Polietileno

Polietileno

Marca Internacional de Reciclaje para Polietileno de Alta Densidad
Marca Internacional de Reciclaje para Polietileno de Baja Densidad
General
abreviaturas educación física, educación física
química fórmula ( C2H4 ) norte _ _
Clasificación
registro número CAS 9002-88-4
registro Número EINECS 618-339-3
CHEBI 53227
Los datos se basan en condiciones estándar (25 °C, 100 kPa) a menos que se indique lo contrario.
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El polietileno  es un polímero termoplástico de etileno , pertenece a la clase de las poliolefinas [1] . Es un compuesto orgánico y tiene moléculas largas... -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -..., donde "-" denota enlaces covalentes entre átomos de carbono.

Es una masa de color blanco (las láminas delgadas son transparentes e incoloras). Químicamente resistente, dieléctrico , no sensible a los golpes ( amortiguador ), se ablanda cuando se calienta (80-120 ° C), la adherencia (pegamento) es extremadamente baja. A menudo llamado incorrectamente celofán [2] .

Historia

El inventor del polietileno es el ingeniero alemán Hans von Pechmann, quien accidentalmente obtuvo por primera vez este polímero gracias a los ingenieros Eric Fawcett y Reginald Gibson. En un principio, el polietileno se utilizó en la producción de cable telefónico y recién en la década de 1950 comenzó a utilizarse en la industria alimentaria como embalaje [3] .

Según otra versión, más aceptada en los círculos científicos, el desarrollo del polietileno se puede ver a partir del trabajo de los empleados de la empresa Imperial Chemical Industries en la creación de tecnología de producción industrial, realizado desde la década de 1920. La fase activa de creación se inició tras la instalación de la instalación de síntesis, con la que trabajaron Fawcett y Gibson en 1931. Obtuvieron un producto similar a la parafina de bajo peso molecular que tenía una unidad de monómero similar al polietileno. El trabajo de Fossett y Gibson continuó hasta marzo de 1933, cuando se decidió modernizar el aparato de alta presión para obtener mejores resultados y mayor seguridad. Después de la modernización, los experimentos continuaron con M. V. Perrin y J. G. Patton y en 1936 culminaron con una patente para el polietileno de baja densidad (LDPE). La producción comercial de LDPE comenzó en 1938 [4] .

La historia del polietileno de alta densidad (HDPE) se ha desarrollado desde la década de 1920, cuando Karl Ziegler comenzó a trabajar en la creación de catalizadores para la polimerización de coordinación iónica . En 1954, la tecnología se dominó en general y se obtuvo una patente. Posteriormente, se inició la producción industrial de HDPE [4] .

Nombres

Los diferentes tipos de polietileno se suelen clasificar según la densidad [5] . A pesar de esto, existen muchos nombres comunes para homopolímeros y copolímeros , algunos de los cuales se enumeran a continuación.

Esta sección no cubre los nombres de los diversos copolímeros, ionómeros y polietileno clorado.

Estructura molecular

Las macromoléculas de polietileno de alta presión (n ≅ 1000) contienen cadenas hidrocarbonadas laterales C 1 —C 4 , las moléculas de polietileno de baja presión prácticamente no están ramificadas, tiene una mayor proporción de la fase cristalina, por lo tanto este material es más denso; Las moléculas de polietileno de densidad media ocupan una posición intermedia. Un gran número de ramificaciones laterales explica el menor contenido de la fase cristalina y, en consecuencia, la menor densidad de LDPE en comparación con HDPE y PSD.

Indicadores que caracterizan la estructura de la cadena polimérica de varios tipos de polietileno.
Índice LDPE PSD HDPE
El número total de grupos CH 3 por 1000 átomos de carbono: 21.6 5 1.5
El número de grupos finales CH 3 por 1000 átomos de carbono: 4.5 2 1.5
Ramas de etilo 14.4 una una
Número total de dobles enlaces por 1000 carbonos 0,4—0,6 0,4—0,7 1,1—1,5
incluido:
* enlaces dobles de vinilo (R-CH=CH 2 ),% 17 43 87
* enlaces dobles de vinilideno, % 71 32 7
* enlaces dobles trans-vinileno (R-CH=CH-R'), % 12 25 6
Grado de cristalinidad, % 50-65 75-85 80-90
Densidad, g/cm³ 0,9—0,93 0,93-0,94 0,94-0,96

Polietileno de baja presión

Propiedades físicas y mecánicas del HDPE a 20 °C
Parámetro Sentido
Densidad, g/cm³ 0,94-0,96
Esfuerzo de rotura, kgf/cm²
* en tensión 100-170
* para flexión estática 120-170
* al cortar 140-170
Alargamiento a la rotura, % 500-600
Módulo de elasticidad en flexión, kgf/cm² 1200-2600
Límite elástico a la tracción, kgf/cm² 90-160
Alargamiento relativo al inicio del flujo, % 15-20
Dureza Brinell , kgf /mm² 1,4—2,5

A medida que aumenta la tasa de tracción de la muestra, disminuyen la tensión de tracción a la rotura y el alargamiento a la rotura, y aumenta el límite elástico a la tracción.

Con un aumento de la temperatura, disminuye la tensión de rotura del polietileno durante la tensión, compresión, flexión y cizallamiento. y el alargamiento a la rotura aumenta hasta cierto límite, después del cual también comienza a disminuir

Cambio en el esfuerzo de rotura en compresión, flexión estática y cortante en función de la temperatura (determinado a una velocidad de deformación de 500 mm/min y un espesor de muestra de 2 mm)
Esfuerzo de rotura, kgf/cm² Temperatura, °C
veinte 40 60 80
bajo compresión 126 77 40 —
en curva estática 118 88 60 —
al corte 169 131 92 53
La dependencia del módulo de elasticidad al doblar LDPE con la temperatura.
Temperatura, °C −120 -100 −80 −60 −40 −20 0 veinte cincuenta
Módulo de elasticidad en flexión, kgf/cm² 28100 26700 23200 19200 13600 7400 3050 2200 970

Las propiedades de los productos de polietileno dependen significativamente de los modos de su fabricación (velocidad y uniformidad de enfriamiento) y las condiciones de operación (temperatura, presión, duración, carga, etc.).

Polietileno de ultra alto peso molecular

Un tipo de polietileno relativamente nuevo y prometedor es el polietileno de ultra alto peso molecular (UHMW PE), productos que tienen una serie de propiedades notables: alta resistencia y resistencia al impacto en un amplio rango de temperatura (de -200 ° C a + 100 ° C ), bajo coeficiente de fricción, alta resistencia química y al desgaste y se utilizan en asuntos militares (para la fabricación de chalecos antibalas, cascos), ingeniería mecánica, industria química, etc.

Propiedades químicas

Arde con una llama azulada, con una luz débil [8] , mientras emite olor a parafina [9] , es decir, el mismo que sale de una vela encendida .

Resistente al agua, no reacciona con los álcalis de cualquier concentración, con soluciones de sales neutras, ácidas y básicas, ácidos orgánicos e inorgánicos , incluso con ácido sulfúrico concentrado , pero se destruye por la acción del ácido nítrico al 50% a temperatura ambiente y bajo la influencia del cloro y el flúor líquidos y gaseosos . La reacción del polietileno con los halógenos produce muchos productos útiles para la economía nacional, por lo que esta reacción puede utilizarse para procesar los residuos de polietileno. A diferencia de los hidrocarburos insaturados , no decolora el agua de bromo ni la solución de permanganato de potasio [8] .

A temperatura ambiente es insoluble y no se hincha en ninguno de los disolventes conocidos. A temperaturas elevadas (80 °C) soluble en ciclohexano y tetracloruro de carbono . A alta presión se puede disolver en agua sobrecalentada hasta 180 °C .

Con el tiempo, se destruye con la formación de enlaces transversales entre cadenas, lo que conduce a un aumento de la fragilidad en el contexto de un ligero aumento de la resistencia. El polietileno no estabilizado en el aire sufre una degradación termooxidativa (envejecimiento térmico). El envejecimiento térmico del polietileno se produce por un mecanismo de radicales, acompañado de la liberación de aldehídos , cetonas , peróxido de hidrógeno , etc.

Conseguir

Para su procesamiento se presenta en forma de gránulos de 2 a 5 mm. Hay polietileno de alta, media y baja presión, se diferencian en la estructura de macromoléculas y propiedades. El polietileno se obtiene por polimerización del etileno: [10]

PVD

El polietileno de alta presión (LDPE) se forma bajo las siguientes condiciones:

El producto se obtiene en autoclave o reactor tubular. La reacción procede por un mecanismo de radicales . El polietileno obtenido por este método tiene un peso molecular promedio en peso de 80 000 a 500 000 y un grado de cristalinidad de 50 a 60 % . El producto líquido se granula posteriormente . La reacción tiene lugar en la masa fundida.

PSD

El polietileno de media presión (MPD) se forma bajo las siguientes condiciones:

El producto precipita de la solución en forma de escamas. El polietileno obtenido por este método tiene un peso molecular promedio en peso de 300 000 a 400 000 y un grado de cristalinidad de 80 a 90 %.

DPN

El polietileno de baja presión (HDPE) se forma bajo las siguientes condiciones:

La polimerización procede en suspensión según el mecanismo de coordinación iónica. El polietileno obtenido por este método tiene un peso molecular promedio en peso de 80 000 a 300 000 y un grado de cristalinidad de 75 a 85 %.

Hay que tener en cuenta que las denominaciones "polietileno de baja presión", "media presión", "alta densidad", etc. son puramente retóricas. Así, el polietileno obtenido por el segundo y tercer método tiene la misma densidad y peso molecular. La presión en el proceso de polimerización en las denominadas presiones baja y media es en algunos casos la misma.

Otras formas de obtener

Existen otros métodos de polimerización de etileno, por ejemplo, bajo la influencia de la radiación radiactiva, pero no han recibido distribución industrial .

Modificaciones

La gama de polímeros de etileno se puede ampliar significativamente mediante la obtención de sus copolímeros con otros monómeros, así como mediante la obtención de composiciones mediante la combinación de un tipo de polietileno con otro tipo de polietileno, polipropileno , poliisobutileno, cauchos, etc.

A base de polietileno y otras poliolefinas, se pueden obtener numerosas modificaciones: copolímeros de injerto con grupos activos que mejoran la adherencia de las poliolefinas a los metales, la coloración, reducen su inflamabilidad , etc.

Se destacan las modificaciones del llamado polietileno "reticulado" PE-S (PE-X) . La esencia de la reticulación es que las moléculas en la cadena están conectadas no solo en serie, sino que también se forman enlaces laterales que conectan las cadenas entre sí, debido a esto, las propiedades físicas y, en menor medida, químicas de los productos. cambiar con bastante fuerza.

Existen 4 tipos de polietileno reticulado (según el método de producción): peróxido, silano, radiación y nitrógeno. PEX-b es el más extendido, ya que es el más rápido y económico de fabricar.

El tratamiento de radiación del polietileno con ciertas dosis conduce a la aparición de un efecto de memoria de forma y mejora la resistencia [11] .

Aplicación

Un grado de polietileno de bajo tonelaje, el llamado " polietileno de ultra alto peso molecular ", caracterizado por la ausencia de aditivos de bajo peso molecular, alta linealidad y alto peso molecular, se utiliza con fines médicos como reemplazo del tejido cartilaginoso de las articulaciones A pesar de que se compara favorablemente con HDPE y LDPE en sus propiedades físicas, rara vez se usa debido a la dificultad de su procesamiento, ya que tiene un MFR bajo y se procesa solo por prensado.

Se están tomando varias medidas para combatir la contaminación por bolsas de plástico, y alrededor de 40 países han prohibido o restringido la venta y/o producción de bolsas de plástico.

Eliminación

Reciclaje

Los productos de polietileno son reciclables y reutilizables. El polietileno (excepto el de ultra alto peso molecular) se procesa mediante todos los métodos conocidos para plásticos, como extrusión , extrusión por soplado, moldeo por inyección , moldeo neumático . La extrusión de polietileno es posible en equipos con un tornillo sinfín "universal" instalado.

Ardiendo

Cuando el polietileno se calienta en el aire, los productos volátiles de la degradación termooxidativa pueden liberarse a la atmósfera. Durante la degradación térmica del polietileno en presencia de aire u oxígeno, se forman más compuestos de bajo punto de ebullición que durante la degradación térmica en vacío o en una atmósfera de gas inerte. El estudio de los cambios estructurales en el polietileno durante la degradación en el aire, en una atmósfera de oxígeno o en una mezcla que consta de O 2 y O 3 a 150–210 °C mostró que se forman grupos hidroxilo, peróxido, carbonilo y éter. Cuando el polietileno se calienta a 430 °C, se produce una descomposición muy profunda en parafinas (65–67 %) y olefinas (16–19 %). Además, en los productos de descomposición se encuentran los siguientes: monóxido de carbono (hasta un 12 %), hidrógeno (hasta un 10 %), dióxido de carbono (hasta un 1,6 %). De las olefinas, la mayor parte suele ser etileno. La presencia de monóxido de carbono indica la presencia de oxígeno en el polietileno, es decir, la presencia de grupos carbonilo.

Biodegradación

Los mohos Penicillium simplicissimum son capaces de utilizar parcialmente polietileno pretratado con ácido nítrico en tres meses . El polietileno se descompone relativamente rápido por la bacteria Nocardia asteroides . Algunas bacterias que viven en los intestinos de la polilla del granero del sur ( Plodia interpunctella ) pueden degradar 100 mg de polietileno en ocho semanas. Las orugas de la abeja de fuego ( Galleria mellonella ) pueden utilizar polietileno aún más rápido [20] [21] .

La descomposición del polietileno ocurre debido a la oxidación del oxígeno de los enlaces entre los átomos de carbono. En este caso, primero se forman los grupos alcohol, luego los grupos carbonilo y carboxilo. Los ácidos grasos resultantes entran en β-oxidación y se descomponen en acetil-CoA.

Enzimas biodegradantes

Se ha demostrado la capacidad de oxidar polietileno para alcano monooxigenasas, lacasas y manganeso peroxidasas. [22]

Las alcano monooxigenasas (AlkB) son enzimas que biodegradan los alcanos. Disponible en microorganismos capaces de utilizar derivados del petróleo como fuente de energía y carbono. Realice la siguiente reacción:

Alcano + О2 + 2Н + + 2е → alcano-1-ol + Н2О [23]

Las lacasas son enzimas implicadas en la biodegradación de la lignina. Oxida compuestos fenólicos con formación de radicales fenólicos activos. Los radicales fenólicos pueden entonces oxidar otros compuestos, actuando como intermediarios. Debido a la presencia de mediadores, las lacasas tienen baja especificidad y pueden oxidar una variedad de compuestos, incluido el polietileno y posiblemente otros tipos de plástico. [24]

Las peroxidasas de manganeso también están involucradas en la biodegradación de la lignina. Oxidan Mn + 2 a Mn +3 . Los cationes Mn 3+ no son estables en solución acuosa; por lo tanto, se forman complejos quelatos de cationes de manganeso y ácidos carboxílicos, como oxalato, malonato, malato y lactato. Estos complejos pueden oxidar varios compuestos, que luego se convierten en fuertes agentes oxidantes. Debido a su peculiaridad, las peroxidasas de manganeso tienen una especificidad muy baja, lo que les permite oxidar también el polietileno. [25]

Véase también

Nota

  1. ↑ 1 2 3 4 Descripción y grados de polímeros - Polietileno . Consultado el 21 de abril de 2015. Archivado desde el original el 25 de marzo de 2015.
  2. ↑ El rey del embalaje: cómo nació el celofán . Consultado el 21 de abril de 2015. Archivado desde el original el 19 de abril de 2015.
  3. ↑ La historia del polietileno: el inesperado nacimiento de la bolsa de plástico . Fecha de acceso: 25 de diciembre de 2009. Archivado desde el original el 3 de julio de 2009.
  4. ↑ 1 2 J. White, D. Choi.// Polietileno, polipropileno y otras poliolefinas. - San Petersburgo: Profesión, 2007.
  5. ↑ Vasile C., Pascu M. Guía práctica de polietileno. — Shawbury: Smithers Rapra Press, 2008.
  6. ↑ 1 2 3 4 5 Kuleznev V. N. (ed.), Gusev V. K. (ed.) // Fundamentos de la tecnología de procesamiento de plásticos. — M.: Química, 2004.
  7. ↑ Copia archivada . Consultado el 8 de julio de 2021. Archivado desde el original el 9 de julio de 2021.
  8. ↑ 1 2 Tsvetkov L. A. § ​​​​10. El concepto de compuestos de alto peso molecular // Química orgánica. Libro de texto para grado 10. — 20ª edición. - M .: Educación , 1981. - S. 52-57. — 1.210.000 ejemplares.
  9. ↑ Shulpin G. Estos diferentes polímeros // Ciencia y vida . - 1982. - Nº 3 . - S. 80-83 .
  10. ↑ Knunyats L. I. Enciclopedia química. Volumen 4. / ed. Zefirova N. S. - M. : Gran Enciclopedia Rusa, 1995. - S. 639. - ISBN 5-85270-008-8 .
  11. ↑ Cheshuev V. I., Gladukh E. V., Saiko I. V. et al. Tecnología de fármacos industriales / En 2 partes, parte 1 // Vinnitsa, Nova Kniga, 2014. - 696 p., il. ISBN 978-966-382-540-3 . art. 114.
  12. ↑ Squeeze and crank: Made in Russia . Fecha de acceso: 26 de diciembre de 2009. Archivado desde el original el 28 de diciembre de 2009.
  13. ↑ Armadura del siglo XXI (enlace inaccesible) . Fecha de acceso: 26 de diciembre de 2009. Archivado desde el original el 27 de junio de 2009. 
  14. ↑ Total Petrochemicals creó un barco de rotomoldeo de polietileno . Consultado el 26 de diciembre de 2009. Archivado desde el original el 15 de diciembre de 2013.
  15. ↑ Geomembrana HDPE . Consultado el 3 de julio de 2010. Archivado desde el original el 31 de octubre de 2010.
  16. ↑ Nuevo en la vida, ciencia, tecnología // M.: Conocimiento , 1970. P. 14.
  17. ↑ Pogosov A. Yu. , Dubkovsky V. A. Radiación ionizante: radioecología, física, tecnología, protección // Odessa: Ciencia y Tecnología, 2013. - 804 p., il. ISBN 978-966-1552-27-1 . págs. 469, 563.
  18. ↑ Los científicos han propuesto proteger a los astronautas de la radiación con un casco de polietileno Copia de archivo fechada el 18 de enero de 2021 en la Wayback Machine // Artículo 15/08/2019 " TASS -Science".
  19. ↑ Bloques de blindaje NEUTROSTOP Archivado el 21 de enero de 2022 en Wayback Machine // Artículo en el sitio web kopos.ru .
  20. ↑ Rusakova E. Las orugas se han adaptado a la rápida digestión del polietileno . Edición N+1 Online (25 de abril de 2017). Consultado el 25 de abril de 2017. Archivado desde el original el 26 de abril de 2017.
  21. ↑ Bombelli P., Howe CJ, Bertocchini F. Biodegradación del polietileno por orugas de la polilla de la cera Galleria mellonella  // Current Biology. — vol. 27.-P.R283-R293. -doi : 10.1016 / j.cub.2017.02.060 .
  22. ↑ Víctor Gambarini, Olga Pantos, Joanne M. Kingsbury, Louise Weaver, Kim M. Handley. Distribución filogenética de microorganismos que degradan plásticos  //  mSystems / Angela D. Kent. — 2021-02-23. — vol. 6 , edición. 1 . — P.e01112–20 . — ISSN 2379-5077 . -doi : 10.1128/ mSystems.01112-20 . Archivado desde el original el 16 de marzo de 2022.
  23. ↑ Rachel Narehood Austin, John T. Groves. Metaloenzimas oxidantes de alcanos en el ciclo del carbono   // Metalómica . - 2011. - vol. 3 , edición. 8 _ — Pág. 775 . - ISSN 1756-591X 1756-5901, 1756-591X . -doi : 10.1039/ c1mt00048a . Archivado desde el original el 20 de diciembre de 2021.
  24. ↑ Stephen M. Jones, Edward I. Salomón. Transferencia de electrones y mecanismo de reacción de lacasas  //  Cellular and Molecular Life Sciences. — 2015-03. — vol. 72 , edición. 5 . — pág. 869–883 . — ISSN 1420-9071 1420-682X, 1420-9071 . -doi : 10.1007 / s00018-014-1826-6 .
  25. ↑ Martín Hofrichter. Reseña: conversión de lignina por manganeso peroxidasa (MnP)  (inglés)  // Enzyme and Microbial Technology. - 2002-04. — vol. 30 , edición. 4 . — págs. 454–466 . - doi : 10.1016/S0141-0229(01)00528-2 . Archivado desde el original el 22 de febrero de 2022.

Literatura

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