Свойства и применение полиэтилена

Молекулы полиэтилена имеют плоскую зигзагообразную структуру обычной парафиновой цепи, отвечающей формуле [-CH₂-CH₂-]_n с небольшим числом боковых ответвлений и наличием на концах цепи двойных связей. Схематическое строение молекул полиэтилена показано на рис. 10.

В зависимости от условий и механизма полимеризации молекулы полиэтилена имеют различные цифровые значения молекулярной массы, молекулярно-массового распределения, степени разветвленности, количества двойных связей и т. д. Это хорошо видно из данных, приведенных в табл. 2.

Таблица 2. Показатели, характеризующие строение цепи полиэтилена.

Полиэтилен обладает кристаллической структурой, аналогичной структуре нормальных парафинов, например, С₅₁Н₁₂₄ и др. Но наряду с кристаллической фазой всегда имеется аморфная, представляющая недостаточно упорядоченные участки молекул. Кристаллическая фаза состоит из участков с упорядоченным расположением молекул размером до 100?, основой которых являются кристаллиты. Они представляют элементарную ячейку орторомбической системы, содержащей четыре метиленовых группы с характерным расстоянием между цепями 4,3 ?, что соответствует лежащей в одной. плоскости зигзагообразной цепи углеродных атомов с расстоянием между ними 1,54 ?. Размеры элементарной кристаллической ячейки равны: 7,4; 4,93 и 2,534? (период идентичности).

Длина молекул полиэтилена достигает 1000? и они могут проходить через 10 — 20 кристаллических областей. Степень кристалличности зависит от способа получения полиэтилена (см. табл. 2 и рис. 11) и температуры (рис. 12).

Полиэтилен представляет собой твердый белый роговидный продукт. Физические свойства полиэтилена определяются его химической структурой, в основном его молекулярной массой и разветвленностью. Полиэтилен полученный различными способами, имеет различные физические свойства.

Полиэтилен — один из наиболее легких полимеров. Его плотность (913 — 952 кг/м³) зависит от молекулярной массы, разветвленности (рис. 13) и степени кристалличности (рис. 14).

Физико-механические свойства полиэтилена также являются функцией молекулярной массы, разветвленности и степени кристалличности и, следовательно, зависят от способа получения. В тонких пленках полиэтилен (особенно низкой плотности) обладает большой гибкостью и пластичностью, а в толстых листах приобретает жесткость. Физико-механические свойства полиэтилена резко зависят от температуры. При изменении температуры меняется степень кристалличности (см. рис. 12), плотность (рис. 25) и все другие физико-механические показатели. С повышением температуры прочность полиэтилена снижается. Водопоглощение полиэтилена незначительно и составляет 0,03 — 0,04% за 30 сут. Он обладает хорошей морозостойкостью благодаря низкой температуре стеклования аморфной фазы. Коэффициент термического расширения полиэтилена находится в следующих пределах: линейного (в интервале температур 0 — 100 °С) — 2,2*10^-4 — 5,5*10^-4 1/°С; объемного (50 — 100°С) — 6,7*10^-4— 16,5*10^-4 1/°С. Морозостойкость (температура хрупкости) ниже — 70 °C.

Полиэтилен отличается хорошей химической стойкостью к действию большинства кислот, щелочей и растворителей, но, обладая; определенной степенью разветвленности и имея некоторое количество третичных атомов углерода, характеризуется повышенной чувствительностью к окислению и старению. Поэтому в полиэтилен часто вводят стабилизаторы, например, дибутил-м-крезол и 4,4'-тио-бис-(6-трет-бутил-м-крезол) и другие, которые замедляют процессы окисления и старения. Хорошие результаты получаются при введении в полиэтилен 2% сажи, что увеличивает срок службы полиэтилена в атмосферных условиях в 30 раз.

Полиэтилен с введенным в него стабилизатором называется стабилизированным. Полиэтилен может быть окрашен различными красителями и пигментами в расплаве в смесителе, сухим способом путем перемешивания порошка полимера и пигмента в смесителе при обычной температуре, вальцеванием полимера с красителями или пигментом с последующей грануляцией и т. д. Красители и пигменты применяют органические — синий атрихиноновый, зеленый фталоцианиновый, ярко-красный 4Ж и т. д. в количестве от 0,005 до 0,2% и неорганические — двуокись титана, окись хрома, кадмий лимонный, сажа газовая и т. д. в количестве от 0,2 до 3%.

Полиэтилен низкой плотности применяют для изготовления гидроизоляционных пленок и плит, труб и арматуры к ним, различных изделий — профилей, арматуры, болтов, бачков и т. д.

Полиэтилен низкой плотности выпускают нескольких марок в виде гранул с насыпной объемной массой не менее 500 кг/м³. В основу классификации положен «индекс расплава» — величина, зависящая от молекулярной массы полимера и определяемая количеством полиэтилена, проходящим в течение 10 мин при 190 °C через стандартный капилляр диаметром 2,095 мм и длиной 8 мм под нагрузкой 21,6 Н (2,16 кгс).

Для производства строительных материалов и изделий полиэтилен высокой плотности находит применение для получения высокопрочных изделий, изготовленных экструзией и прессованием (профили, блоки, листы и т. д.); прочная пленка, получаемая методом раздува; технические изделия, изготовляемые экструзией, выдуванием и литьем под давлением; покрытие бумаги, ткани и других изделий, изготовленных литьем под давлением.

Полиэтилен высокой плотности выпускают нескольких марок — в виде гранул с насыпной объемной массой 500 — 550 кг/м³ или в виде белого порошка с объемной массой 110 — 380 кг/м³. Маркирование партии ведут по индексу расплава при нагрузке 50 Н.

Порошкообразный полиэтилен высокой плотности с успехом используют для создания защитных покрытий на металлических поверхностях путем газопламенного напыления или погружения нагретых деталей в порошкообразный полиэтилен.

Изделия из полиэтилена всех видов легко свариваются с помощью сварочных прутков или стыковым методом.