Реакция полимеризации этилена - образование полиэтилена

Полиэтилен прочно вошел в нашу повседневную жизнь. Мы используем изделия из этого материала ежедневно: пакеты, бутылки, посуда, мебель, трубы, упаковка, игрушки. Но мало кто задумывается, как образуется это удивительное вещество. В данной статье мы подробно разберем реакцию полимеризации этилена, которая позволяет получать полиэтилен в промышленных масштабах. Узнаем об истории открытия, механизмах, катализаторах, свойствах и применении этого уникального полимера.

История открытия реакции полимеризации этилена

Впервые реакцию полимеризации этилена описал в 19 веке немецкий химик Герман Штаудингер. Однако промышленного применения его открытие тогда не нашло. Первое промышленное производство полиэтилена было налажено лишь в 1938 году в Великобритании компаниями ICI и DuPont на основе высокого давления и высокой температуры.

В СССР интенсивные исследования реакции полимеризации этилена начали проводить в 1930-1950-х годах под руководством академика А.Е. Фаворского. Работы советских ученых позволили разработать эффективные технологии производства полиэтилена, в том числе при низком давлении.

В настоящее время ежегодное мировое производство полиэтилена составляет более 80 млн тонн. Этот показатель неуклонно растет, поскольку спрос на полиэтилен в различных отраслях промышленности остается высоким.

Механизм реакции полимеризации этилена

Реакция полимеризации этилена может протекать по двум основным механизмам: радикальному и ионному (катионному).

При радикальной полимеризации в присутствии инициаторов (перекисей, персульфатов) происходит гомолитический разрыв двойной связи этилена с образованием свободных радикалов. Эти радикалы запускают цепную реакцию присоединения мономерных звеньев друг к другу.

При ионной полимеризации в качестве катализаторов используются соединения переходных металлов, которые гетеролитически расщепляют двойную связь с образованием карбокатиона. Далее катион роста присоединяет очередное звено мономера, удлиняя полимерную цепь.

По сравнению с радикальной, ионная полимеризация позволяет лучше контролировать молекулярно-массовые характеристики получаемого полиэтилена.

Катализаторы реакции полимеризации этилена

В промышленности наиболее широко используются каталитические системы Циглера-Натта на основе хлорида титана и алкилалюминия. Они обеспечивают высокую активность, стереорегулярность и технологичность процесса.

Для радикальной полимеризации применяют органические пероксиды (перекись бензоила, ди-трет-бутилпероксид), азосоединения (азобисизобутиронитрил). Они эффективны, но менее селективны.

Интенсивно ведутся работы по созданию новых каталитических систем на основе металлоценов и других соединений. Это позволит расширить ассортимент полиэтиленов с заданными свойствами.

Ученый заливает реагент в реактор

Технология полимеризации этилена

В промышленности полимеризацию этилена проводят в специальных реакторах при температуре 80-300°C и давлении до 3000 атм.

Основные промышленные способы:

  • Полимеризация в массе при высоком давлении (LDPE)
  • Полимеризация в растворе при низком давлении (HDPE)

Для предотвращения преждевременной полимеризации используют ингибиторы - амины, фенолы. Они позволяют повысить безопасность процесса.

После синтеза контролируют показатели полиэтилена - плотность, молекулярную массу, термические и механические свойства.

Свойства полиэтилена

Полиэтилен может иметь различную плотность в зависимости от условий синтеза. Различают полиэтилен высокой (0,94-0,97 г/см3), средней (0,926-0,940 г/см3) и низкой (0,910-0,925 г/см3) плотности.

Полиэтилен отличается высокой механической прочностью, что обусловлено линейным строением макромолекул. Он устойчив к действию кислот, щелочей, солей при комнатной температуре. Имеет низкую газо- и влагопроницаемость.

По сравнению с полиэтиленом низкой плотности, высокой плотности обладает большей жесткостью, меньшей эластичностью и более высокой температурой плавления.

Применение полиэтилена

Полиэтилен низкой плотности используется для изготовления пленки, полиэтиленовых пакетов, фольги, игрушек, посуды. Полиэтилен высокой плотности применяют для производства труб, емкостей, тары, а также как кабельную изоляцию.

Преимущества полиэтилена — химическая инертность, нетоксичность, доступность. Его активно используют в пищевой промышленности для упаковки продуктов.

В будущем ожидается расширение использования полиэтилена в медицине для изготовления имплантатов, протезов, ортезов.

Переработка отходов полиэтилена

Экологические аспекты производства полиэтилена

Производство полиэтилена связано с выбросом парниковых газов и загрязнением окружающей среды отходами.

Существуют различные методы утилизации и переработки полиэтилена после использования, однако их применение пока недостаточно широко.

Необходим поиск экологичных катализаторов, разработка безотходных технологий производства и стимулирование вторичной переработки отходов.

Экономические аспекты производства полиэтилена

Производство полиэтилена требует значительных затрат на сырье, энергоносители, оборудование. Однако благодаря большим объемам выпуска себестоимость 1 тонны полиэтилена относительно невысока.

На мировом рынке наблюдается тенденция к снижению цен на полиэтилен под давлением избытка предложения. В то же время спрос на этот полимер будет расти в связи с широким применением.

Технология полимеризации этилена

В промышленности полимеризацию этилена проводят в специальных реакторах при температуре 80-300°C и давлении до 3000 атм.

Основные промышленные способы:

  • Полимеризация в массе при высоком давлении (LDPE)
  • Полимеризация в растворе при низком давлении (HDPE)

Для предотвращения преждевременной полимеризации используют ингибиторы - амины, фенолы. Они позволяют повысить безопасность процесса.

После синтеза контролируют показатели полиэтилена - плотность, молекулярную массу, термические и механические свойства.

Контроль качества полиэтилена

Для контроля качества полиэтилена используют следующие методы:

  • Определение плотности
  • Измерение показателя текучести расплава
  • Определение молекулярно-массового распределения
  • Испытание на разрыв
  • Термогравиметрический анализ

Это позволяет оценить соответствие полученного полиэтилена требованиям технических условий и стандартов.

Упаковка и транспортировка полиэтилена

Полиэтилен фасуют и упаковывают в мешки, коробки, биг-беги. Для предохранения от влаги используют вкладыши из полиэтиленовой пленки.

Транспортируют полиэтилен в пакетированном виде в крытых транспортных средствах. При морских перевозках применяют контейнеры.

Соблюдение правил упаковки и транспортировки обеспечивает сохранность свойств полиэтилена.

Хранение полиэтилена

Полиэтилен хранят в закрытых сухих помещениях, в условиях, исключающих попадание прямых солнечных лучей.

Оптимальная температура хранения - не выше 30°C. При более высоких температурах возможно спекание и комкование полиэтилена.

Срок хранения полиэтилена в неповрежденной упаковке - не более 12 месяцев с даты изготовления.

Соблюдение условий хранения гарантирует сохранность качества и свойств полиэтилена.

Применение полиэтилена

Полиэтилен низкой плотности используется для изготовления пленки, полиэтиленовых пакетов, фольги, игрушек, посуды. Полиэтилен высокой плотности применяют для производства труб, емкостей, тары, а также как кабельную изоляцию.

Преимущества полиэтилена — химическая инертность, нетоксичность, доступность. Его активно используют в пищевой промышленности для упаковки продуктов.

В будущем ожидается расширение использования полиэтилена в медицине для изготовления имплантатов, протезов, ортезов.

Упаковочные материалы

Полиэтилен широко применяется для производства различных упаковочных материалов - пленки, пакетов, мешков, ведер, бутылок. Это обусловлено его высокими барьерными свойствами, химической стойкостью и нетоксичностью.

Бытовые изделия

Из полиэтилена изготавливают посуду, игрушки, ведра, тазы и другие бытовые изделия. Полиэтиленовая посуда не боится ударов, легко моется.

Строительство и коммунальное хозяйство

Полиэтиленовые трубы используют для прокладки водопроводов, канализации, газопроводов, кабелей. Полиэтилен устойчив к коррозии и образованию отложений.

Электротехническая промышленность

В электротехнике полиэтилен широко применяют как изоляционный материал для обмотки проводов и кабелей. Он обладает высоким удельным сопротивлением и диэлектрической прочностью.

Автомобилестроение

В автомобилях используют полиэтиленовые баки для топлива, масла, охлаждающей жидкости, а также детали интерьера. Полиэтилен устойчив к воздействию топлива и масел.

Статья закончилась. Вопросы остались?
Комментарии 0
Подписаться
Я хочу получать
Правила публикации
Редактирование комментария возможно в течении пяти минут после его создания, либо до момента появления ответа на данный комментарий.