osassa, osa 1 // Vinnitsa, Nova Kniga, 2014. - 696 s., ill. ISBN 978-966-382-540-3 . S. 114.
  12. ↑ Puristus ja kampi: Valmistettu Venäjällä . Käyttöpäivä: 26. joulukuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 28. joulukuuta 2009.
  13. ↑ XXI-luvun panssari (pääsemätön linkki) . Käyttöpäivä: 26. joulukuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 27. kesäkuuta 2009. 
  14. ↑ Total Petrochemicals loi polyeteenistä valmistetun rotaatiomuovausveneen . Haettu 26. joulukuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 15. joulukuuta 2013.
  15. ↑ HDPE-geokalvo . Haettu 3. heinäkuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 31. lokakuuta 2010.
  16. ↑ Uutta elämässä, tieteessä, tekniikassa // M .: Knowledge , 1970. S. 14.
  17. ↑ Pogosov A. Yu. , Dubkovsky V. A. Ionisoiva säteily: radioekologia, fysiikka, tekniikka, suojelu // Odessa: Tiede ja teknologia, 2013. - 804 s., ill. ISBN 978-966-1552-27-1 . s. 469, 563.
  18. ↑ Tutkijat ovat ehdottaneet astronautien suojaamista säteilyltä polyeteenikypärällä . Arkistokopio 18. tammikuuta 2021 Wayback Machinessa // Artikkeli 15.8.2019 " TASS -Science ".
  19. ↑ NEUTROSTOP-suojauslohkot Arkistoitu 21. tammikuuta 2022 Wayback Machinessa // Artikkeli kopos.ru- verkkosivustolla .
  20. ↑ Rusakova E. Toukat ovat sopeutuneet polyeteenin nopeaan sulatukseen . N+1 Online-versio (25. huhtikuuta 2017). Haettu 25. huhtikuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 26. huhtikuuta 2017.
  21. ↑ Bombelli P., Howe CJ, Bertocchini F. Polyeteenin biologinen hajoaminen vahakoin Galleria mellonellan toukkien toimesta  // Current Biology. — Voi. 27.-P. R283-R293. - doi : 10.1016/j.cub.2017.02.060 .
  22. ↑ Victor Gambarini, Olga Pantos, Joanne M. Kingsbury, Louise Weaver, Kim M. Handley. Muoveja hajottavien mikro-organismien fylogeneettinen jakautuminen  //  mSystems / Angela D. Kent. – 23.2.2021. — Voi. 6 , iss. 1 . — P.e01112–20 . — ISSN 2379-5077 . - doi : 10.1128/mSystems.01112-20 . Arkistoitu alkuperäisestä 16. maaliskuuta 2022.
  23. ↑ Rachel Narehood Austin, John T. Groves. Alkaaneja hapettavat metalloentsyymit hiilen kierrossa   // Metallomics . - 2011. - Vol. 3 , iss. 8 . - s. 775 . - ISSN 1756-591X 1756-5901, 1756-591X . - doi : 10.1039/c1mt00048a . Arkistoitu alkuperäisestä 20. joulukuuta 2021.
  24. ↑ Stephen M. Jones, Edward I. Solomon. Lakkaasien elektroninsiirto- ja reaktiomekanismi  //  Cellular and Molecular Life Sciences. - 2015-03. — Voi. 72 , iss. 5 . — s. 869–883 . — ISSN 1420-9071 1420-682X, 1420-9071 . - doi : 10.1007/s00018-014-1826-6 .
  25. ↑ Martin Hofrichter. Katsaus: ligniinin muuntaminen mangaaniperoksidaasilla (MnP)  (englanniksi)  // Enzyme and Microbial Technology. - 2002-04. — Voi. 30 , iss. 4 . — s. 454–466 . - doi : 10.1016/S0141-0229(01)00528-2 . Arkistoitu alkuperäisestä 22. helmikuuta 2022.

Kirjallisuus

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa