Polyethylen

Polyethylen

Internationalt genbrugsmærke for polyethylen med høj densitet
Internationalt genbrugsmærke for polyethylen med lav densitet
Generel
Forkortelser PE, PE
Chem. formel ( C2H4 ) n _ _
Klassifikation
Reg. CAS nummer 9002-88-4
Reg. EINECS nummer 618-339-3
CHEBI 53227
Data er baseret på standardbetingelser (25 °C, 100 kPa), medmindre andet er angivet.
 Mediefiler på Wikimedia Commons

Polyethylen  er en termoplastisk polymer af ethylen , tilhører klassen af ​​polyolefiner [1] . Det er en organisk forbindelse og har lange molekyler ... -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -..., hvor "-" angiver kovalente bindinger mellem carbonatomer.

Det er en masse af hvid farve (tynde ark er gennemsigtige og farveløse). Kemisk resistent, dielektrisk , ikke følsom over for stød ( støddæmper ), blødgør ved opvarmning (80-120 ° C), vedhæftning (klæber) er ekstremt lav. Kaldes ofte forkert cellofan [2] .

Historie

Opfinderen af ​​polyethylen er den tyske ingeniør Hans von Pechmann, som først ved et uheld opnåede denne polymer takket være ingeniørerne Eric Fawcett og Reginald Gibson. Først blev polyethylen brugt i produktionen af ​​telefonkabler og først i 1950'erne begyndte man at blive brugt i fødevareindustrien som emballage [3] .

Ifølge en anden version, mere accepteret i videnskabelige kredse, kan udviklingen af ​​polyethylen ses fra arbejdet hos ansatte i Imperial Chemical Industries- virksomheden med at skabe industriel produktionsteknologi, udført siden 1920'erne. Den aktive fase af skabelsen begyndte efter installationen af ​​installationen til syntese, som Fawcett og Gibson arbejdede med i 1931. De opnåede et paraffinlignende produkt med lav molekylvægt med en monomerenhed svarende til polyethylen. Fossetts og Gibsons arbejde fortsatte indtil marts 1933, hvor det blev besluttet at modernisere højtryksapparatet for bedre resultater og større sikkerhed. Efter moderniseringen blev eksperimenterne fortsat med M. V. Perrin og J. G. Patton og kulminerede i 1936 i et patent på lavdensitetspolyethylen (LDPE). Kommerciel produktion af LDPE begyndte i 1938 [4] .

Historien om high-density polyethylen (HDPE) har udviklet sig siden 1920'erne, hvor Karl Ziegler begyndte arbejdet med at skabe katalysatorer til ion-koordinationspolymerisation . I 1954 blev teknologien generelt mestret og patent blev opnået. Senere blev der startet industriel produktion af HDPE [4] .

Navne

Forskellige typer polyethylen klassificeres normalt efter densitet [5] . På trods af dette er der mange almindelige navne for homopolymerer og copolymerer , hvoraf nogle er anført nedenfor.

Dette afsnit dækker ikke navnene på de forskellige copolymerer, ionomerer og chloreret polyethylen.

Molekylær struktur

Højtrykspolyethylenmakromolekyler (n ≅ 1000) indeholder sidecarbonhydridkæder C 1 - C 4 , lavtrykspolyethylenmolekyler er praktisk talt uforgrenede, det har en større andel af den krystallinske fase, derfor er dette materiale tættere; medium-density polyethylen molekyler indtager en mellemposition. Et stort antal sidegrene forklarer det lavere indhold af den krystallinske fase og følgelig den lavere densitet af LDPE sammenlignet med HDPE og PSD.

Indikatorer, der karakteriserer strukturen af ​​polymerkæden af ​​forskellige typer polyethylen
Indeks LDPE PSD HDPE
Det samlede antal CH 3 grupper pr. 1000 carbonatomer: 21.6 5 1.5
Antallet af endegrupper CH 3 pr. 1000 carbonatomer: 4.5 2 1.5
Ethyl grene 14.4 en en
Samlet antal dobbeltbindinger pr. 1000 kulstofatomer 0,4-0,6 0,4-0,7 1.1-1.5
inklusive:
* vinyl dobbeltbindinger (R-CH=CH 2 ), % 17 43 87
* vinyliden dobbeltbindinger, % 71 32 7
* trans-vinylen dobbeltbindinger (R-CH=CH-R'), % 12 25 6
Krystallinitetsgrad, % 50-65 75-85 80-90
Massefylde, g/cm³ 0,9-0,93 0,93-0,94 0,94-0,96

Lavtryks polyethylen

Fysiske og mekaniske egenskaber af HDPE ved 20 °C
Parameter Betyder
Massefylde, g/cm³ 0,94-0,96
Brudspænding, kgf/cm²
* i spænding 100-170
* til statisk bøjning 120-170
* ved skæring 140-170
Forlængelse ved brud, % 500-600
Elasticitetsmodul ved bøjning, kgf/cm² 1200-2600
Trækflydespænding, kgf/cm² 90-160
Relativ forlængelse ved begyndelsen af ​​flowet, % 15-20
Brinell hårdhed , kgf /mm² 1,4-2,5

Når prøvetrækhastigheden stiger, falder trækspændingen ved brud og forlængelse ved brud, og trækstyrken stiger.

Med en stigning i temperaturen falder polyethylens brudspænding under spænding, kompression, bøjning og forskydning. og brudforlængelsen stiger til en vis grænse, hvorefter den også begynder at aftage

Ændring i brudspænding i kompression, statisk bøjning og forskydning som funktion af temperatur (bestemt ved en tøjningshastighed på 500 mm/min og en prøvetykkelse på 2 mm)
Brudspænding, kgf/cm² Temperatur, °C
tyve 40 60 80
under kompression 126 77 40 —
i statisk bøjning 118 88 60 —
ved snit 169 131 92 53
Afhængigheden af ​​elasticitetsmodulet ved bøjning af LDPE på temperaturen
Temperatur, °C −120 -100 -80 −60 −40 −20 0 tyve halvtreds
Elasticitetsmodul ved bøjning, kgf/cm² 28100 26700 23200 19200 13600 7400 3050 2200 970

Egenskaberne af polyethylenprodukter afhænger væsentligt af deres fremstillingsmåder (hastighed og ensartet afkøling) og driftsbetingelser (temperatur, tryk, varighed, belastning osv.).

Polyethylen med ultrahøj molekylvægt

En relativt ny og lovende type polyethylen er polyethylen med ultrahøj molekylvægt (UHMW PE), produkter fra hvilke har en række bemærkelsesværdige egenskaber: høj styrke og slagstyrke i et bredt temperaturområde (fra -200 ° C til + 100 ° C ), lav friktionskoefficient, høj kemisk og slidstyrke og bruges i militære anliggender (til fremstilling af skudsikre veste, hjelme), maskinteknik, kemisk industri mv.

Kemiske egenskaber

Den brænder med en blålig flamme, med et svagt lys [8] , mens den udsender lugten af ​​paraffin [9] , altså det samme som kommer fra et brændende stearinlys .

Modstandsdygtig over for vand, reagerer ikke med alkalier af nogen koncentration, med opløsninger af neutrale, sure og basiske salte, organiske og uorganiske syrer , selv med koncentreret svovlsyre , men ødelægges ved indvirkning af 50% salpetersyre ved stuetemperatur og under påvirkningen af ​​flydende og gasformigt klor og fluor . Reaktionen af ​​polyethylen med halogener producerer mange nyttige produkter til den nationale økonomi, så denne reaktion kan bruges til at behandle polyethylenaffald. I modsætning til umættede kulbrinter misfarver det ikke bromvand og kaliumpermanganatopløsning [8] .

Ved stuetemperatur er det uopløseligt og kvælder ikke i nogen af ​​de kendte opløsningsmidler. Ved forhøjede temperaturer (80 °C) opløselig i cyclohexan og carbontetrachlorid . Under højt tryk kan det opløses i vand overophedet op til 180 °C .

Over tid undergår det ødelæggelse med dannelsen af ​​tværgående interchain-bindinger, hvilket fører til en stigning i skørhed på baggrund af en lille stigning i styrke. Ustabiliseret polyethylen i luft gennemgår termisk-oxidativ nedbrydning (termisk ældning). Termisk ældning af polyethylen foregår ved en radikal mekanisme, ledsaget af frigivelse af aldehyder , ketoner , hydrogenperoxid osv.

Henter

Til forarbejdning kommer det i form af granulat fra 2 til 5 mm. Der er høj-, medium- og lavtrykspolyethylen, de adskiller sig i strukturen af ​​makromolekyler og egenskaber. Polyethylen opnås ved polymerisation af ethylen: [10]

PVD

Højtrykspolyethylen (LDPE) dannes under følgende forhold:

Produktet opnås i en autoklave eller rørreaktor. Reaktionen forløber ved en radikal mekanisme . Polyethylenen opnået ved denne metode har en vægtgennemsnitlig molekylvægt på 80.000–500.000 og en krystallinitetsgrad på 50–60 % . Det flydende produkt granuleres efterfølgende . Reaktionen foregår i smelten.

PSD

Medium tryk polyethylen (MPD) dannes under følgende forhold:

Produktet præcipiterer ud af opløsningen i form af flager. Polyethylenet opnået ved denne metode har en vægtgennemsnitlig molekylvægt på 300.000-400.000 og en krystallinitetsgrad på 80-90%.

PND

Lavtrykspolyethylen (HDPE) dannes under følgende forhold:

Polymerisation forløber i suspension i overensstemmelse med ion-koordinationsmekanismen. Polyethylenen opnået ved denne metode har en vægtgennemsnitlig molekylvægt på 80.000-300.000 og en krystallinitetsgrad på 75-85%.

Man skal huske på, at navnene "lavtrykspolyethylen", "middeltryk", "høj tæthed" osv. er rent retoriske. Således har polyethylen opnået ved den anden og tredje metode den samme densitet og molekylvægt. Trykket i polymerisationsprocessen ved de såkaldte lav- og mellemtryk er i nogle tilfælde det samme.

Andre måder at opnå

Der er andre metoder til ethylenpolymerisation, for eksempel under påvirkning af radioaktiv stråling, men de har ikke modtaget industriel distribution.

Ændringer

Udvalget af ethylenpolymerer kan udvides betydeligt ved at opnå dets copolymerer med andre monomerer, såvel som ved at opnå sammensætninger ved at blande en type polyethylen med en anden type polyethylen, polypropylen , polyisobutylen, gummier osv.

På basis af polyethylen og andre polyolefiner kan der opnås adskillige modifikationer - podecopolymerer med aktive grupper, der forbedrer vedhæftningen af ​​polyolefiner til metaller, farvning, reducerer dets brændbarhed osv.

Modifikationer af den såkaldte "tværbundne" polyethylen PE-S (PE-X) skiller sig ud . Essensen af ​​tværbinding er, at molekylerne i kæden er forbundet ikke kun i serie, men der dannes også sidebindinger, der forbinder kæderne med hinanden, på grund af dette produkternes fysiske og i mindre grad kemiske egenskaber. ændre sig ret kraftigt.

Der er 4 typer tværbundet polyethylen (ifølge produktionsmetoden): peroxid, silan, stråling og nitrogen. PEX-b er den mest udbredte, da den er den hurtigste og billigste at fremstille.

Strålebehandling af polyethylen med visse doser fører til fremkomsten af ​​en formhukommelseseffekt og øger styrken [11] .

Ansøgning

En lavtonnagekvalitet af polyethylen, den såkaldte " polyethylen med ultrahøj molekylvægt ", karakteriseret ved fravær af tilsætningsstoffer med lav molekylvægt, høj linearitet og molekylvægt, bruges til medicinske formål som erstatning for bruskvæv af leddene. På trods af det faktum, at det kan sammenlignes med HDPE og LDPE i dets fysiske egenskaber, bruges det sjældent på grund af vanskeligheden ved dets forarbejdning, da det har en lav MFR og kun behandles ved presning.

Der tages forskellige foranstaltninger for at bekæmpe forurening af plastikposer, og omkring 40 lande har forbudt eller begrænset salg og/eller produktion af plastikposer.

Bortskaffelse

Genbrug

Polyethylenprodukter er genanvendelige og genanvendelige. Polyethylen (undtagen ultrahøj molekylvægt) behandles med alle metoder, der er kendt for plast, såsom ekstrudering , blæseekstrudering, sprøjtestøbning , pneumatisk støbning . Polyethylenekstrudering er mulig på udstyr med en "universal" orm installeret.

Brænding

Når polyethylen opvarmes i luft, kan flygtige produkter af termisk-oxidativ nedbrydning frigives til atmosfæren. Under den termiske nedbrydning af polyethylen i nærvær af luft eller oxygen dannes der flere lavtkogende forbindelser end under termisk nedbrydning i et vakuum eller i en inert gasatmosfære. Undersøgelsen af ​​strukturelle ændringer i polyethylen under nedbrydning i luft, i en oxygenatmosfære eller i en blanding bestående af O 2 og O 3 ved 150-210 °C viste, at der dannes hydroxyl-, peroxid-, carbonyl- og ethergrupper. Når polyethylen opvarmes til 430°C, sker der en meget dyb nedbrydning til paraffiner (65-67%) og olefiner (16-19%). Derudover findes følgende i nedbrydningsprodukterne: kulilte (op til 12%), brint (op til 10%), kuldioxid (op til 1,6%). Af olefinerne er hovedparten sædvanligvis ethylen. Tilstedeværelsen af ​​carbonmonoxid indikerer tilstedeværelsen af ​​oxygen i polyethylen, det vil sige tilstedeværelsen af ​​carbonylgrupper.

Bionedbrydning

Skimmelsvampe Penicillium simplicissimum er i stand til delvist at udnytte polyethylen forbehandlet med salpetersyre på tre måneder . Polyethylen nedbrydes relativt hurtigt af bakterien Nocardia asteroides . Nogle bakterier, der lever i tarmene i den sydlige staldmøl ( Plodia interpunctella ), er i stand til at nedbryde 100 mg polyethylen på otte uger. Brandbiens larver ( Galleria mellonella ) kan udnytte polyethylen endnu hurtigere [20] [21] .

Nedbrydningen af ​​polyethylen sker på grund af oxygenoxidation af bindinger mellem kulstofatomer. I dette tilfælde dannes først alkoholgrupper, derefter carbonyl- og carboxylgrupper. De resulterende fedtsyrer indgår i β-oxidation og nedbrydes til acetyl-CoA.

Bionedbrydende enzymer

Evnen til at oxidere polyethylen er blevet vist for alkanmonooxygenaser, laccaser og manganperoxidaser. [22]

Alkanmonooxygenaser (AlkB) er enzymer, der biologisk nedbryder alkaner. Tilgængelig i mikroorganismer, der er i stand til at bruge petroleumsprodukter som en kilde til energi og kulstof. Udfør følgende reaktion:

Alkan + О2 + 2Н + + 2е → alkan-1-ol + Н2О [23]

Laccaser er enzymer involveret i den biologiske nedbrydning af lignin. Oxider phenoliske forbindelser med dannelsen af ​​aktive phenoliske radikaler. Fenolradikaler kan derefter oxidere andre forbindelser, der fungerer som mellemled. På grund af tilstedeværelsen af ​​mediatorer har laccaser lav specificitet og kan oxidere en række forskellige forbindelser, herunder polyethylen og muligvis andre typer plast. [24]

Manganperoxidaser er også involveret i den biologiske nedbrydning af lignin. De oxiderer Mn +2 til Mn +3 . Mn 3+ kationer er ikke stabile i vandig opløsning; derfor dannes chelatkomplekser af mangankationer og carboxylsyrer, såsom oxalat, malonat, malat og lactat. Disse komplekser kan oxidere forskellige forbindelser, som så selv bliver til stærke oxidationsmidler. På grund af deres ejendommelighed har manganperoxidaser en meget lav specificitet, hvilket giver dem mulighed for også at oxidere polyethylen. [25]

Se også

Bemærk

  1. ↑ 1 2 3 4 Beskrivelse og kvaliteter af polymerer - Polyethylen . Hentet 21. april 2015. Arkiveret fra originalen 25. marts 2015.
  2. ↑ The King of Packaging: Hvordan cellofan blev til . Hentet 21. april 2015. Arkiveret fra originalen 19. april 2015.
  3. ↑ Polyethylens historie: plastikposens uventede fødsel . Dato for adgang: 25. december 2009. Arkiveret fra originalen 3. juli 2009.
  4. ↑ 1 2 J. White, D. Choi.// Polyethylen, polypropylen og andre polyolefiner. - St. Petersborg: Profession, 2007.
  5. ↑ Vasile C., Pascu M. Practical Guide to Polyethylene. — Shawbury: Smithers Rapra Press, 2008.
  6. ↑ 1 2 3 4 5 Kuleznev V. N. (red.), Gusev V. K. (red.) // Fundamentals of plastic processing technology. - M.: Kemi, 2004.
  7. ↑ Arkiveret kopi . Hentet 8. juli 2021. Arkiveret fra originalen 9. juli 2021.
  8. ↑ 1 2 Tsvetkov L. A. § ​​10. Begrebet højmolekylære forbindelser // Organisk kemi. Lærebog for klasse 10. — 20. udg. - M . : Education , 1981. - S. 52-57. — 1.210.000 eksemplarer.
  9. ↑ Shulpin G. Disse forskellige polymerer // Videnskab og liv . - 1982. - Nr. 3 . - S. 80-83 .
  10. ↑ Knunyats L. I. Chemical Encyclopedia. Bind 4. / udg. Zefirova N. S. - M . : Great Russian Encyclopedia, 1995. - S. 639. - ISBN 5-85270-008-8 .
  11. ↑ Cheshuev V. I., Gladukh E. V., Saiko I. V. et al. Industriel lægemiddelteknologi / I 2 dele, del 1 // Vinnitsa, Nova Kniga, 2014. - 696 s., ill. ISBN 978-966-382-540-3 . S. 114.
  12. ↑ Klem og krank: Lavet i Rusland . Dato for adgang: 26. december 2009. Arkiveret fra originalen 28. december 2009.
  13. ↑ Panser fra det XXI århundrede (utilgængeligt link) . Dato for adgang: 26. december 2009. Arkiveret fra originalen 27. juni 2009. 
  14. ↑ Total Petrochemicals skabte en rotationsstøbningsbåd af polyethylen . Hentet 26. december 2009. Arkiveret fra originalen 15. december 2013.
  15. ↑ HDPE Geomembran . Hentet 3. juli 2010. Arkiveret fra originalen 31. oktober 2010.
  16. ↑ Nyt i livet, videnskaben, teknologien // M .: Knowledge , 1970. S. 14.
  17. ↑ Pogosov A. Yu. , Dubkovsky V. A. Ioniserende stråling: radioøkologi, fysik, teknologi, beskyttelse // Odessa: Science and Technology, 2013. - 804 s., ill. ISBN 978-966-1552-27-1 . s. 469, 563.
  18. ↑ Forskere har foreslået at beskytte astronauter mod stråling med en polyethylenhjelm Arkivkopi dateret 18. januar 2021 på Wayback Machine // Artikel 08/15/2019 " TASS -Science".
  19. ↑ NEUTROSTOP afskærmningsblokke Arkiveret 21. januar 2022 på Wayback Machine // Artikel på hjemmesiden kopos.ru .
  20. ↑ Rusakova E. Larver har tilpasset sig den hurtige fordøjelse af polyethylen . N+1 Online-udgave (25. april 2017). Hentet 25. april 2017. Arkiveret fra originalen 26. april 2017.
  21. ↑ Bombelli P., Howe CJ, Bertocchini F. Bionedbrydning af polyethylen ved larver af voksmøl Galleria mellonella  // Current Biology. — Bd. 27.-P. R283-R293. - doi : 10.1016/j.cub.2017.02.060 .
  22. ↑ Victor Gambarini, Olga Pantos, Joanne M. Kingsbury, Louise Weaver, Kim M. Handley. Fylogenetisk fordeling af plastnedbrydende mikroorganismer  //  mSystems / Angela D. Kent. — 23-02-2021. — Bd. 6 , iss. 1 . — P.e01112–20 . — ISSN 2379-5077 . - doi : 10.1128/mSystems.01112-20 . Arkiveret fra originalen den 16. marts 2022.
  23. ↑ Rachel Narehood Austin, John T. Groves. Alkanoxiderende metalloenzymer i kulstofkredsløbet   // Metallomics . - 2011. - Bd. 3 , iss. 8 . — S. 775 . - ISSN 1756-591X 1756-5901, 1756-591X . - doi : 10.1039/c1mt00048a . Arkiveret fra originalen den 20. december 2021.
  24. ↑ Stephen M. Jones, Edward I. Solomon. Elektronoverførsel og reaktionsmekanisme for laccaser  //  Cellular and Molecular Life Sciences. – 2015-03. — Bd. 72 , udg. 5 . — S. 869–883 . — ISSN 1420-9071 1420-682X, 1420-9071 . - doi : 10.1007/s00018-014-1826-6 .
  25. ↑ Martin Hofrichter. Anmeldelse: ligninkonvertering ved manganperoxidase (MnP)  (engelsk)  // Enzym and Microbial Technology. - 2002-04. — Bd. 30 , iss. 4 . — S. 454–466 . - doi : 10.1016/S0141-0229(01)00528-2 . Arkiveret fra originalen den 22. februar 2022.

Litteratur

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger