Полимеры и их применение

 

1. Полиэтилентерефталат (ПЭТФ)

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) - сложный полиэфир, выпускается  в России под названием «лавсан», за рубежом – «майлар», «терилен». ПЭТФ является кристаллическим полимером, при быстром охлаждении расплава можно получить аморфный полимер, который при нагреве выше 80°С начинает кристаллизоваться. Присутствие кислорода в цепи придает полимеру хорошую морозостойкость (-70°С), а наличие бензольного кольца - высокую теплостойкость.

Полиэфирные пленки жестки и прочны, высокопрозрачны. Однако скольжение у них плохое, если не введены специальные скользящие добавки, хотя они придают пленке легкую мутность; никаких других добавок в материал не вводят. Тепловая сварка затруднена из-за усадки и кристаллизации, приводящей к охрупчиванию материала. Поэтому ПЭТФ пленка используется в сочетании с нанесенным на нее ПЭНП, обладающим прекрасной свариваемостью. Кроме сварки комбинация с ПЭНП обеспечивает материалу более высокие барьерные свойства относительно воды и ее паров. ПЭТФ пленки стойки к раздиру и износу.

Паро- и газопроницаемость ПЭТФ низкая и имеет приблизительно тот же порядок, что и у ПЭНП. Проницаемость к газам и запахам такая же низкая, как и у ПЭНП. Изделия из ПЭТФ стойки к маслам и жирам, ко многим растворителям. ПЭТФ - прекрасный диэлектрик. Область его использования достаточно широка.

Основные  отрасли – потребители ПЭТФ

Сегодня ПЭТ используется для производства разнообразнейшей упаковки для продуктов и напитков, косметики и фармацевтических средств, ПЭТ материалы незаменимы при  изготовлении аудио, видео и рентгеновских пленок, автомобильных шин, бутылок для напитков, пленок с высокими барьерными свойствами, волокон для тканей. Широкий ряд применений возможен благодаря исключительному балансу возможностей ПЭТ и тому, что в готовом изделии степень кристалличности и уровень ориентации можно контролировать.

Итак, физические свойства ПЭТФ делают его идеальным материалом для использования в следующих  основных областях:

· изготовление упаковки (бутылки, коррексы, одноразовая посуда и т.д.)

· плёнок (торговое название «лавсан»)

· волокна (торговое название «полиэстер»)

·конструкционные элементы для строительства, композиционных материалов для машиностроительной промышленности и др.

Волокна

Основной областью использования  ПЭТФ в мире является изготовление полиэфирных волокон (лавсан или  терилен) и нитей. Если в России на производство волокон уходит всего лишь 2% от совокупного потребления ПЭТФ – гранулята, то в мире – около 68%.

Широкое применение ПЭТФ началось в 60-е годы первоначально в производстве текстиля. С тех пор спрос неуклонно  растет в первую очередь в развитых странах. На рынке ПЭТФ в большинстве  регионов отмечается чрезвычайно быстрый  рост спроса со стороны продуцентов полиэфирных волокон и нитей. В свою очередь из полиэфирных волокон и нитей изготавливают полиэфирные (ПЭФ) ткани. Рост спроса на ПЭФ был вызван, в первую очередь, более низкой себестоимостью по сравнению с другими видами химических волокон и нитей. Вторым фактором популярности полиэфира стал широкий спектр применения в связи с прекрасными свойствами материала. По прочности и удлинению полиэфир не уступает полиамиду, а по светоустойчивости превосходит его, по формоустойчивости превосходит самое формоустойчивое из всех природных волокон — шерсть, имеет низкую гигроскопичность и высокую термостойкость, что является достоинством при производстве технических тканей.

Различают: Текстильные волокна  и нити.

Полиэфирные текстильные  волокна - производство пряжи полиэфирной  и смесовой, широко применяется в  производстве хлопковых, льняных, шерстяных  тканей.

Полиэфирные текстильные  нити - используются в производстве широкого ассортимента различных типов  материалов: подкладочные, костюмные  ткани и др.

Технические волокна и нити

Основные сферы применения технических волокон и нитей:

Армирование шлангов;

Армирование приводных ремней;

Производство упаковочной  ленты;

Производство автомобильных  подушек безопасности;

Производство напольных  покрытий;

Армирование тентовых тканей;

Производство баннерных тканей и армирование баннерных ПВХ покрытий;

Производство кордных  тканей;

Производство геотканей.

ПЭТ бутылки

Производство ПЭТ бутылок - одно из самых значительных направлений  использования полиэтилентерефталата  в России. Развитие технологии выдувки  из преформ, стойкость к ударным нагрузкам, свобода в выборе дизайна и относительно низкая стоимость сделали ПЭТ упаковку самой популярной на рынке газированных напитков и минеральных вод, растительных масел. Кроме того ПЭТ тара получила широкое распространение в упаковке пива, майонеза, косметики, бытовой химии, технических жидкостей и др. пищевых и непищевых продуктов.

Исходный материал для  ПЭТ бутылок – ПЭТ преформы, из которых после предварительного разогрева растягиваются и выдуваются бутылки. Преформы производятся методом литья под давлением на специальных машинах - термопластавтоматах (ТПА). Цвет и прозрачность будущей бутылки закладывается при изготовлении преформы из гранул. Более 80% упаковочного ПЭТ производится в виде гранулята. Остальное приходится на пленки и заготовки, используемые для выпуска термоформованных упаковок для парфюмерных товаров, средств бытовой химии и лекарств.

ПЭТ-пленки

К настоящему времени в  мире сформировался достаточно емкий  рынок ПЭТ-пленок, используемых, прежде всего, для упаковки.

Полиэстровые пленки делятся на:

ОПЭТ пленку – тонкие пленки, ориентированные в одном  направлении. Такие пленки предназначены  для электроизоляции кабелей и изготовления пленочных кондиционеров. РЕТ пленки обладали для этого оптимальными свойствами – наибольшее сопротивление проколу при наименьшей толщине. Массовое же производство связано с производством фотопленок, аудио-, видеолент, которое стремительно отмирает вследствие перехода к цифровым технологиям воспроизведения.

БОПЭТ пленку - двуосноориентированная пленка. Она несравнимо тоньше (до 4 мкм), гораздо сильнее уровень сопротивления к проколу. Они предназначенная для изготовления гибкой упаковки под майонез, кетчуп, снеки из рыбы и морепродуктов, сыпучие товары бытовой химии, кофе, молоко, специи, кондитерские изделия, пельмени и др.

К настоящему времени БОПЭТ  пленка практически полностью вытеснила ОРЕТ пленку.

ПЭТ-G пленку – пленка, предназначенная для изготовления термоусадочной этикетки. Кроме того, эти пленки применяются в полиграфии – для изготовления окошечек для конвертов и упаковки.

А-ПЭТ пленку – аморфная пленка, предназначенная для термоформованной упаковки. Преимуществами АПЭТ пленок являются высокий уровень ударопрочности и высокая морозостойкость. Первый фактор предопределил использование АПЭТ для изготовления коррексов для конфет. Второй фактор - широкое применение для упаковки мороженого, замороженных овощей и фруктов, полуфабрикатов и т. п.

В целом можно отметить, что полиэстровая пленка очень устойчива к высокой температуре, поэтому ее термосварка в автоматах невозможна. Пленка используется только в ламинатах. Она не имеет запаха и обладает высокой жиростойкостью. Одно из важнейших преимуществ - высокий барьер газопроницаемости. При очень малой толщине (12 мкм) показатели прочности на разрыв и прокол чрезвычайно высоки - 1500 кг/см². Для сравнения - у полиэтилена низкой плотности (LDPE) этот показатель составляет всего 150 кг/см².

Исходя из сфер применения, выделяют три основных марки ПЭТФ-гранулята:

- Волоконный ПЭТФ

- Бутылочный ПЭТФ

- Пленочный ПЭТФ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Полиэтилен высокой и низкой плотности

Основные  физико-химические свойства

Полиэтилен (ПЭ) [–CH2–CH2–]n существует в двух модификациях, отличающихся по структуре, а значит, и по свойствам. Обе модификации получаются из этилена CH2=CH2. В одной из форм мономеры связаны в линейные цепи с СП обычно 5000 и более; в другой – разветвления из 4–6 углеродных атомов присоединены к основной цепи случайным способом. Линейные полиэтилены производятся с использованием особых катализаторов, полимеризация протекает при умеренных температурах (до 150°С) и давлениях (до 20атм).

Молекула полиэтилена  представляет из себя не что иное, как длинную цепь из атомов углерода, к каждому из которых присоединено по два атома водорода. В зависимости от метода изготовления получаются макромолекулы с различной степенью разветвления и различной плотностью. Поэтому ПЭ подразделяется на две основные группы:

Полиэтилен  низкой плотности

Полиэтилен низкой плотности (LDPE) – ПЭ с сравнительно сильно разветвленной макромолекулой и низкой плотностью (0,916–0,935г/см³). Процесс его изготовления протекает при очень высоком давлении от 100 до 300мПа и температуре 100–300°С, поэтому обозначается так же, как полиэтилен высокого давления (ПЭВД).

Полиэтилен  высокой плотности

Полиэтилен высокой плотности (НDPE) – ПЭ с линейной макромолекулой и относительно высокой плотностью (0,960г/см³). Это полиэтилен, называемый также полиэтиленом низкого давления (ПЭНД), его получают полимеризацией со специальными катализаторными системами.

Линейные полиэтилены  образуют области кристалличности, которые сильно влияют на физические свойства образцов. Этот тип полиэтилена  обычно называют полиэтиленом высокой  плотности; он представляет собой очень  твердый, прочный и жесткий термопласт, широко применяемый для литьевого и выдувного формования емкостей, используемых в домашнем хозяйстве и промышленности. Полиэтилен высокой плотности прочнее полиэтилена низкой плотности.

Таблица. Свойства полиэтилена высокой плотности

СП от 1000 до 50 000

Тпл 129–135°С

Тст ок. –60°С

Плотность 0,95–0,96г/см3

Кристалличность высокая

Растворимость растворим в ароматических углеводородах только при температурах выше 120°С

Линейное строение, о котором  упоминалось ранее, характерно для  ПЭ, получаемых при низком давлении, боковые цепи образуются, но они  коротки и количество их невелико. Сополимеры этилена, например с бутеном-1, также получают при низком давлении для того, чтобы ввести контролируемое число ответвлений в линейную, в сущности, молекулу. Плотность  сополимеров составляет 0,945-0,950г/см3, в то время как линейных гомополимеров - 0,960г/см3.

Пленки на основе ПЭВП более  жесткие, прочные, менее воскообразные  на ощупь по сравнению с пленками на основе ПЭНП. Они могут быть получены методом экструзии с раздувом или через плоскую щель (с поливом  на охлаждаемый валок или водяным  охлаждением). При экструзии с  раздувом, однако, получают более мутную, полупрозрачную пленку.

Температура размягчения  ПЭВП (121°С) выше, чем у ПЭНП, поэтому  он выдерживает стерилизацию паром. Морозостойкость примерно такая  же, как у ПЭНП.

Прочность при растяжении и сжатии выше, чем у ПЭНП, а  сопротивление удару и раздиру ниже. Из-за линейной структуры молекулы ПЭВП стремятся ориентироваться в направлении течения, и сопротивление раздиру в продольном направлении пленок значительно ниже. Различия сопротивлений раздиру в продольном и поперечном направлениях могут быть увеличены при ориентации, и пленке будут присущи свойства ленточек, работающих на раздир.

Проницаемость ПЭВП ниже, чем  у ПЭНП, примерно в 5-6 раз, и он является прекрасной преградой влаге.

Среди обычных пленок ПЭВП по влагопроницаемости уступает только пленкам на основе сополимеров винилхлорида и винил-иденхлорида.

По химической стойкости  ПЭВП также превосходит ПЭНП, особенно по стойкости к маслам и жирам.

С увеличением плотности  растворимость в органических растворителях  уменьшается, как и проницаемость  по отношению к растворителям.

ПЭВП подвержен растрескиванию под действием среды, как и  ПЭНП, но этот эффект может быть уменьшен благодаря использованию высокомолекулярных марок ПЭ, у которых этот недостаток отсутствует.

Свойства  ПНД трубныхкомпозиций

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 (поляризационный микроскоп).

Температура размягчения = 120-125°С (по 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 (толщина  образца 1 мм при частоте 50 Гц) = не менее 40 кВ/мм (по ГОСТ 6433.3-7).

Удельное объемное электрическое  сопротивление = 1•1016-1•1017 Ом•см (ГОСТ 6433.2-71).

Области применения

Существенные свойства всех типов полиэтилена (HDPE, LDPE, LLDPE):