Полиэтилен высокой плотности (HDPE, ПЭНД, полиэтилен низкого давления)

Основные физико-химические свойства

Полиэтилен (ПЭ) [–CH2–CH2–]n существует в двух структурных модификациях, что влияет на его свойства. Обе формы производятся из этилена CH2=CH2. В одной модификации мономеры соединены в линейные цепи с степенью полимеризации (СП) 5000 и более; в другой – основная цепь случайным образом содержит разветвления из 4–6 атомов углерода. Линейные полиэтилены получают с использованием специальных катализаторов при умеренных температурах (до 150°С) и давлениях (до 20 атм).

Молекула полиэтилена представляет собой длинную цепь из атомов углерода, к каждому из которых присоединены два атома водорода. В зависимости от метода производства, макромолекулы могут иметь разную степень разветвления и плотности. Поэтому ПЭ делится на две основные категории:

Полиэтилен низкой плотности (LDPE)

LDPE характеризуется сильно разветвленной макромолекулой и низкой плотностью (0,916–0,935 г/см³). Производство этого типа полиэтилена проходит при очень высоком давлении от 100 до 300 мПа и температуре 100–300°С, поэтому его также называют полиэтиленом высокого давления (ПЭВД).

Полиэтилен высокой плотности (HDPE)

HDPE имеет линейную макромолекулу и относительно высокую плотность (0,960 г/см³). Этот вид полиэтилена также известен как полиэтилен низкого давления (ПЭНД), его получают путем полимеризации с применением специальных катализаторов.

Линейные полиэтилены формируют кристаллические области, которые существенно влияют на физические свойства материала. Этот тип полиэтилена, благодаря своей линейной структуре, является очень твердым, прочным и жестким термопластом, широко используемым для литьевого и выдувного формования контейнеров, применяемых в быту и промышленности. Полиэтилен высокой плотности обладает большей прочностью по сравнению с полиэтиленом низкой плотности.

Свойства полиэтилена высокой плотности

• СП: 1000–50 000
• Температура плавления: 129–135°С
• Температура стеклования: около –60°С
• Плотность: 0,95–0,96 г/см³
• Кристалличность: высокая
• Растворимость: растворим в ароматических углеводородах только при температурах выше 120°С

Линейное строение, ранее упомянутое, характерно для полиэтиленов, получаемых при низком давлении. У таких полиэтиленов образуются боковые цепи, но они короткие и их немного. Сополимеры этилена, такие как сополимеры с бутеном-1, также синтезируются при низком давлении, чтобы создать контролируемое количество ответвлений в линейной молекуле. Плотность сополимеров варьируется от 0,945 до 0,950 г/см³, тогда как у линейных гомополимеров она достигает 0,960 г/см³.

Пленки на основе полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) обладают большей жесткостью, прочностью и менее воскообразной текстурой по сравнению с пленками из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП). Они могут быть произведены методом экструзии с раздувом или через плоскую щель, с последующим охлаждением на валке или водяным способом. Однако пленки, полученные методом экструзии с раздувом, как правило, имеют более мутный, полупрозрачный вид.

Температура размягчения ПЭВП составляет 121°С, что выше, чем у ПЭНП, благодаря чему ПЭВП способен выдерживать стерилизацию паром. При этом морозостойкость у обоих материалов примерно одинаковая.

ПЭВП превосходит ПЭНП по прочности при растяжении и сжатии, но уступает по сопротивлению удару и раздиранию. Линейная структура молекул ПЭВП приводит к их ориентации в направлении течения, что снижает сопротивление раздиранию в продольном направлении пленок. Различия в сопротивлении раздиранию в продольном и поперечном направлениях могут увеличиваться при ориентации, придавая пленке свойства ленточек, ориентированных на раздирание.

Проницаемость ПЭВП значительно ниже, чем у ПЭНП, примерно в 5–6 раз, что делает его отличным барьером для влаги. Среди обычных пленок ПЭВП уступает по влагонепроницаемости лишь пленкам на основе сополимеров винилхлорида и винилиденхлорида.

По химической стойкости ПЭВП также превосходит ПЭНП, особенно в отношении устойчивости к маслам и жирам.

С увеличением плотности снижается растворимость ПЭВП в органических растворителях, а также его проницаемость для этих веществ.

Как и ПЭНП, ПЭВП подвержен растрескиванию под воздействием окружающей среды, но этот недостаток может быть уменьшен при использовании высокомолекулярных марок полиэтилена, у которых эта проблема менее выражена.

Свойства трубных композиций из ПНД

• Плотность: 0,948–0,964 кг/см³ (по ГОСТ 15199-69)
• Предел текучести при растяжении: не менее 21,6 МПа (по ГОСТ 11262-80)
• Относительное удлинение при разрыве: не менее 700% (по ГОСТ 11262-80)
• Модуль упругости при изгибе: 680–750 МПа (по ГОСТ 9550-81)
• Температура плавления: 125–132°С (по данным поляризационного микроскопа)
• Температура размягчения: 120–125°С (по методу Вика)
• Термический коэффициент линейного расширения: 1,7-2,0)•0,0001-41/°С (по ГОСТ 15173-70).
• Коэффициент теплопроводности: 0,41-0,44 Вт/м•°С.
• Электрическая прочность (образец толщиной 1 мм при частоте 50 Гц): не менее 40 кВ/мм (по ГОСТ 6433.3-71)
• Удельное объемное электрическое сопротивление: 1•1016-1•1017 Ом•см (ГОСТ 6433.2-71).

Области применения

Ключевые свойства всех типов полиэтилена (HDPE, LDPE, LLDPE) включают:

• Низкая плотность, что делает материал легче воды.
• Высокая химическая стойкость.
• Низкое водопоглощение.
• Непроницаемость для водяного пара.
• Высокая вязкость, гибкость, растяжимость и эластичность в диапазоне температур от –70 до +100 °С.
• Хорошая прозрачность.
• Простота переработки с использованием различных методов, применимых к термопластам.
• Отличная свариваемость.

Применение полиэтилена высокой плотности (HDPE) зачастую совпадает с областями использования полиэтилена низкой плотности (LDPE), но улучшенные свойства HDPE повышают качество конечных изделий. Например, пленка из HDPE будет более прочной и прозрачной, а формованные детали можно изготавливать с меньшим сечением, что увеличивает их прочность. Более высокая температура плавления HDPE позволяет стерилизовать изделия паром. Эти преимущества, наряду с возможностью регулирования свойств материала, способствуют расширению его применения, особенно при производстве с использованием поверхностных катализаторов. Однако в некоторых случаях применение HDPE может ограничиваться склонностью к растрескиванию при длительных нагрузках.

Относительно высокая проницаемость HDPE для кислорода, углекислого газа и ароматических веществ, а также возможные проблемы при контакте с определенными средами, такими как растворы смачивающих веществ, ограничивают его использование. Феномен образования трещин вследствие внутренних напряжений также является проблемой, особенно у HDPE. Отличие свойств HDPE от LDPE объясняется его высокой плотностью: изделия из HDPE при той же толщине жестче и имеют более твердую поверхность. Температура плавления на 20 °С выше, что обеспечивает лучшую непроницаемость для водяного пара, кислорода, углекислого газа и ароматических веществ, а также лучшую химическую стойкость по сравнению с LDPE. Высокая температура плавления также позволяет изготавливать упаковку с повышенной термостойкостью, кратковременно выдерживающую температуру до 100 °С.

Редкое сочетание химической стойкости, механической прочности, морозостойкости, отличных диэлектрических свойств, стойкости к радиационному излучению, низкой газопроницаемости и влагопоглощения, легкости и безопасности делает HDPE незаменимым в ряде применений.

HDPE перерабатывается всеми основными методами, используемыми для термопластов, включая экструзию, выдув, литье под давлением и ротоформование.

Области применения ПЭНД

Экструзия

• Пленки: упаковочные пакеты, пакеты типа “майка”, пакеты с вырубной ручкой, барьерные слои для многослойных упаковочных материалов (ламинаты, коэкструзионные пленки), воздушно-пузырьковые пленки, мусорные пакеты.
• Трубы: для газоснабжения, холодного водоснабжения, защиты электросетей, дренажа, внешней и внутренней канализации, обсадные трубы для скважин.
• Кабельная изоляция: изоляция для кабелей высокого напряжения.
• Листы, мембраны, мягкие ленты: листы для гидроизоляции и формования деталей машиностроительных изделий; мембраны для гидроизоляционных работ; ленты для конвейеров и геоячеек.
• Сетки: бытовые и сельскохозяйственные сетки, сетки для армирования дорожных покрытий, строительства и ограждения зданий и сооружений.

Выдув

• Пленки: упаковочные пакеты, пакеты типа “майка”, пакеты с вырубной ручкой, мусорные пакеты.
• Емкости: флаконы для косметики, парфюмерии, бытовой химии; канистры, бочки, баки, цистерны.

Литье под давлением

• Товары народного потребления: изделия для цветоводства, ванной комнаты, кухни, домашнего обихода, детские товары, садово-огородный инвентарь.
• Крышки: двухсоставные и односоставные крышки для ПЭТ-бутылок, укупорочные изделия для парфюмерии, косметики, бытовой химии, автохимии.
• Ящики: тарные ящики.
• Мебельная фурнитура: лицевые, декоративные, крепежные элементы, опоры, другие комплектующие.
• Автокомплектующие: около 400 наименований изделий для автомобилей.
• Прочая продукция: ПЭНД также используется для производства мебели, ведер, детских игрушек, фитингов.

Ротоформование

• Емкости: баки, мусорные баки, бочки.
• Мобильные туалеты: передвижные туалеты.
• Детские площадки: игровые комплексы (горки, горки-тоннели, городки).
• Дорожные ограждения: дорожные блоки, конусы, буферы.
• Колодцы: колодцы, септики, мусоросборники.
• Эстакады: эстакады для мойки колес, установки оборотного водоснабжения.

Вспенивание

Пенополиэтилен.

Основные группы полиэтилена и сополимеров этилена, производимые в настоящее время:

HDPE – Полиэтилен высокой плотности (низкого давления)
LDPE – Полиэтилен низкой плотности (высокого давления)
LLDPE – Линейный полиэтилен низкой плотности
mLLDPE, MPE – Металлоценовый линейный полиэтилен низкой плотности
MDPE – Полиэтилен средней плотности
HMWPE, VHMWPE – Высокомолекулярный полиэтилен
UHMWPE – Сверхвысокомолекулярный полиэтилен
EPE – Вспенивающийся полиэтилен
PEC – Хлорированный полиэтилен

Сополимеры этилена:

EAA – Сополимер этилена и акриловой кислоты
EBA, E/BA, EBAC – Сополимер этилена и бутилакрилата
EEA – Сополимер этилена и этилакрилата
EMA – Сополимер этилена и метилакрилата
EMAA – Сополимер этилена и метакриловой кислоты, сополимер этилена и метилметилакрилата
EMMA – Сополимер этилена и метилметакриловой кислоты
EVA, E/VA, E/VAC, EVAC – Сополимер этилена и винилацетата
EVOH, EVAL, E/VAL – Сополимер этилена и винилового спирта
POP, POE – Полиолефиновые пластомеры
Ethylene terpolymer – Тройные сополимеры этилена

В статье использованы материалы Newchemistry.ru. и материалы отраслевого портала Unipack.Ru