Полиэтилен: формула и строение

Полиэтилен (ПЭ) – один из самых популярных полимеров, применяемых в различных отраслях народного хозяйства. Является продуктом реакции полимеризации органического непредельного углеводорода этилена, имеющего эмпирическую формулу С2Н4. В процессе полимеризации происходит образование макромолекул, имеющих линейное строение, которое можно представить в виде формулы (-СН₂-СН₂-)_n. Соединение может иметь различную молекулярную массу, что зависит от длины цепи, наличия боковых ответвлений и применяемого метода полимеризации. Она колеблется от десятков тысяч до миллионов. Макромолекулы полиэтилена представлены в виде плоского зигзага. В его структуре есть двойная связь между углеродными атомами, что определяет его непредельный характер. В процессе полимеризации происходит разрыв двойной связи этилена, что приводит к образованию полимерной цепи, каждое звено которой содержит два атома карбона и четыре атома гидрогена:

Н Н
| |
– С – С –
| |
Н Н

Как уже было сказано, в процессе реакции полимеризации может возникать разветвление полимерной цепи, при котором к главной цепи присоединяются дополнительные полимерные группы. Именно степень разветвленности влияет на такие показатели полимера, как плотность, температура плавления и степень кристалличности. Так полиэтилен высокого давления имеет до 25 ответвлений на 1000 атомов углерода основной цепи, тогда как у полиэтилена низкого давления этот показатель обычно равен 3-5 ответвлений.

Но все же, любой вид полиэтилена, благодаря своему особому кристаллическому строению (степень кристалличности колеблется от 50% до 90% при нормальных условиях) и прочным молекулярным связям, обладает рядом положительных свойств, которые позволяют использовать его в различных отраслях. К основным качествам полиэтилена относятся:

1. Повышенная прочность при больших нагрузках.
2. Устойчивость к воздействию агрессивных веществ.
3. Стойкость к радиации и другим отрицательным факторам окружающей среды.
4. Гибкость и эластичность, позволяющая создавать различные изделия.
5. Хорошие свойства диэлектрика.

Неоспоримым преимуществом полиэтилена является его низкая цена, по отношению к другим полимерам, а также простота получения и переработки. Неудивительно, что он уверенно занимает лидирующие места среди прочих аналогичных ему материалов.

Получение полиэтилена

Полиэтилен получают радикальной полимеризацией этилена при высоком давлении и ионной полимеризацией при низком или среднем давлении. Именно от использования метода полимеризации зависят определенные характеристики материала. На сегодня в промышленности наиболее применимы следующие методы получения продукта, в зависимости от которых может отличаться химическая формула полиэтилена:

1. Полимеризация при давлении до 350 МПа и температуре до 300С в газовой фазе, а также в присутствии каталитических веществ (пероксиды органических соединений, кислород и т.д.) В результате этого получается, так называемый полиэтилен высокого давления (полиэтилен низкой плотности). Плотность такого полиэтилена составляет 916— 930 кг/м³
2. Полимеризация при пониженном давлении 0,5 МПа и температуре 80С в среде растворителя органической природы. Также часто используются металлоорганические катализаторы, в связи с чем, несколько повышается давление и температура реакции. Плотность такого продукта равна около 960 кг/м³. Это сырье называется полиэтиленов высокой плотности или низкого давления.
3. Полимеризация при температуре 150С и среднем давлении 4 МПа в растворе в присутствии катализаторов — окислов металлов. Вследствие этого получается полиэтилен среднего давления и с плотностью в диапазоне 960-970 кг/м³

В зависимости от способа получения разнятся и физические свойства полимера, которые зависят от плотности, молекулярной массы и степени кристалличности. Так, при увеличении молекулярной массы увеличивается и сопротивляемость материала к растрескиванию. При увеличении плотности повышается температура плавления. Поэтому полиэтилен повышенной плотности может эксплуатироваться при температуре до 100С. В свою очередь любой полиэтилен обладает устойчивостью к низким температурам (до -70С), что позволяет применять его в сложных климатических условиях.

Применение полиэтилена

На сферу использования полиэтилена влияет химическая формула, а также способ получения полимера. В целом, обобщив все данные, можно представить следующие варианты его применения:

1. Производство труб и конструкционных элементов.
2. Изготовление пленок различных характеристик и назначения (от пищевых до промышленных).
3. Медицинские изделия (шприцы, устройства для вливания крови и т.д.)
4. Конструкционные детали в машиностроении.
5. Электроизоляционные материалы в теле- и радиотехнике, а также в производстве проводов.
6. Бытовые товары различного назначения (игрушки, посуда).
7. Антикоррозийные покрытия для различных поверхностей и элементов.

Возможность использования полиэтилена продолжает изучаться и дальше. Введение в молекулу полимера дополнительных элементов позволит значительно расширить сферу его применения.