Реакция полимеризации

Полимеры — это соединения, которые имеют высокую молекулярную массу, достигающую нескольких тысяч единиц. Реакция полимеризации лежит в основе получения современных материалов различного назначения и свойства. Они при низкой плотности отличаются высокой прочностью, способны размягчаться при нагревании и легко поддаваться формованию, что позволяет получать изделия различных конструкций и размеров. Полимеры инертны в агрессивных средах, обладают электроизоляционными свойствами и не подвержены коррозии. Благодаря уникальным свойствам, которые легко регулируются на стадии синтеза, область применения современных полимерных материалов постоянно расширяется.

При нагревании и охлаждении эти продукты химического производства ведут себя двояким образом.

Одни при нагревании размягчаются, а при охлаждении вновь затвердевают. К таким материалам относятся продукты, в основе получения которых лежит, например, реакция полимеризации алкенов, то есть полиэтилен и полипропилен. Они называются термопластичными материалами. Аналогичными свойствами обладают также поливинилхлорид и полистирол.

Полимеры другого типа можно нагревать только один раз, так как после охлаждения они затвердевают и больше при нагревании не размягчаются. Эти материалы называются термореактивными, к ним относятся фенолформальдегидные или мочевиноформальдегидные смолы. Термопласты и реактопласты имеют свои преимущества. Первые выпускают в гранулированном виде. Из них после нагревания и размягчения получают изделия любой формы, но при эксплуатации их нельзя нагревать. Вторые выпускаются в виде смолообразной массы.

Реакция полимеризации этилена может быть записана в следующем виде: CH2=CH2 → (—CH2–CH2—)n. При определенных условиях в присутствии инициатора (ими выступают газообразный кислород или раствор органической перекиси в масле) происходит между атомами углерода разрыв π-вязи (иначе двойной связи) и соединение между собой n-ного количества образовавшихся свободных радикалов. Реакция полимеризации протекает по радикально-цепному механизму. Молекулярная масса полимерного материала напрямую зависит от числа n, с его повышением она растет. Регулируя условия реакции полимеризации, оператор синтеза полиэтилена добивается получения материала с заданными свойствами: текучесть (или показатель текучести расплава), прочность, плотность, тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическая проницаемость и другие.

Синтез полиэтилена высокого давления или реакция полимеризации осуществляется в автоклавных или трубчатых реакторах при температурах до 300°С и давлении от 1000 до 3000 атм. При этом выделяется громадное количество тепла. Оно отводится горячей водой, которая подается в рубашки реакторов. От степени чистоты подаваемой для съема тепла воды зависит во многом как качество полимерного материала, так и безопасность процесса. Если вода плохо очищена и содержит много примесей (например, соли жесткости в виде катионов кальция и магния, анионов кремниевой кислоты, хлора и других), то в рубашке реактора образуются отложения либо начинает коррозировать металл. Из-за изменения толщины стенок реактора отвод тепла по всей его поверхности становится неравномерным, а температурные условия полимеризации могут стать неуправляемыми. При резком повышении температуры может произойти окисление полимера или его разложение с разрушением реактора.

Реакция полимеризации, в результате которой образуется полиэтилен, может протекать и при более низких давлении и температуре. Но для этого необходим катализатор. Если полиэтилен высокого давления из реактора выходит в виде расплава, содержащего непрореагировавший этилен, который затем отделяется, а полимер гранулируется, то полиэтилен, полученный при низком давлении, выходит из реактора в виде порошка, точнее, суспензии в углеводородном растворителе. Порошок отделяют от растворителя и отмывают от примесей катализатора, а затем также гранулируют на специальном оборудовании, называемом экструдером.

Таким образом, реакция полимеризации этилена в промышленности используется для синтеза полиэтилена. По ГОСТ 16338-85 выпускают полиэтилен низкого давления суспензионных и газофазных марок, по ГОСТ 16337-77 выпускают полиэтилен высокого давления как автоклавных, так и трубчатых марок.