Полиэтилен: свойства, виды ПВД и ПНД, применение
Полиэтилен — это термопластичный полимер, который получают полимеризацией этилена; в документации его обозначают сокращённо как ПЭ, а в производстве тары различают полиэтилен высокого давления (ПВД, низкой плотности) и полиэтилен низкого давления (ПНД, высокой плотности). Для тары чаще применяют именно ПНД, поэтому в статье разбираем не только химию, но и то, почему для флаконов, канистр и банок выбирают именно этот вид полиэтилена.
Коротко о том, что дальше: что такое полиэтилен и чем он отличается от пластика вообще, из какого сырья и как его получают, чем ПВД отличается от ПНД, какие у материала свойства и где его применяют на практике.
Полиэтилен — полимер или пластик
Полиэтилен (сокращённо ПЭ) — синтетический полимер, макромолекулы которого построены из повторяющихся звеньев этилена. По типу материала это термопластичный пластик: при нагреве он размягчается и поддаётся формовке, а при охлаждении застывает, сохраняя новую форму.
Путаницы тут нет: пластик — более широкое бытовое понятие, а полимер — точный химический термин для соединений с длинной повторяющейся молекулярной цепью. Полиэтилен — это и то, и другое одновременно: полимер по строению, пластик по классу материалов.
Откуда взялась аббревиатура «ПЭ»
«ПЭ» — это просто сокращение от слова «полиэтилен», которое используют в документации и на маркировке изделий вместо полного названия. Само название материала дословно означает «много этилена»: приставка «поли-» — это «много», а этилен — исходный мономер, из которого материал получают.
Откуда вообще взялся этот материал
Полиэтилен открыли случайно: в 1933 году английские химики Реджинальд Гибсон и Эрик Фосетт, экспериментируя с этиленом под высоким давлением в лабораторных условиях, получили белый воскообразный полимер. Промышленное производство запустили уже в 1939 году — сначала для военных нужд (изоляция кабелей радаров), и только потом материал пришёл в гражданскую упаковку. Сегодня по объёму производства это самый массовый пластик в мире — и один из немногих полимеров, которые перерабатывают повторно в промышленных масштабах.
Из чего и как получают полиэтилен
Сырьё: этилен из нефти и газа
Сырьём служит этилен — газ, который получают пиролизом (высокотемпературным крекингом) углеводородов: прямогонного бензина (нафты), попутного нефтяного газа или этана. Иными словами, в основе лежит нефтегазовое сырьё, а не сам полиэтилен добывается в готовом виде — его синтезируют.
Пиролиз проводят при температуре 800-900 градусов Цельсия без доступа кислорода: длинные молекулы углеводородов при таком нагреве «рвутся» на более короткие, среди которых и оказывается этилен. Дальше газ очищают от примесей и направляют на полимеризацию — именно на этом этапе из отдельных молекул мономера собирается полимерная цепь.
Реакция полимеризации
Полиэтилен получают реакцией полимеризации этилена: молекулы мономера соединяются в длинную цепь, раскрывая двойную связь C=C. Структурное звено этой цепи — фрагмент -CH2-CH2-, а состав материала в целом описывается формулой (C2H4)n, где n доходит до десятков тысяч повторов.
Два способа производства: высокое и низкое давление
Промышленность знает два принципиально разных способа получения. Первый — полимеризация при высоком давлении (150-300 МПа) с инициаторами радикального типа: по ГОСТ 16337-77 так делают полиэтилен высокого давления (ПВД), он же полиэтилен низкой плотности.
Второй способ — суспензионная или газофазная полимеризация при низком давлении на металлоорганических катализаторах: согласно ГОСТ 16338-85, так получают полиэтилен низкого давления (ПНД) — материал с более высокой плотностью и жёсткостью. Оба стандарта действуют и сегодня и задают марки, которые используют в промышленности.
Чем ПВД отличается от ПНД
У ПВД молекулярная структура более рыхлая и разветвлённая — отсюда меньшая плотность, повышенная эластичность и прозрачность; такой полиэтилен идёт на плёнку и мягкую упаковку. У ПНД цепи почти линейны, поэтому материал плотнее, жёстче и устойчивее к нагрузкам и химии — именно из него делают жёсткую тару: флаконы, канистры, банки.
Для тары выбор в пользу ПНД не случаен: линейная структура даёт более высокую механическую прочность стенки при том же весе изделия, а значит — можно сделать флакон тоньше и легче без потери герметичности.
Свойства полиэтилена
Основные свойства полиэтилена — низкая плотность (0,91-0,97 г/куб.см в зависимости от вида), эластичность, влагостойкость и химическая инертность: материал не разрушается под действием большинства кислот, щелочей и солей. Диапазон рабочих температур — от -60 до +60...+80 градусов Цельсия, у отдельных марок ПНД — выше.
Механическая прочность и диэлектрические свойства
По механической прочности ПНД заметно превосходит ПВД: выше предел текучести, выше жёсткость при изгибе, лучше сопротивление растрескиванию под нагрузкой. Это же свойство сделало полиэтилен исторически первым массовым материалом для изоляции подводных и высокочастотных кабелей — он практически не проводит электрический ток и не впитывает влагу, а значит, не теряет диэлектрических характеристик со временем.
Есть и обратная сторона: при переработке свыше 140 градусов Цельсия возможно выделение летучих продуктов термоокислительной деструкции — это учитывает ГОСТ 16338-85, устанавливая предельно допустимые концентрации таких веществ в воздухе рабочей зоны. При штатной эксплуатации готовых изделий (без перегрева) полиэтилен химически стабилен.
Где используется полиэтилен
Полиэтилен применяют почти везде, где нужна лёгкая влагостойкая упаковка: плёнку и пакеты делают из ПВД, а трубы, бытовую и техническую тару — из ПНД. Из ПНД, например, производят флаконы, канистры и банки для бытовой химии, косметики, пищевой и автомобильной продукции; общие технические требования к такой потребительской таре из полимеров задаёт ГОСТ Р 51760-2011.
Выбор материала здесь принципиален: там, где нужна жёсткость и стойкость к маслам или бытовой химии, работает именно ПНД, а не ПВД, — это не маркетинговый, а технологический выбор.
Полный список отраслей применения
Помимо тары, из полиэтилена делают:
- Плёнку — упаковочную, термоусадочную, парниковую, строительную гидроизоляцию.
- Трубы — для водоснабжения, газопроводов и канализации: ПНД устойчив к коррозии и служит десятилетиями без замены.
- Кабельную изоляцию — электроизоляционные свойства были главной причиной, по которой материал вообще начали производить промышленно.
- Медицинские изделия — одноразовые ёмкости и упаковку, где важна химическая инертность и отсутствие миграции веществ в содержимое.
- Игрушки, хозяйственные товары, укупорочные средства — крышки, пробки, вкладыши.
Маркировка и переработка
На дне изделий из ПНД обычно стоит код переработки «2» или буквы PE-HD (иногда HDPE), у ПВД — код «4» или LDPE. Эта маркировка — часть международной системы идентификации пластика по типу смолы, она помогает сортировать сырьё на пунктах приёма вторсырья.
Для тары, которая контактирует с пищевой продукцией, косметикой или бытовой химией, требования к маркировке и предельно допустимой миграции веществ в содержимое задаёт технический регламент Таможенного союза ТР ТС 005/2011 «О безопасности упаковки»: на изделие наносят и код материала, и, если упаковка перерабатывается, символ «петля Мёбиуса».
Полиэтилен хорошо поддаётся вторичной переработке: гранулят измельчают, промывают и снова расплавляют для нового цикла. Именно поэтому отходы такой тары не обязательно отправлять на свалку — большая часть чистого технического полиэтилена годится для повторного использования в непищевых изделиях.
Как выбирают марку полиэтилена под задачу
Даже внутри одного вида — ПВД или ПНД — существуют десятки марок, которые отличаются друг от друга плотностью, показателем текучести расплава (ПТР) и добавками. На практике выбор идёт по трём параметрам.
Показатель текучести расплава
ПТР показывает, насколько легко расплав материала течёт в форму при заданной температуре и нагрузке. Марки с низким ПТР жёстче держат форму и лучше подходят для крупных толстостенных изделий вроде канистр, а марки с более высоким ПТР проще перерабатывать на высокоскоростных линиях для мелкой тары.
Плотность и назначение
Чем выше плотность в пределах группы ПНД, тем выше жёсткость и температура размягчения — такие марки берут под тару для технических жидкостей и автохимии. Более мягкие марки той же группы ПНД, наоборот, выбирают там, где важна эластичность стенки, например для флаконов с тонким горлом под насадку-дозатор.
Добавки: стабилизаторы и УФ-защита
Базовый полиэтилен без добавок пожелтеет и станет хрупким на солнце быстрее, чем стабилизированный: в рецептуру вводят антиоксиданты и УФ-стабилизаторы, если тара будет храниться или использоваться на открытом воздухе. Это тот случай, где решение принимают на этапе разработки продукта, а не полагаются на «полиэтилен вообще».
Часто задаваемые вопросы
Полиэтилен — это пластик или полимер?
И то, и другое: по химическому строению это полимер этилена, а по классу материалов — термопластичный пластик. Оба термина корректны, просто описывают материал с разных сторон — строения и практического применения.
Из чего делают полиэтилен?
Полиэтилен делают (изготавливают) из этилена — газа, который получают из нефти или попутного нефтяного газа методом пиролиза. Готовый мономер полимеризуют в промышленных реакторах, получая уже сам полимер.
Как производят полиэтилен в промышленности?
Производство идёт в две стадии: сначала пиролизом получают этилен, а затем полимеризуют его при высоком или низком давлении — в зависимости от того, какой вид полиэтилена нужен на выходе, ПВД или ПНД.
Полиэтилен безопасен для контакта с продуктами?
Да, при штатном использовании полиэтилен химически инертен и не выделяет вредных веществ, поэтому его допускают для пищевой и питьевой тары — соответствующие санитарно-гигиенические требования и нормы миграции веществ устанавливает технический регламент ТР ТС 005/2011. Опасность появляется только при перегреве сырья в процессе переработки — выше 140 градусов Цельсия.
Почему для флаконов и канистр используют именно ПНД, а не ПВД?
Потому что у ПНД выше плотность и жёсткость: линейная молекулярная структура делает стенку изделия прочнее при том же весе, а материал — устойчивее к маслам, кислотам и щелочам. ПВД для такой тары подходит хуже — он мягче и больше годится для плёнки, а не для жёсткой упаковки.
Сколько раз можно перерабатывать полиэтилен?
На практике — несколько циклов подряд, пока механические свойства гранулята не начинают заметно ухудшаться от повторных нагревов. Точное число зависит от чистоты исходного сырья и марки полимера, поэтому вторичный полиэтилен обычно смешивают с первичным в определённой пропорции.
Чем полиэтилен отличается от полипропилена?
Оба материала — полиолефины, но у полипропилена выше температура плавления и жёсткость при нагреве, поэтому его чаще выбирают для тары под горячий розлив. Полиэтилен, в свою очередь, эластичнее и лучше переносит удары и низкие температуры.
Полиэтилен горит или самозатухает?
Полиэтилен — горючий материал: он поддерживает горение и плавится с образованием капель, поэтому при переработке и хранении соблюдают требования пожарной безопасности. Специальные огнестойкие марки с антипиренами существуют, но это отдельный вид композиций, а не базовый полиэтилен.
