Polyetylén

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Prejsť na: navigácia, hľadanie
Polyetylen2.png

Polyetylén alebo polyetén (skr. PE) je termoplast, ktorý vzniká polymerizáciou eténu. Patrí do skupiny polyolefínov, známy je pod obchodnými názvami Alathon, Hostalen, Lupolen, Vestolen, Bralén a pod. Ročná svetová produkcia predstavuje približne 60 mil. ton.

Dejiny[upraviť | upraviť zdroj]

Polyetylén ako prvý pripravil v roku 1898 chemik Hans von Peckmann zahrievaním diazometánu. Eugen Bamberger a Friedrich Tschirner zistili, že vzniknutá voskovitá látka pozostáva len z metylénových skupín –CH2– a pomenovali ju polymetylén.

Priemyselne použiteľná syntéza polyetylénu bola objavená náhodou až v roku 1933 chemikmi E. Fawcettom a R. Gibsonom v spoločnosti ICI Chemicals. Po vytvorení veľmi vysokého tlaku (cca 140–170 MPa) v zmesi etylénu a benzaldehydu sa na vnútorných stenách autoklávu vytvorila tenká biela vrstva polyetylénu. Pretože reakcia bola iniciovaná kyslíkom, ktorý do aparatúry prenikol, nedarilo sa dlho tento experiment úspešne reprodukovať. Až o dva roky sa to podarilo Michaelovi Perrinovi, čím položil základy pre priemyselnú výrobu vysokotlakového polyetylénu (LDPE), ktorá začala v roku 1939.

V roku 1953 vyvinul nemecký chemik Karl Ziegler a talian Giulio Natta Zieglerov—Nattaov katalyzátor, ktorý umožnil polymerizáciu eténu uskutočniť pri normálnom tlaku, kedy vzniká tzv. nízkotlakový polyetylén (HDPE).

Druhy polyetylénu[upraviť | upraviť zdroj]

Podľa spôsobu výroby (typ katalyzátora, podmienky apod.) možno pripraviť rôzne druhy polyetylénu, ktoré majú rôzne vlastnosti:

  • PE-HD (HDPE): málo rozvetvené uhlíkové reťazce, hustota 0,94 až 0,97 g/cm³ (HD = high density — vysoká hustota).
  • PE-LD (LDPE): veľmi rozvetvené uhlíkové reťazce, spôsobujú nižšiu hustotu oproti HDPE, ktorá sa pohybuje od 0,915 do 0,935 g/cm³ (LD = low density — nízka hustota); priemerná molová hmotnosť 500 až 1000 kg/mol
  • PE-LLD (LLDPE): polyetylén s lineárnym reťazcom a nízkou hustotou (0,91 až 0,925 g/cm³) (makromolekuly tvoria len veľmi málo rozvetvení, ktoré sú navyše krátke). Vyrába sa kopolymerizáciou etylénu s vyššími alkénmi (but-1-én, hex-1-én a okt-1-én).
  • PE-UHMW (UHMWPE): vysokomolekulový polyetylén; má vysokú relatívnu molovú hmotnosť (3,1 až 5,67 mil.), dlhé molekuly ho robia pevným (UHMW = ultra high molecular weight); hustota 0,93 až 0,94 g/cm³
  • PE-MD (MDPE): polyetylén strednej hustoty (0,926 až 0,940 g/cm³)
  • PEX: polyetylén s rôznou hustotou, obsahujúci priečne väzby, ktoré ho menia z termoplastu na elastomér.
  • PE-VLD (VLDPE): polyetylén s lineárnym reťazcom; charakteristický veľmi nízkou hustotou od 0,88 do 0,915 g/cm³ (VLD = very low density — veľmi nízka hustota). Vyrába sa podobne ako LLDPE kopolymerizáciou etylénu s α-alkénmi.
Vlastnosť PE-LD PE-HD PE-LLD
Stupeň kryštalizácie (%) 40–50 60–80 30–40
Hustota (g/cm³) 0,915–0,935  0,94–0,97  0,91–0,93
Modul pružnosti v šmyku (N/mm²) pri 23 °C  cca 130 cca 1000
Oblasť tavenia kryštálov (°C) 105–110 130–135 121–125
Chemická odolnosť dobrá vyššia dobrá
Medza pružnosti (N/mm²) 8–10 20–30 10–30
Predĺženie v medzi pružnosti (%) 20 12 16
Modul pružnosti (N/mm²) 200 1000
Koeficient teplotnej rozťažnosti (1/K) 1,7 · 10−4 2 · 10−4 2 · 10−4
Max. trvalé teplotné zaťaženie (°C) 80 100
Teplota mäknutia (°C) 110 140

Kopolyméry etylénu[upraviť | upraviť zdroj]

Okrem kopolymerizácie etylénu s α-alkénmi môže byť kopolymerizovaný aj so širokou škálou iných monomérov. Najznámejšie sú vinylacetát (vinylester kyseliny octovej), kedy vzniká polyetylénvinylacetát (EVA), používaný na výrobu podrážok atletickej obuvi. Kopolymerizáciou s akrylátmi vznikajú kopolyméry používané ako odolné obaly a rôzne športové pomôcky.

Vlastnosti[upraviť | upraviť zdroj]

Žlté plynové potrubie z polyetylénu postupne nahrádza staré kovové (Cambridge). Tlak v PE potrubí môže byť aj viac ako 1 MPa.

Oproti PVC pozostáva polyetylén len z atómov uhlíka a vodíka a v ideálnom prípade pri spaľovaní PE odpadov zhorí na oxid uhličitý a vodu, čím nepredstavuje taký veľký ekologický problém (napr. pri spaľovaní PVC vzniká aj chlorovodík).

Polyetylén sa vyznačuje pomerne vysokou odolnosťou voči kyselinám, zásadám a niektorým ďalším chemikáliám. Je čiastočne kryštalický, pričom so stupňom kryštalizácie rastie aj hustota, mechanická a chemická odolnosť. Polyetylén napučiava vo vode len málo (menej ako 0,1 %), vo vode pláva (ρ < 1 g/cm³). V polárnych rozpúšťadlách sa prakticky nerozpúšťa. Pre vodnú paru je nepriepustný, ale kyslík, oxid uhličitý a aromatické zlúčeniny prepúšťa. Jeho vlastnosti sa dajú vylepšiť kopolymerizáciou.

Nevýhodou polyetylénu je, že ho možno použiť len do teploty 80 °C. Nefarbený je mliečne zakalený a matný, na dotyk voskovitý a veľmi ľahko sa poškriabe. Pre nepolárny povrch sa polyetylén bez vhodnej úpravy len ťažko spája lepením či lisovaním.

V podstate sa dá povedať, že chemická odolnosť polyetylénu súvisí s jeho hustotou, priepustnosť vody a plynov je vyššia než u väčšiny plastov. Na slnečnom svetle polyetylén nekrehne, ale na takéto použitie sa k nemu pridávajú jemné sadze ako UV stabilizátor.

Všeobecné vlastnosti PE:

  • nízka hustota (0,89–0,965 g/cm³)
  • vysoká pevnosť a prieťažnosť
  • dobrá klzkosť, nižšia odolnosť voči oteru
  • teplotná stálosť od −85 °C do +80 °C
  • mliečne zakalený
  • veľmi dobré elektroizolačné vlastnosti (merný odpor približne 1 018 Ω · cm
  • dobre obrábateľný
  • malá priepustnosť vody
  • horľavý; zhorí bezozbytku na oxid uhličitý a vodu
  • odolný voči väčšine polárnych rozpúšťadiel (do teploty 60 °C), kyselinám, zásadám, alkoholom, olejom, HD-PE aj voči benzínu

Výroba[upraviť | upraviť zdroj]

Polyetylén sa vyrába polymerizáciou plynného eténu:

n CH2=CH2  →  —[CH2–CH2]n

Polymerizáciou pri vysokom tlaku vzniká mäkký polyetylén (PE-LD), polymerizáciou pri normálnom tlaku tvrdý polyetylén (PE-HD). V oboch prípadoch vzniká polyetylén najprv ako veľmi viskózna kvapalina.

PE-LD sa vyrába pri tlaku od 100 do 300 MPa a teplote 100–300 °C za prítomnosti iniciátorov (kyselina alebo organický peroxid), ktoré reakciu iniciujú vznikom radikálov (radikálová polymerizácia)

PE-HD sa priemyselne vyrába podľa tzv. Ziegler—Natta postupu. Pri tomto postupe sú charakteristické nízke tlaky (0,1–5 MPa) a nízka teplota (20–150 °C). Ako katalyzátory sa používajú organické zlúčeniny titánu alebo hliníka (tzv. metalocény), oxid chrómový prípadne Zieglerov—Nattaov katalyzátor. PE-UHMW sa vyrába podobne, len sa používa modifikovaný Z—N katalyzátor. Polyetylén tvorí 29 % na svetovej výrobe plastov — v roku 2001 bolo vo svete vyrobených 52 miliónov ton.

Zosieťovanie[upraviť | upraviť zdroj]

Makromolekuly PE možno priestorovo zosieťovať, čím sa zlepšuje tepelná odolnosť materiálu. Okrem toho sa zvýši aj húževnatosť a pevnosť v ťahu. Polyetylén so zosieťovanými molekulami sa nazýva PE-X. Existujú viaceré postupy zosieťovania:

Použitie[upraviť | upraviť zdroj]

  • PE-LD a PE-LLD: predovšetkým na výrobu fólií. Typické produkty z PE-LD a PE-LLD sú vrecia na odpad, fólie pre poľnohospodárstvo, obaly. V menšej miere sa používa na výrobu káblov a potrubí.
  • PE-HD: najdôležitejšie použitie je výroba dutých predmetov vo formách, napríklad fľaše na čistiace prostriedky do domácnosti, veľkoobjemové nádoby s kapacitou do 1000 litrov. Používa sa tiež vo forme nástreku.
  • PE-UHMW: časti čerpadiel, ozubené kolesá, implantáty a protézy. PE-UHMW Vlákna patria (vzhľadom na svoju hmotnosť) k najpevnejším umelým vláknam (Dyneema™, DSM). Používajú sa na šitie v chirurgii.
  • PE-X: teplovodné potrubie a izolácia stredno- a vysokonapäťových káblov.