Polietylen - Polski Serwis Naukowy

Polietylen lub polieten – polimer etenu. Symbol przemysłowy: (PE).

Polietylen jest giętki, woskowaty, przezroczysty, termoplastyczny. Traci elastyczność pod wpływem światła słonecznego i wilgoci. Synteza polietylenu jest przykładem polimeryzacji rodnikowej.

Folie z PE charakteryzują się małą przenikalnością dla pary wodnej, łatwo przepuszczają pary substancji organicznych, nie są odporne na węglowodory i ich chloropochodne. Są odporne na działanie roztworów kwasów, zasad i soli oraz niską temperaturę. Używany do wyrobu: folii, rur, pojemników, nart, żagli, markerów, zmywaczy do paznokci oraz toników. W wędkarstwie, żeglarstwie oraz wspinaczce często stosowane są żyłki lub liny plecione z polietylenu o nazwie handlowej Spectra.

Polimeryzacja to reakcja, w wyniku której związki chemiczne o małej masie cząsteczkowej zwane monomerami lub mieszanina kilku takich związków reagują same ze sobą, aż do wyczerpania wolnych grup funkcyjnych, w wyniku czego powstają cząsteczki o wielokrotnie większej masie cząsteczkowej od substratów, tworząc polimer.

Polimery (gr. polymeres - wieloczęściowy, zbudowany z wielu części) – substancje chemiczne o bardzo dużej masie cząsteczkowej, które składają się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami.

Systematyka

Właściwości zależą od warunków przeprowadzenia reakcji (ciśnienia, temperatury, katalizatora). Wyróżnia się 4 rodzaje polietylenu:

UHMWPE (ultra high molecular weight polyethylene) - polietylen o ultra wysokiej masie cząsteczkowej.

PE-HD (high density PE, PE-HD) – Polietylen o dużej gęstości. Otrzymywany przez polimeryzację niskociśnieniową. Jest twardszy w porównaniu z PE-LD, ma wyższą wytrzymałość mechaniczną, wyższą temperaturę topnienia (125°C), wyższą barierowość w stosunku do gazów i wyższą odporność chemiczną, wykazuje większą kruchość w niższych temperaturach, jest mniej przezroczysty (mlecznobiały) . Najpopularniejsze handlowe odmiany PE-HD to PE 80 i PE 100. Gęstość – 0,94-0,96 g/cm³.

MDPE (medium density PE) – o średniej gęstości. Gęstość – 0,926-0,940 g/cm³.

PE-LD (low density PE) – Polietylen niskiej gęstości - Jest przezroczysty, giętki i miękki, zachowuje elastyczność w niskiej temperaturze (nawet do -60°C), bezwonny, całkowicie obojętny fizjologicznie, przepuszczalny dla gazów (tlenu i dwutlenku węgla)i substancji aromatycznych (zapachów), natomiast mało przepuszczalny dla pary wodnej, podatny na zgrzewanie, mało odporny na wyższe temperatury. Gęstość – 0,915-0,935 g/cm³.

LLDPE (linear low density PE) – niskociśnieniowy liniowy PE o niskiej gęstości (krótkie, nierozgałęzione łańcuchy powstają w wyniku kopolimeryzacji etenu z alkenami o dłuższych łańcuchach). Gęstość – 0,915-0,935 g/cm³.

Historia

Polietylen po raz pierwszy zsyntetyzował niemiecki chemik Hans von Pechman, który wytworzył go w 1898 podczas ogrzewania diazometanu. Gdy jego współpracownicy Eugen Bamberger i Friedrich Tschimer zbadali białą, woskowatą substancję którą wyprodukował, odkryli że składa się ona z wielu grup -CH2- i nazwali ją polimetylen.

Cyklopentadienyl (Cp, cp) to nazwa liganda występującego w związkach metaloorganicznych. Ligand ten powstaje w wyniku połączenia metalu z cyklopent-1,3-dienem. Cyklopentadienyl jest ligandem aromatycznym. Sam cyklopent-1,3-dien nie jest związkiem aromatycznym. Wystarczy jednak "dodać" mu jeden elektron (i zabrać jeden atom wodoru), aby spełniał on regułę aromatyczności Hückla. Do ligandów cyklopentadienylowych zalicza się też wszelkie pochodne cyklopent-1,3-dienu, w którym jest zachowany charakterystyczny dla niego układ cykliczny.

Żeglarstwo – niegdyś odmiana transportu, dziś dyscyplina sportów wodnych, oraz rodzaj turystyki lub rekreacji, a także forma szkoleń – zarówno dla późniejszych marynarzy, oficerów i kapitanów jednostek, jak i jako tzw. szkoła charakterów dla młodzieży.

Pierwsza możliwa do przeprowadzenia na dużą skalę synteza polietylenu została odkryta przez Erica Fawcetta i Reginalda Gibsona w ICI Chemicals w 1933. Podczas działania skrajnie wysokim (kilkaset atmosfer) ciśnieniem na mieszaninę etenu i benzaldehydu otrzymali białą, woskowatą substancję. Ponieważ reakcja była inicjowana przez ślady tlenu w aparaturze, była trudna do powtórzenia. Udało się to w 1935, kiedy kolejny chemik z ICI, Michaela Perrin odkrył ten przypadkowy wpływ. Wysokociśnieniowa metoda syntezy polietylenu stała się podstawą przemysłowej produkcji LDPE rozpoczętej w 1939.

Karl Ziegler (ur. 26 listopada 1898 w Helsa k. Kassel, zm. 11 sierpnia 1973 w Mülheim an der Ruhr) – niemiecki chemik, laureat Nagrody Nobla z dziedziny chemii w roku 1963 za odkrycia i prace dotyczące związków metaloorganicznych i ich zastosowania jako katalizatorów polimeryzacji.

Związki metaloorganiczne – organiczne związki chemiczne zawierające przynajmniej jedno wiązanie kowalencyjne pomiędzy atomem metalu i atomem węgla grupy organicznej. Do związków metaloorganicznych nie zalicza się związków zawierających wyłącznie ligandy nieorganiczne (np. CO i CN), ani związków, w których nie występuje wyraźne wiązanie metal-węgiel. Np. tetraetyloołów Pb(C2H5)4 i dimetylortęć Hg(CH3)2 są związkami metaloorganicznymi, natomiast nie są nimi np. etanolan sodu C2H5ONa (brak wiązania Na-C), hem (zawiera wiązanie Fe-N, a nie Fe-C) i pentakarbonylek żelaza Fe(CO)5 (brak grupy organicznej). Do pierwiastków tworzących związki metaloorganiczne zalicza się oprócz typowych metali, także półmetale i niemetale o niskiej elektroujemności (np. bor, krzem, arsen itp.).

Kamieniami milowymi w późniejszej syntezie polietylenu stały się katalizatory, które pozwalają na polimeryzację etenu w łagodniejszych przedziałach temperatury i ciśnienia. Pierwszym z nich był Tlenek chromu (VI), którego właściwości odkryli w 1951 Robert Banks i John Hogan w Phillips Petroleum. Katalizator ten umożliwiał syntezę w temperaturze 150 °C przy ciśnieniu 30 atm.

Rodniki (lub wolne rodniki) - atomy lub cząsteczki posiadające jeden lub więcej wolnych (niesparowanych) elektronów, czyli posiadające spin elektronowy różny od 0. Niektóre układy o całkowitym spinie równym 0, lecz wykazujące tzw. polaryzację spinową (np. niektóre stany przejściowe) czasem traktowane są jako dwurodniki.

Ciśnienie to wielkość skalarna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa, co przedstawia zależność:

W 1953 niemiecki chemik Karl Ziegler rozwinął proces oparty na chlorkach tytanu, zwłaszcza chlorku tytanu(IV) TiCl4 i metaloorganicznych związkach glinu, takich jak trietyloglin – Al(C2H5)3. Pozwalał on na syntezę w jeszcze łagodniejszych (60 °C, 1 atm) warunkach niż proces Phillipsa. Proces Phillipsa jest jednak tańszy i łatwiejszy do opanowania, dlatego obie metody pozostają praktyce przemysłowej do dziś.

Ferrocen, związek metaloorganiczny, kompleks sandwiczowy należący do grupy metalocenów, o wzorze sumarycznym (C5H5)2Fe lub C5H5FeC5H5, bis(cyklopentadienylo)żelazo, w którym atom żelaza (formalnie na II stopniu utlenienia, w rzeczywistości na zerowym) tworząc atom centralny znajduje się między dwoma płaskimi, równolegle ułożonymi pierścieniami cyklopentadienylowymi. Ferrocen należy do grupy π kompleksów.

Alkeny – organiczne związki chemiczne z grupy węglowodorów nienasyconych, w których występuje jedno podwójne wiązanie chemiczne między atomami węgla (C=C). Razem ze związkami, które posiadają dwa lub więcej wiązań podwójnych (polienami, takimi jak dieny, trieny itd.) oraz z analogami pierścieniowymi (cykloalkenami i cyklopolienami) tworzą grupę olefin. Mają więcej izomerów oraz są też bardziej aktywne niż alkany. Wraz ze zwiększającą się długością łańcucha węglowego maleje ich reaktywność. Można je otrzymać z ropy naftowej, a w laboratorium w reakcji eliminacji fluorowca z halogenków alkilowych lub przez dehydratację alkoholi. Ich wzór ogólny to CnH2n.

Przed końcem lat pięćdziesiątych XX wieku obu syntez – Phillipsa i Zieglera używano do produkcji HDPE. Początkowo Phillips miał problemy z produkowaniem HDPE stałej jakości i magazyny wypełniały się wybrakowanym polietylenem. Katastrofa finansowa została powstrzymana w 1957, gdy hula-hoop, zabawka składająca się z kolistej, polietylenowej rurki, stała się modna wśród nastolatków w całych Stanach Zjednoczonych.

Hula-hoop (czasem spotykana nieco spolszczona nazwa: hula-hop) - nazwa ćwiczenia gimnastycznego i zarazem zabawy zręcznościowej polegającej na utrzymywaniu w nieustannym ruchu lekkiego pierścienia (z tworzywa sztucznego, ewentualnie z drutu lub innego materiału, np. wikliny). Pierścień taki, średnicy kilkudziesięciu centymetrów do ponad jednego metra okręca się po obwodzie bioder lub innych części ciała - szyi, klatki piersiowej lub kończyn - utrzymując kontakt obręczy z ciałem w coraz to innym miejscu. Zadaniem ćwiczącego jest taka synchronizacja ruchów ciała z bezwładnością obręczy, aby dostarczać jej energii kinetycznej w taki sposób, by nieustannie się obracała. Osoby, które nabiorą wprawy w tym ćwiczeniu zdolne są tak manewrować ruchami ciała, by obracające się hula-hoop przemieszczało się wzdłuż ciała: kręcąc na przykład obręczą najpierw wokół szyi przemieszczać ją w dół, na pas barkowy, klatkę piersiową, linię pasa/talii, biodra, uda i kolana - i z powrotem. Inne warianty tej zabawy polegają na utrzymywaniu w ruchu więcej niż jednej obręczy, nawet kilkunastu i więcej, w tym niektóre z nich mogą się obracać wokół tułowia, a inne wokół poszczególnych kończyn. Takie umiejętności są niekiedy demonstrowane przez artystów cyrkowych i wymagają uprzedniego długotrwałego treningu.

Lina - wiotkie cięgno mogące przenosić głównie siły rozciągające. W niektórych przypadkach przenoszą one siły poprzeczne (np jako prowadnice górniczych wyciągów szybowych.

Trzeci typ procesu katalitycznego, oparty na metalocenach (związkach sandwiczowych lub kanapkowch, jak ferrocen) został odkryty w 1976 w Niemczech przez Waltera Kaminsy'ego i Hansjörga Sinna. Dowiedziono, że procesy Zieglera i metalocenowy są bardzo elastyczne przy kopolimeryzacji etylenu z innymi alkenami. Stały się one bazą dla żywic etylenowych różnego rodzaju, w tym VLDPE, LLDPE i MDPE.

Tytan (Ti, . Został odkryty w Wielkiej Brytanii przez Williama Gregora w 1791. Nazwę pochodzącą od boga z mitologii greckiej zawdzięcza Martinowi Heinrichowi Klaprothowi.

Imperial Chemical Industries (ICI) – brytyjska korporacja, jeden z największych chemicznych producentów na świecie. Główna siedziba korporacji znajduje się w Slough w Wielkiej Brytanii. ICI produkuje farby, składniki do wyrobów spożywczych, polimery, materiały elektroniczne, aromaty i przyprawy do potraw. Zatrudnia około 32 tys. pracowników, obroty firmy to 5,8 miliardów funtów (dane z 2005 roku). ICI powstała w grudniu 1926 roku z fuzji Brunner Mond & Co. Ltd., Nobel Enterprises Industries Ltd., United Alkali Company Ltd. i British Dyestuffs Corporation Ltd. W okresie międzywojennym produkowała chemikalia, barwniki, materiały wybuchowe, nawozy, oraz lekarstwa. Imperial Chemical Industries konkurowała na rynku światowym z E. I. du Pont de Nemours and Company (DuPont) i IG Farben. W pierwszym roku istnienia obroty korporacji wyniosły 27 milionów funtów szterlingów. Do roku 1937 ICI produkowała również motocykle marki „Sunbeam”, produkowane wcześniej przez Nobel Enterprises Industries Ltd. Najbardziej znanymi markami tej firmy są: Dulux oraz Hammerite. W Polsce koncern ICI przejął producenta farb Polifarb Pilawa w Pilawie.

Do niedawna metaloceny były najbardziej aktywnymi katalizatorami polimeryzacji etylenu. Dużo wysiłku wkłada się w tzw. katalizatory post-metalocenowe, które mogą pozwolić na większą ingerencję w strukturę polietylenu niż metaloceny. Ostatnio prace korporacji Fujita i Mitsui pokazały, że iminofenolowe kompleksy metali grupy 4 wykazują wyższą aktywność niż metaloceny.

Katalizator to substancja chemiczna, która dodana do układu obniża energię aktywacji reakcji chemicznej, czego efektem jest wzrost szybkości reakcji chemicznej.

Polipropylen – jest to polimer z grupy poliolefin, który zbudowany jest z merów o wzorze: –[CH2CH(CH3)]–. Otrzymuje się go w wyniku niskociśnieniowej polimeryzacji propylenu. Polipropylen jest jednym z dwóch, obok polietylenu, najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych. Na przedmiotach produkowanych z tego tworzywa umieszcza się zwykle symbol PP.

Zobacz też

polipropylen

polimeryzacja

Aktywacja folii z tworzyw sztucznych

Przypisy

Łaskowiec J., Michalik R.,: Zagadnienia teroetycze i aplikacyjne w implantach. Gliwice: Wyd. Pol. Śl., 2002.