Полиэтилен представляет собой полимер этилена (C₂H₄), образующийся в
результате реакций полимеризации. Основной структурный элемент —
повторяющаяся этиленовая единица —CH₂–CH₂–, образующая длинные линейные
или разветвлённые цепи. Молекулярная масса полиэтилена может
варьироваться от нескольких тысяч до миллионов единиц, что напрямую
влияет на механические и термические свойства материала.
Ключевые особенности молекулы полиэтилена:
- Линейные цепи обладают высокой плотностью упаковки, что обеспечивает
образование кристаллических областей.
- Разветвленные цепи создают аморфные участки, повышая гибкость и
ударопрочность.
- Внутренняя симметрия и отсутствие полярных групп обусловливают
химическую инертность и гидрофобность материала.
Классификация полиэтилена
По плотности и степени кристалличности:
- Полиэтилен низкой плотности (LDPE) — плотность
0,91–0,93 г/см³, высокое содержание разветвлений, мягкость и
прозрачность.
- Полиэтилен высокой плотности (HDPE) — плотность
0,94–0,97 г/см³, преимущественно линейная структура, высокая жесткость и
прочность.
- Линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE) —
сочетает свойства LDPE и HDPE, улучшенные механические характеристики
благодаря контролируемой линейной структуре с короткими
разветвлениями.
- Ультравысокомолекулярный полиэтилен (UHMWPE) —
молекулярная масса более 1 млн, высокая стойкость к истиранию и ударной
нагрузке.
Методы синтеза
Радикальная полимеризация применяется для получения
LDPE при высоких давлениях (1000–3000 атм) и температурах 150–300 °C.
Процесс сопровождается образованием длинных цепей с многочисленными
разветвлениями, что снижает плотность полимера.
Каталитическая (зигглер-наттевская) полимеризация
используется для синтеза HDPE и LLDPE при умеренных давлениях и
температурах в присутствии катализаторов на основе титана и алюминия.
Этот метод обеспечивает линейные цепи с минимальным разветвлением,
повышая кристалличность и механическую прочность.
Физико-химические свойства
Тепловые свойства:
- Температура плавления HDPE: 125–135 °C, LDPE: 105–115 °C.
- Низкая теплопроводность и высокая тепловая стабильность в диапазоне
до 80–100 °C без стабилизаторов.
Механические свойства:
- Прочность на растяжение HDPE достигает 30–40 МПа, LDPE — 10–20
МПа.
- Ударная вязкость LDPE выше, благодаря аморфной структуре.
Химическая стойкость:
- Устойчивость к щелочам, кислотам (кроме концентрированной азотной
кислоты), органическим растворителям.
- Практически не гидролизуется и не подвержен биологическому
разложению.
Области применения
Полиэтилен используется в различных отраслях благодаря сочетанию
прочности, гибкости и химической инертности:
- Упаковочные материалы: плёнки, пакеты,
контейнеры.
- Трубопроводы и ёмкости: HDPE применяется для газо-
и водопроводных труб, резервуаров для химических жидкостей.
- Медицинские изделия: UHMWPE в протезах суставов и
хирургических инструментах.
- Технические изделия: детали машин, шестерни,
покрытия против износа.
Модификации и улучшение
свойств
Для расширения функциональных возможностей полиэтилен подвергается
различным модификациям:
- Сополимеризация с другими олефинами — улучшение
ударной вязкости, прозрачности, термостойкости.
- Наполнение неорганическими частицами — повышение
жесткости и износостойкости.
- Перекрестное сшивание цепей (cross-linking) —
улучшение термостойкости и сопротивления ползучести.
Экологические аспекты
Полиэтилен является инертным и не разлагается в естественной среде на
протяжении десятилетий. Для снижения экологической нагрузки
разрабатываются биоразлагаемые добавки и технологии механического или
химического вторичного использования. Переработка полиэтилена позволяет
получать гранулы для повторного литья или волокон, сохраняя большую
часть физических свойств.
Полиэтилен остаётся одним из наиболее широко используемых полимеров
благодаря универсальности, технологической простоте производства и
сочетанию физико-химических характеристик, обеспечивающих его
конкурентоспособность в промышленных и бытовых областях.