Наиболее известный полимер из всех. Связано это с его широким применением в бытовой сфере. Упаковочные материалы из этого материала очень легкие, прочные и не пропускают вредных веществ. Химическая формула полиэтилена (СН ₂)_n-. Полиэтилен представляет собой термопластичное вещество. Это значит что при нагреве материал может изменять свою форму. Полиэтилен на нефтехимических предприятиях производится в виде небольших гранул белого цвета. Они выпадают в виде осадка при производственном процессе. Окончательную форму и цвет материал приобретает при дальнейшей обработке. Формовка изделий из этого материала производится путем литья, выдавливания и механической обработке. Благодаря своим термопластическим свойствам, материал легко поддается обработке под действием температуры. Положительные качества и относительная простота производства сделали полиэтилен самым распространенным полимером в мире.

История полиэтилена

Первооткрывателем этого полимерного материала стал инженер из Германии Ганс фон Пехман. Интересной особенностью является то, что открытие произошло совершенно случайно. Пехман проводил химический эксперимент, в результате которого при нагреве диазометана в осадок выпало белое вязкое вещество. Таким образом, были случайно открыты первые молекулы полиэтилена. В связи с низким уровнем технологий того времени определить, какое именно вещество получилось, оказалось невозможным. Но после исследований было точно установлено, что исходный материал представляет собой длинную молекулярную цепочку из звеньев -СН ₂-. Именно этот мономер внес некоторую неточность в первое название вещества. Химики Тширнер и Бамбергер, проводившие исследование, назвали полученное вещество полимителеном, поскольку не могли раскрыть формулу в полном объеме. На самом деле осадок имел другую структуру, понять которую смогли только перед началом Второй мировой войны. Процесс полимеризации позволил понять, что цепочки состоят из мономеров этилена CH ₂=CH_2. Однако имена исследователей навсегда вошли в историю как первооткрывателей органической химии.

Поскольку тогдашние технологии не позволяли оценить открытие в полной мере, то о нем забыли на длительное время. Повторить эксперимент удалось только в 1933 году. Опять, благодаря случайности и экспериментам с газами, химикам Эрику Фоссету и Реджинальду Гибсону удалось получить осадок. Изучив полученное вещество, они сделали правильный вывод о том, что это полиэтилен. Повторить опыт удалось лишь через несколько лет. Проблема заключалась в том, что для процесса полимеризации необходимо вводить инициатор. В первом случае его роль сыграл кислород, который попал в установку случайно. Только через шесть лет удалось осознанно синтезировать полиэтилен.

Полиэтилен сыграл важную роль во Второй мировой войне. Благодаря свойствам этого материала, его стали использовать для изоляции коммуникационных кабелей и электропроводки. Кроме того, по требованиям военных из его толстых плит стали производить корпуса для радиотехники. Это настолько снизило вес приборов локации, что их стали устанавливать на самолеты, что позволило британским ВВС получить серьезное преимущество перед немецкими. Небольшой вес и высокие изоляционные качества дают возможность использовать полиэтилен в самых разных сферах. Материал позволил проложить глубоководные кабели по дну океана, что помогло соединить вес мир в одну информационную цепь. Возросший спрос на материал привел к серьезному развитию технологий его производства. Постоянные поиски способов удешевить изготовление привели к тому, что в 1952 году немецкому химику Циглеру удалось ввести в процесс металлизированные катализаторы. Такое решение существенно упростило процесс получения вещества. Введенные вещества снизили рабочую температуру и давление. Именно это открытие позволило производить полиэтилен в промышленных масштабах и сделало полимеры доступными для каждого.

Еще одним важным моментом популяризации полимеров стало окончание Второй мировой войны. Многие исследования в военной сфере нашли свое применение в гражданской сфере. Развитие технологий открыло новые варианты полимеров и способы обработки полиэтилена, которые позволили выпускать его в виде пленок, плит и т.д. Настоящим открытием стал первый пакет из полиэтилена, который был произведен в 1957 году. Такие изделия завоевывали свою популярность очень медленно. В 1973 году выпускалось всего одиннадцать миллионов изделий. Однако существенное удешевление процесса производства привело к тому, что уже через тридцать лет количество пакетов выросло до нескольких триллионов. На сегодняшний момент материал применяется повсеместно. Каждый из нас пользуется полиэтиленом, который плотно вошел в жизнь человека. В наше время материал чаще всего применяется в гражданской сфере, поскольку в промышленности и военной отрасли стали применять другие полимерные материалы.

Получение полиэтилена

Сжатая схема современного производства полиэтилена показана на рисунке:

Рис. 10

В наше время производство полиэтилена представляет достаточно сложный процесс. Ископаемое сырье поступает на специализированные предприятия, где подвергается термическому способу обработки (пиролизу). На газоперерабатывающих заводах удается получить мономеры этилена, которые и становятся основой для создания полимерных соединений. В дальнейшем сырье подвергается необходимой обработке и проходит процесс полимеризации. В зависимости от условий производственного процесса на выходе удается получить несколько видов разных материалов. В Российской Федерации производится два вида полиэтилена: высокой и низкой плотности. ПЭВД (полиэтилен высокого давления) был получен первым. Для его создания необходимо создать достаточно сложные технологические условия. Температура производства колеблется от 200 до 260 градусов, а давление – от 1,3 до 3 тыс. атмосфер. На выходе имеем плотный материал. В отличие от него, полиэтилен низкого давления (ПЭНД) производится в более «мягких» условиях. Рабочая температура составляет всего 70-120 градусов Цельсия. Давление при этом не превышает двадцати атмосфер. В конечном итогу получается материал с невысокой плотностью и весом. Различные свойства и стоимость обуславливают разные сферы применения материала.

Полиэтилен в СИБУРе

В общей сложности на территории Российской Федерации производится около двух миллионов тонн полиэтилена в год. Доля холдинга СИБУР составляет приблизительно 240 тыс. тонн. При этом компания производит исключительно полиэтилен высокого давления, поскольку он является более востребованным на рынке. Основные мощности находятся на территории предприятия «Томкс-Нефтехим». Сырье поступает с нефтеперерабатывающих заводов Западной Сибири, газоперерабатывающего завода Тобольска и с Сургутского предприятия по переработке газового конденсата. Холдинг может похвастаться полным циклом производства полимера: от изначальной добычи сырья до окончательной обработки материала.

Процесс полимеризации этилена на Томском предприятии протекает в экстремальных условиях. Рабочая температура установки составляет 300 градусов по Цельсия, а давление –2,5тыс. атмосфер. Вся процедура выполняется в специальном агрегате, который называется реактором полимеризации. Для того чтобы установка выдерживала такие агрессивные условия эксплуатации, ее изготавливают из сверхпрочных сталей военного назначения.

Конструкция установки представляет собой трубу широкого диаметра с двумя стенками. Сама труба разделена на три основные секторы длиной почти в 1 км каждая. Для того чтобы сэкономить рабочее пространство, труба укладывается в несколько слоев. Рабочей зоной служит только внутренний проводник, в котором и происходит реакция полимеризации. Наружная труба выполняет роль кожуха охлаждения. Для того чтобы избежать деформации металлов при изменении температур, в качества охладителя используется вода, нагретая до 200 градусов. Такой охладитель позволяет сделать процесс полимеризации более контролированным и эффективным.

Вся установка разбита на три основные секции. При поступлении этилена в каждую из них добавляется инициатор. Наиболее традиционным веществом является кислород, но с последнего времени стали использоваться органические перекиси, которые позволяют добиться большей эффективности. Поскольку под действием высокой температуры полиэтилен расплавляется, то на выходе он попадает в специальное устройство экструдер. Его конструкция достаточно проста. Это решетка, через которую продавливается вещество, затем идет камера водяного охлаждения. В конце полученные нити полиэтилена дробятся на гранулу нужного размера. После этого гранулы сушатся и упаковываются. Окончательной продукцией предприятия являются белые гранулы полиэтилена, которые могут принимать различную форму под действием высоких температур.

Применение полиэтилена

Рис. 11

Двадцать пять процентов полученного полиэтилена идет на производство упаковочного материала (пленок, пакетов и т.д.). Еще четверть – на изготовление тары различного типа, от ящиков до бочек. В последнее время большое количество полимера тратится на производство водопроводных труб или дополнительной изоляции для металлических изделий данного назначения. В общем случае практически двадцать четыре процента. Оставшаяся часть материала идет на игрушки, изоляцию электротехнической продукции и для изготовления предметов промышленного назначения. Интересным фактом является то, что в нашей стране всего 5% идет на нужды промышленности, что гораздо ниже, чем в странах Запада.