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.
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.
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.