Растворимость в воде полиэтилена: Физико-химические свойства полиэтилена — ИНВЕСТИЦИОННЫЙ ПОРТАЛ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

23.10.1974

Содержание

Химические и физические свойства полиэтилена, технические характеристики 2022

Заслуженную популярность полиэтилен приобрел благодаря своим физико-химическим свойствам, обусловленным его химическим строением.

Химические

Свойство	Значение
Газопроницаемость	низкая
Паропроницаемость	низкая
Устойчивость к органическим и неорганическим кислотам	высокая (за исключением 50% раствора азотной кислоты)
Устойчивость к растворам солей	высокая
Взаимодействие со щелочами	не взаимодействует
Растворимость в органических растворителях	низкая (слегка разбухает)
Химические вещества, разрушающие полиэтилен	газообразный и жидкий фтор и хлор

Благодаря своим химическим свойствам в полиэтиленовых тарах можно хранить воду, алкоголь, соки, бензин, кислоты, масла, растворители. Если упаковать изделие в полиэтиленовый пакет или пленку, то они в свою очередь надежно защитят его от вышеуказанных жидкостей.

Физические

Физические свойства полиэтилена находятся в сильной зависимости от его вида. Менее плотный полиэтилен высокого давления более мягкий, чем полиэтилен низкого давления. Он более эластичный, меньше страдает от разрывов и проколов, однако имеет более низкую температуру плавления. Полиэтилен низкого давления более твердый и прочный ввиду более высокой плотности.

Свойство	Значение
Цвет	от прозрачного до белого в зависимости от толщины
Запах	не имеет
Эластичность	высокая
Твердость	чем ниже плотность, тем мягче
Плотность, г/см3	полиэтилен высокого давления — 0,900-0,939; полиэтилен низкого давления — 0,931-0,970
Устойчивость к ударам	высокая
Эксплуатационные температуры, 0С	-70 +80
Температура плавления, ⁰С	полиэтилен высокого давления — +103-110; полиэтилен низкого давления — +125-132
Поглотительная способность	низкая
Проводимость тока	не проводит

Существуют также сверхмолекулярный полиэтилен, который выдерживает сверхнизкие и сверхвысокие температуры (от -260 до +120 ⁰С), более устойчив к растрескиванию и воздействию химических веществ. У данного вида полиэтилена также значительно повышена износостойкость.

Недостатки полиэтилена: Главный недостаток полиэтилена – это низкая устойчивость к старению под воздействием солнечного света и УФ-лучей. Снижения негативного влияния данного свойства достигают путем добавления сажи и производных бензофенонов.

Положительные физико-химические свойства полиэтилена можно улучшить добавлением различных химических веществ во время полимеризации или обработкой готового полиэтилена:

1. Добавлением олефинов и полярных мономеров добиваются усиления прозрачности и эластичности, снижения растрескивания;

2. Добавляя сополимеры и другие полимеры усиливают ударопрочность;

3. Хлорированием, бромированием и фторированием улучшают химическую и тепловую стойкость.

Эксплуатационный свойства изделий, произведенных из полиэтилена, во многом зависят от скорости и равномерности охлаждения и условий эксплуатации: температуры, давления, продолжительности и степени нагрузки, условий хранения.

Физические и химические свойства полиэтилена

Впервые полиэтилен был случайно получен одним из немецких инженеров в 1899 году. После, более тридцати лет этому веществу не уделяли должного внимания, но уже в начале 30-х годов из полимера стали производить телефонные кабели. Как сырьё для получения тары, полиэтилен начал использоваться только в начале 50-х годов XIX века.

Физические свойства полиэтилена

Полимеризованный этилен обладает большой термопластичностью. Тонкие пласты полимера целиком прозрачны, а при обыкновенных условиях – это белая масса, стойкая как к химическим воздействиям, так и к пониженным температурам. Полиэтилен не проводит электрический ток, амортизирует удары и при нагревании до восьмидесяти градусов Цельсия становится мягким, пластичным.

Получают главным образом два типа полиэтилена: высокого давления (имеет низкую плотность, примерно 900-930 кг/м ) – ПЭВД – изготавливается при высоком давлении; низкого давления – ПЭНД – соответственно производится при низком давлении (ρ от 940 до 960 кг/м ).

Разница в физических свойствах этих двух модификаций существенна: предел текучести у ПЭНД в два раза выше, чем у ПЭВД, как, собственно, теплопроводность и температура плавления.

Строение макромолекул полимера

Полимерные цепи полиэтилена ВД состоят примерно из 1000 звеньев мономеров и включают в себя боковые ответвления цепей С1 – С4. Полиэтилен НД содержит цепи, практически не включающие разветвлений, имеет кристаллическую структуру. Именно поэтому данная модификация полиэтилена имеет большую плотность, по сравнению с ПЭВД, который почти не содержит кристаллической сетки. Все свойства продукта из полимеризованного этилена будут напрямую зависеть от условий его изготовления и эксплуатации.

Химия полиэтилена

Его химические свойства зависят от модификации, плотности образца и его молекулярного веса. Полиэтилен горит светло-голубым пламенем, издавая запах горящей парафиновой свечи. Он не взаимодействует с основаниями, с ионными электролитами, а также с концентрированными растворами хлороводородной кислоты и HF. Полимер деструктурируется под действием газообразных Cl2 и F2 и их жидких аналогов, то же происходит при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой (w>50%).

Полиэтилен не нейтрализует растворы марганцовки и Br2 x h30, устойчив к влиянию любых растворителей. Однако, уже при восьмидесяти градусах Цельсия разлагается под действием циклического гексана и CCl4. При подведении давления в несколько атмосфер, полимер растворяется в воде с t h3O = 180°C.

По истечении некоторого времени, полимер разрушается, образовывая перпендикулярные межцепные связи, становится хрупким и на доли процента увеличивается его прочность. Дестабилизированный полимер на открытом воздухе подвергается термостарению – процессу термоокисления и последующей деструкции. Процесс проходит по R-механизму с отщеплением R-CHO, R-CO-R, HOOH и других продуктов.

Полиэтилен не выделяет в окружающую среду никаких опасных веществ и поэтому безвреден для человеческого организма. Под действием солнечного света образец полимера подвергается фотостарению. Эффективной защитой полиэтилена от УФ воздействия послужат ароматические амины, фенолы и даже сажа.

Для улучшения эксплуатационных свойств полиэтилен можно подвергать модифицированию: хлорировать, фторировать, улучшать химическую стойкость и теплостойкость, уменьшить склонность к растрескиванию, проводить сополимеризацию для улучшения ударной вязкости.

Получение промышленными методами

Данный полимер в промышленности получают главным образом каталитической полимеризацией С2Н4:

полиэтилен ВД получают нагреванием этилена до значения в 473-523 К. Давление процесса доводят до 1,5-3 х 10 Па, проводя его под действием О2 или ROOH преимущественно в массообменных резервуарах. Механизм процесса является радикальным. Средняя молекулярная масса продукта достигает 500 тысяч с кристаллизацией в 60%. Чистое вещество – жидкость, которая в дальнейшем гранулируется;
полиэтилен СД выделяется в хлопьеподобный осадок при нагреве до 373 К и давлении 0.035 х 10 Па. В качестве катализатора в данном процессе используют смесь TiCl4 и AlR3.
Кристалличность осадка достигает 90%, средняя молекулярная масса 400 тысяч единиц;
полиэтилен НД получают по специализированному механизму. Молярная масса обычно имеет значение от восьмидесяти до трёхсот тысяч единиц. Полиэтилен данного типа выделяют при t = 393-423 К, пониженном давлении в присутствии смеси хлорида титана и алкил-алюминатов.

Получить полимер в промышленности можно и иначе, например, действуя на этилен α- или β-излучением, но данный способ весьма редко используется при получении полиэтилена.

Свойства полимеров — Химия LibreTexts

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 5434

Поучительно сравнение свойств полиэтилена (как LDPE, так и HDPE) с природными полимерами каучуком и целлюлозой. Как отмечалось выше, синтетические макромолекулы ПЭВП имеют массы от 105 до 106 а.е.м. (молекулы ПЭНП более чем в сто раз меньше). Молекулы каучука и целлюлозы имеют одинаковые диапазоны массы, но меньше мономерных звеньев из-за большего размера мономера. Физические свойства этих трех полимерных веществ отличаются друг от друга и, конечно же, от их мономеров.

ПЭВП представляет собой жесткое полупрозрачное твердое вещество, которое размягчается при нагревании выше 100ºC и может быть придано различные формы, включая пленки. Он не так легко растягивается и деформируется, как ПВД. ПЭВП нерастворим в воде и большинстве органических растворителей, хотя при погружении в последние может произойти некоторое набухание. HDPE является отличным электрическим изолятором.

LDPE представляет собой мягкое полупрозрачное твердое вещество, которое плохо деформируется при температуре выше 75º C. Пленки, изготовленные из LDPE, легко растягиваются и обычно используются для обертывания. LDPE нерастворим в воде, но размягчается и набухает при воздействии углеводородных растворителей. И LDPE, и HDPE становятся хрупкими при очень низких температурах (ниже -80ºC). Этилен, обычный мономер для этих полимеров, представляет собой газ с низкой температурой кипения (-104ºC).
Натуральный (латексный) каучук представляет собой непрозрачное, мягкое, легко деформируемое твердое вещество, которое становится липким при нагревании (выше 60°С) и становится хрупким при охлаждении ниже -50°С. Он набухает более чем в два раза в неполярных органических растворителях, таких как толуол. , со временем растворяющийся, но непроницаемый для воды. Мономер C5H8 изопрен представляет собой летучую жидкость (точка кипения 34ºC).

Чистая целлюлоза в форме хлопка представляет собой мягкое гибкое волокно, практически не изменяющееся при изменении температуры в диапазоне от -70 до 80º C. Хлопок легко впитывает воду, но на него не влияет погружение в толуол или большинство других органических растворителей. Целлюлозные волокна могут изгибаться и скручиваться, но не сильно растягиваются, прежде чем порвутся. Мономером целлюлозы является С ₆ H ₁₂ O ₆ альдогексоза D-глюкоза. Глюкоза представляет собой водорастворимое твердое вещество с температурой плавления ниже 150ºC.

Чтобы объяснить отмеченные здесь различия, нам необходимо рассмотреть природу совокупной макромолекулярной структуры или морфологию каждого вещества. Поскольку полимерные молекулы очень большие, они обычно упаковываются неравномерно, с упорядоченными или кристаллоподобными областями, смешанными с неупорядоченными или аморфными областями. В некоторых случаях все твердое тело может быть аморфным, полностью состоящим из спиральных и запутанных макромолекулярных цепей. Кристалличность возникает, когда линейные полимерные цепи структурно ориентированы в однородной трехмерной матрице. На диаграмме справа кристаллические домены окрашены в синий цвет.

Повышенная кристалличность связана с увеличением жесткости, прочности на разрыв и непрозрачности (из-за светорассеяния).

Аморфные полимеры обычно менее жесткие, более слабые и легче деформируются. Часто они прозрачные.

На степень кристалличности влияют три фактора:
i) Длина цепи

ii) Разветвление цепи
iii) Межцепочечное связывание

Важность первых двух факторов хорошо иллюстрируется различиями между LDPE и HDPE. Как отмечалось ранее, ПЭВП состоит из очень длинных неразветвленных углеводородных цепей. Они легко объединяются в кристаллические домены, которые чередуются с аморфными сегментами, и полученный материал, хотя и относительно прочный и жесткий, сохраняет некоторую гибкость. Напротив, ПЭНП состоит из меньших по размеру и более разветвленных цепей, которым нелегко принять кристаллическую структуру. Таким образом, этот материал мягче, слабее, менее плотный и легче деформируется, чем HDPE. Как правило, механические свойства, такие как пластичность, прочность на растяжение и твердость, повышаются и в конечном итоге выравниваются с увеличением длины цепи.

Природа целлюлозы подтверждает приведенный выше анализ и демонстрирует важность третьего фактора (iii). Начнем с того, что цепи целлюлозы легко принимают стабильную палочковидную конформацию. Эти молекулы выстраиваются бок о бок в волокна, которые стабилизируются межцепочечной водородной связью между тремя гидроксильными группами на каждом мономерном звене. Следовательно, кристалличность высокая, и молекулы целлюлозы не перемещаются и не скользят друг относительно друга. Высокая концентрация гидроксильных групп также объясняет легкое поглощение воды, характерное для хлопка.

Натуральный каучук представляет собой полностью аморфный полимер. К сожалению, потенциально полезные свойства необработанного латексного каучука ограничены температурной зависимостью; однако эти свойства могут быть изменены путем химического изменения. Цис-двойные связи в углеводородной цепи образуют плоские сегменты, которые делают цепь более жесткой, но не выпрямляют ее. Если эти жесткие сегменты полностью удалить гидрированием (катализатор h3 и Pt), цепи теряют все ограничения, и продукт представляет собой низкоплавкое парафиноподобное полутвердое вещество малой ценности. Если вместо этого цепочки молекул каучука слегка сшиты атомами серы, процесс, называемый вулканизацией, был открыт Чарльзом Гудиером в 1839 году.желательные эластомерные свойства каучука существенно улучшаются. При степени сшивания от 2 до 3% получается полезная мягкая резина, которая больше не страдает от проблем с липкостью и хрупкостью при нагревании и охлаждении. При степени сшивки от 25 до 35% образуется жесткий твердый каучуковый продукт. На следующем рисунке показан сшитый участок аморфного каучука. Щелкнув по диаграмме, она изменится на отображение соответствующего растянутого участка. Более высокоупорядоченные цепи в растянутой конформации энтропийно нестабильны и возвращаются в исходное свернутое состояние, когда им дают возможность расслабиться

Уильям Ройш, почетный профессор (штат Мичиган, Университет штата Мичиган), Виртуальный учебник органической химии

Properties of Polymers распространяется по незадекларированной лицензии и был создан, изменен и/или курирован LibreTexts.

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Книга или блок
Показать страницу TOC
№ на стр.
Теги

Раскрыта тайна растворимости широко используемого пластика

Компьютерное моделирование молекул ПЭГ и ПОМ в воде. Слева: молекулы ПЭГ растворяются в воде. В центре: молекулы ПОМ не растворяются в воде, а слипаются в комок. Справа: когда заряд атомов кислорода изменяется до значения в ПЭГ, молекулы ПОМ быстро растворяются.

1 кредит

Молекулы полиэфира имеют тенденцию лучше растворяться в воде, поскольку они содержат больше кислорода и меньше атомов углерода. Но есть очень противоречивые исключения из этой тенденции, наиболее известным из которых является широко используемый пластик POM. Он имеет максимально возможное соотношение кислорода и углерода, но совершенно нерастворим. В текущем выпуске Nature Communications исследователи из Амстердамского университета и Института исследований полимеров имени Макса Планка в Майнце представили окончательное объяснение.

Исследователи, в частности, пролили свет на различия в растворимости между простыми полиэфирами PEG (полиэтиленгликоль) и POM (полиоксиметилен), которые повсеместно встречаются в нашей повседневной жизни. ПЭГ имеет множество применений в водных растворах для фармацевтических и косметических целей, например, в кремах для бритья и ухода за кожей. ПОМ является вездесущим пластиковым материалом: многие предметы в повседневной жизни сделаны из ПОМ, как и хорошо известные каждому химику яркие зажимы Keck для соединения стеклянной посуды.

Хотя эти два простых полиэфира очень похожи на молекулярном уровне, их растворимость в воде весьма нелогична. ПЭГ (повторяющееся звено -CH ₂ -CH ₂ -O-) прекрасно растворим, и каждый студент-химик скажет вам, почему: атомы кислорода в ПЭГ заряжены слегка отрицательно, что делает их гидрофильными. Это объяснение, кажется, подтверждается сопоставимым полимером PPG (полипропиленгликоль, повторяющееся звено-CH ₂ -CH ₂ -CH ₂ -O-): он содержит относительно меньше атомов кислорода, чем ПЭГ, и менее растворим, что совершенно логично.

Но подождите: ПОМ (повторяющееся звено -CH ₂ -O-) содержит относительно больше атомов кислорода, чем ПЭГ, поэтому объяснение предполагает повышенную растворимость. Однако ПОМ совершенно нерастворим!

Индукция как объяснительный принцип

Чтобы разгадать тайну, исследователи из Амстердама и Майнца использовали комбинацию фемтосекундной инфракрасной спектроскопии, экспериментов по диэлектрической релаксации, квантовых расчетов и компьютерного моделирования.

Эксперименты показали, что взаимодействие вода-полимер, определяющее растворимость, сильно зависит от соотношения углерод/кислород в полимере. Интересно, что квантовые расчеты показали, что эта зависимость не связана с расстоянием между атомами кислорода в полимерной цепи. Это часто предлагалось — идея заключалась в том, что расстояние между кислородом и кислородом в ПЭГ лучше вписывается в сеть водородных связей воды.

В Nature Communications исследователи теперь показывают, что связь между соотношением углерод/кислород и растворимостью связана с индукцией: атомы кислорода заряжены отрицательно, потому что они забирают электронную плотность у соседних атомов углерода в полимерной цепи. В ПЭГ каждый атом кислорода имеет два соседних атома углерода, полностью находящихся в его распоряжении, чтобы отобрать электронную плотность. Однако в POM атомы кислорода должны «делить» атомы углерода между собой и, следовательно, могут поглощать меньшую электронную плотность. В результате частичный отрицательный заряд на атомах кислорода в ПОМ примерно в два раза меньше, чем в ПЭГ. Таким образом, концепция индукции прекрасно объясняет, почему ПОМ гораздо менее гидрофильен и, следовательно, нерастворим.

Элегантное подтверждение

Чтобы подтвердить, что разница в парциальном заряде кислорода действительно объясняет разницу в растворимости, группа исследователей-теоретиков провела элегантный компьютерный эксперимент. Во-первых, они смоделировали раствор молекул POM, который выпал в осадок, как и ожидалось. Когда затем они изменили заряд кислорода POM на рассчитанный для PEG, заряды POM с PEG быстро растворились.

Помимо решения давней загадки, связанной с повседневными материалами, результаты показывают, что эффекты индукции могут иметь большое влияние на растворимость. Учет этого эффекта должен облегчить прогнозирование растворимости в будущем.

Дополнительная информация: Бернд Энсинг и др. О происхождении крайне различной растворимости простых полиэфиров в воде, Nature Communications (2019). DOI: 10.