Предел текучести полиэтилена высокого давления при растяжении

Полиэтилен высокого давления (расшифровка ПВД или ПЭВД — аббревиатуры) – это термопластичный полимер, получаемый методом полимеризации углеводородного соединения «этилен» (этен) под действием высоких температур (до 1800), давления до 3000 атмосфер и с участием кислорода. Также может называться как полиэтилен низкой плотности (ПНП или ПЭНП), так как имеет сравнительно слабые внутримолекулярные связи и, следовательно, более низкую плотность, чем полимеры других видов. Также для его обозначения применяется сокращение LDPE – английский эквивалент ПЭНП.

Полиэтилен низкой плотности (LDPE) – Процесс его изготовления протекает при очень высоком давлении от 100 до 300 мПа и температуре 100–300 °С, поэтому обозначается так же, как полиэтилен высокого давления (ПЭВД).

Макромолекулы полиэтилена высокого давления (n1000) содержат боковые углеводородные цепи C1—С4, молекулы полиэтилена среднего давления практически неразветвлённые, в нём больше доля кристаллической фазы, поэтому этот материал более плотный; молекулы полиэтилена низкого давления занимают промежуточное положение. Большим количеством боковых ответвлений объясняется более низкая кристалличность и соответственно более низкая плотность ПЭВД по сравнению с ПЭНД и ПЭСД. 

Особенности ПВД (ПНП)

Химические и физические характеристики

Полиэтилен высокого давления (ПВД) изготавливается в виде гранул ПВД. Имеет плотность 900-930 кг/м3, температуру плавления 100-115 0С и температуру хрупкости до -120 0С, а также малое водопоглощение (около 0,02 % за месяц) и высокую пластичность. Эти физико-химические характеристики ПВД как вещества объясняют следующие свойства изготовленных из него предметов и материалов:

• Мягкость и гибкость изделий из полиэтилена низкой плотности,
• Возможность создания из гранул ПВД особенно гладких и блестящих поверхностей,
• Устойчивость предметов из ПВД к механическим разрушениям путем разрыва и удара, а также к деформациям растяжения и сжатия,
• Высокую прочность ПВД (пэнп) при воздействии низких температур,
• Влаго- и воздухонепроницаемость ПЭНП -изделий,
• Устойчивость ПЭВД к воздействию света, в частности к солнечному излучению.

ВАЖНО! Использование полиэтилена высокого давления (ПВД) абсолютно безопасно как для человека, так и для состояния окружающей среды, так как он не выделяет никаких токсичных веществ. Именно поэтому ПЭВД может использоваться даже для контакта с продуктами питания и при изготовлении детских товаров.

Отличие ПВД от других полимеров

Полиэтилены (ПВД, ПНД и др.) – это материалы, которые изготавливаются из одного мономера, но могут быть различной плотности в зависимости от особенностей изготовления. Этот показатель сильно влияет на свойства полиэтилена: увеличение плотности ведет к повышению жесткости, твердости, прочности изделий и их химической стойкости. Но при этом падают другие показатели: ударопрочность, возможность растяжения при разрыве, проницаемость для жидкостей и газов. Так, ПВД имеет существенные отличия от других подобных полимеров:

• ПВД и ПНД. Полиэтилен высокого давления не зря называется еще и полиэтиленом низкой плотности (ПНП или ПЭНП). По сравнению с ним такие твердые полимеры, как ПНД (полиэтилен низкого давления), быстрее поддаются разрывам под действием удара, чаще ломаются на морозе и растрескиваются при увеличении нагрузки, хотя и обладают большей стойкостью к воздействию радиации, щелочей и кислот. Гранулы ПВД и изделия из них гораздо лучше переносят ультрафиолетовое излучение, а также имеют более красивую глянцевую поверхность.
• ПВД и ЛПНП.Другой полимер – ЛПНП (линейный полиэтилен), как и ПНД, имеет жесткую структуру, но по своим техническим характеристикам находится между ПВД и ПНД. Он более стоек к химически агрессивным средам, чем ПЭНП, и имеет большую устойчивость к проколу и растрескиванию, чем ПНД.

Показатели, характеризующие строение полимерной цепи различных видов полиэтилена, приведены в таблице.

Таблица. Показатели, характеризующие строение полимерной цепи различных видов полиэтилена

Структура молекулы ПЭНП влияет на свойства иначе, чем на плотность. Одно из важнейших свойств полимеров — кристалличность. Большая длина полимерных цепей приводит к образованию некоторого количества переплетений, что препятствует формированию плотных кристаллических образований при охлаждении, и таким образом между кристаллитами возникают неупорядоченные области.

Участки, где цепи параллельны и плотно упакованы, в значительной степени кристалличны, в то время как неупорядоченные области являются аморфными. Кристаллические области известны как кристаллиты.

Когда расплав полимера медленно охлаждают, кристаллиты могут образовывать сферолиты, состоящие из сферически симметричных образований кристаллитов и аморфного полимера.

Молекулы укладываются одна на другую параллельно с образованием ламелей. Кристаллизация распространяется, когда другие молекулы выстраиваются в том же порядке и складываются. Сферолиты, упомянутые ранее, образуются из-за нерегулярностей в структуре молекулы, которые ведут к росту кристаллитов в нескольких направлениях. Наличие боковых ответвлений приводит к уменьшению возможности упорядоченного расположения и, таким образом, снижает кристалличность.

Кристалличность ПЭНП обычно колеблется в интервале 55-70 % (по сравнению с 75-90% ПЭВП).

Другим важным показателем, на который влияет разветвленность цепи, является температура размягчения. Тот факт, что цепи не могут приблизиться плотно друг к другу, означает, что силы притяжения между ними ослабевают и тепловая энергия, необходимая для их перемещения относительно друг друга, т. е. течения, уменьшаются.

Точка размягчения ПЭНП немного ниже точки кипения воды, поэтому этот материал не может быть использован для контакта с кипящей водой или паром при стерилизации.

Таблица. Физико-химические свойства ПЭВД при 20°

Виды полиэтиленов ПЭНП

Дополнительная обработка полиэтилена высокого давления дает качественно новые материалы, различающиеся по химическим и физическим свойствам. В частности, существуют модификации ПЭВД с улучшенной адгезией к краскам и другим материалам (напр., к металлу) и с пониженной горючестью. На данный момент различают полиэтилены:

• вспененный ПВД,
• сшитый ПВД,
• сополимеры полиэтилена низкой плотности (ПНП) с другими мономерами либо с полиэтиленом другого вида.

Основные группы марок полиэтилена и сополимеров этилена, выпускаемые на сегодняшний день:

Полиэтилен

HDPE — Полиэтилен высокой плотности (полиэтилен низкого давления)
LDPE — Полиэтилен низкой плотности (полиэтилен 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
Cополимеры 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 метил метакриловой 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

Таблица 1: Основные физико-механические свойства ПЭВД

Таблица 2: Торговые названия ПЭВД в различных странах

Обозначение базовых марок полиэтилена высокого давления ПЭВД:

• первая цифра (1) – процесс полимеризации протекает при высоком давлении в трубчатых реакторах с применением инициаторов радикального типа;
• вторая и третья цифры – порядковый номер базовой марки;
• четвертая цифра– способ гомогенизации ( – без гомогенизации в расплаве;1 – гомогенизация в расплаве);
• пятая цифра – условная группа плотности (3 – 917–921 кг/м3; 4 – 922–926 кг/м3);
• последние три цифры(написанные через дефис) указывают десятикратное значение показателя текучести расплава.

Композиции на основе базовых марок полиэтиленов обозначаются иначе: название термопласта, первые три цифры показывают базовую марку (без расшифровки), а цифры после тире – номер рецептуры добавки, далее через запятую – цвет и рецептура окрашивания, сорт и стандарт.

ПЭВДперерабатываются всеми известными способами и применяются для изготовления технических изделий и товаров народного потребления.

Область примененияПЭВД

ПЭВД был впервые использован в электротехнической промышленности, главным образом в качестве изоляционного материала для подводных кабелей и позднее — для радаров. Кристалличность ПЭВД обычно колеблется в интервале 55-70 % (по сравнению с 75-90% ПЭНД).

Сферами применения ПЭВД являются:

— экструзия пленок;

— производство кабеля;

— литье пластмасс под давлением;

— производство выдувных изделий.

Применение ПЭВД

Области применения ПЭВД зависят от:

• марок полимеров,
• способа стабилизации
• введенных добавок.

Области применения, способы и параметры переработки представлены в табл.3

Благодаря удачному набору химических и физических свойств, гранулы ПВД находят применение в изготовлении:

• пленок ПЭНП, открытых и в виде рукава ПВД для мешков и пакетов,
• пластмасс ПЭНП путем литья под действием давления (полимерные трубы, технические детали и др.),
• выдувных изделий (бутылки, канистры и т.п.),
• теплоизоляционных материалов из вспененного пэнп,
• электроизоляционных материалов (оболочки кабелей и пр.),
• термоклея ПВД в виде порошка, приготовленного дроблением гранул ПВД.

ИНТЕРЕСНО! ПВД был первым полимером, который стал использоваться как изоляционный материал в электротехнической промышленности для изоляции подводных кабелей и позже — для радаров.

Получают полиэтилен методом радикальной полимеризации этилена в реакторах трубчатого и автоклавного типов при давлении от 160 до 210 МПа в соответствии сГОСТ 16336–93.

На предприятии Полимирпроизводят:

базовые марки ПЭВД:

10204-003;

10803-020;

16204-020;

15803-020;

11503-070;

17703-010;

и композиции на их основе:

для кабельной промышленности(107-01К, 102-01К, 107-02К, 102-02К, 107-10К, 102-10К, 107-61К);

пленочные(162-132, 175-132, 175-209, 175-353, 177-353, 108 черный 901, 158 черный 901);

трубные(полиэтилен 102-14).

Таблица 3: Характерные свойства, области применения и способы переработки ПЭВД

Области применения и основные характеристики базовых марок ПЭВД и композиций на их основе приведены в таблице 4 и таблице 5, соответственно.

Таблица 4: Назначение базовых марок ПЭВД

Таблица 5: Технические характеристики базовых марок Полиэтилена высокого давления (ПЭВД)

Для сравнения в таблицах 6 и 7 представлены технические характеристики ПЭВД и его композиций по данным зарубежных производителей.

Таблица 6: Нормативные показатели качества ПЭВД алкатен и алатон для различных марок

Таблица 7: Нормативные показатели качестваПЭВД луполен и фертен для различных марок