Pe

Polietylen
Polietylen to polimer etylenu (etenu). Jego symbol przemysłowy to PE. Przedrostek poli- sugeruje nam, że cząsteczek etylenu będzie wiele, co jest słusznym wnioskiem. Zanim powiemy sobie, czym są polimery, przypomnijmy sobie czym jest etylen, czyli eten. Eten należy do alkenów, co sugeruje nam końcówka -en w nazwie. Alkeny to nienasycone węglowodory, zawierające w swojej budowie jedno wiązanie podwójne. Alekny mają wzór ogólny CnH2n, a eten zwany etylenem jest najprostszym przedstawicielem alkenów. Spójrz na wzór strukturalny etenu poniżej:

Polimeryzacja
Widzimy, że od każdego węgla odchodzą cztery wiązania, zatem wzór jest poprawny. Jednak jak mogło dojść do stworzenia związku, który składa się z wielu cząsteczek etenu? Jak przyłączyły się do siebie kolejne cząsteczki etenu?
Zaszła reakcja polimeryzacji. Polega ona na łączeniu się ze sobą cząsteczek związku, które mają w swojej budowie wiązanie wielokrotne, poprzez rozerwanie jednego wiązania z wiązania wielokrotnego. Dzięki temu może wytworzyć się wielocząsteczkowy związek. Przypomina to trochę tworzenie łańcucha, gdzie do jednego ogniwa dołączamy kolejne i kolejne ogniwa.
Zobaczmy jak to wygląda na przykładzie etenu:

Atomy węgla gotowe są przyłączyć do siebie cząsteczki etenu, w których doszło do podobnego procesu. Oczywiście rozerwanie wiązania następuje w odpowiednich warunkach. Potrzeba odpowiedniej temperatury (literka T nad strzałką), odpowiedniego ciśnienia (literka p nad strzałką) oraz obecności katalizatora (skrót „kat.” pod strzałką). W przypadku reakcji polimeryzacji etylenu jednym z bardziej znanych katalizatorów jest chlorek tytanu(III). Oczywiście do reakcji polimeryzacji bierzemy wiele cząsteczek etenu. Jak możemy to zapisać?

O tak! Zwróć uwagę na obecność wielokropków, są one bardzo istotne, ponieważ informują nas o tym, że cząsteczek etenu jest dużo więcej, a nasz polimer, ponieważ tak nazywa się wielocząsteczkowy produkt reakcji polimeryzacji, jest dużo dłuższy.
Zapoznaj się z jeszcze dwoma typowymi pojęciami dla reakcji polimeryzacji.
Monomer- to substrat reakcji, coś co będziemy poddawać polimeryzacji. W tym przypadku monomerem będzie eten.
Mer- to powtarzający się fragment polimeru, nie należy go mylić z monomerem. Mer to fragment polimeru. Zaznaczmy mer w naszym polietylenie.

Oprócz tego bardzo powszechny jest drugi sposób zapisu:

Do reakcji bierzemy n cząsteczek etenu, pod wpływem temperatury, ciśnienia i katalizatora wiązanie się rozrywa i powstaje polietylen. Zwróć uwagę na zapis polietylenu. Nasz mer bierzemy w nawias i zapisujemy n zaraz za nim, ponieważ nie wiemy z ilu merów składa się nasz polimer. Ponadto zauważ, że wiązania odchodzące od węgla przecinają się z nawiasem, co jest bardzo istotne w zapisie i oznacza, że atomy węgla mają wolne wiązania i mogą przyłączyć kolejne mery.
Jeśli zaś chodzi o nazewnictwo polimerów, to do nazwy monomeru, dodaje się przedrostek poli-, jeśli nazwa monomeru składa się z więcej niż jednego słowa, to jego nazwę bierze się w nawias i przed nawiasem dopisuje się przedrostek poli-, np. poli(chlorek winylu). Natomiast skróty do nazw polimerów tworzy się do ich angielskich nazw. Utworzone skróty są międzynarodowe, czyli rozpoznawalne na całym świecie.

Właściwości i odmiany
Skoro wiemy już jak wytwarzany jest polietylen, to zapoznajmy się z jego właściwościami. Polietylen jest odporny na działanie zasad i kwasów, jest materiałem elastycznym jednak jego elastyczność maleje pod wpływem wilgoci i słońca. Im więcej atomów węgla ma w swojej budowie, tym większą wytrzymałością mechaniczną się cechuje. Polietylen nie tonie w wodzie. Jest nietoksyczny, elastyczny i termoplastyczny.
Szczególne właściwości polietylenu zależą od jego odmiany. Te zaś zależą od warunków w jakich wytwarzany był polietylen, tj. ciśnienia, temperatury i katalizatora. Zapoznajmy się z rodzajami polietylenu oraz szczególnymi właściwościami i zastosowaniami wybranych odmian.
HDPE- (high-density PE), czyli polietylen o wysokiej gęstości. Charakteryzuje się dużą wytrzymałością mechaniczną, wysoką temperaturą topnienia oraz wysoką odpornością chemiczną. Ma mlecznobiałą barwę i otrzymywany jest przez polimeryzację niskociśnieniową. Wykorzystuje się go do produkcji folii, butelek, nakrętek oraz rur.
LDPE (low-density PE), czyli polietylen o niskiej gęstości. Jest materiałem bardzo elastycznym oraz giętkim. Jest bezwonny oraz mniej odporny na działania czynników mechanicznych od HDPE. Otrzymywany przez polimeryzację przy wysokim ciśnieniu. Używany do produkcji folii termokurczliwej oraz sprzętu sportowego.
LLDPE (linear low-density PE), czyli liniowy polietylen o niskiej gęstości. Powstał przez kopolimeryzację z butenem lub oktenem. (kopolimeryzacja to proces podobny do polimeryzacji, jednak w polimerze występuje więcej niż jedne rodzaj meru). Powstał przez polimeryzację niskociśnieniową. Jest bardziej elastyczny i odporny na odkształcenia od LDPE, dlatego stosuje się go do produkcji bardzo cienkich, elastycznych folii.
mPE jest odmianą HDPE, jednak do jego stworzenia używa się katalizatora metalocenowego. Dzięki temu polimer szybciej się chłodzi, a jego wytworzenie jest bardziej korzystne energetyczne (nie potrzeba tyle energii). Używa się go do produkcji wiader oraz nakrętek do butelek.
Zastosowania
Spójrzmy na inne zastosowania polietylenu:
Przemysł mechaniczny: koła zębate, rolki, prowadnice, ślimaki transportowe.
Przemysł chemiczny: kurki, zawory, koła zębate, uszczelki.
Stosowany do wykładania rynien transportowych do transportów górniczych.
Elektrotechnika: elementy izolacyjne.
Inne: podkładki, torby, folie gumowe, folie typu strech, listwy, protezy ortopedyczne i wiele, wiele innych.

Polietylen a środowisko
Widzimy zatem jak szerokie zastosowanie ma polietylen. Zastanówmy się jednak czy materiały z niego stworzone są przyjazne środowisku. Zaletami z używania polietylenu są jego właściwości- wytrzymałość i odporność chemiczna. Jednak większość produktów stworzonych z polietylenu po zużyciu trafia na wysypiska śmieci, gdzie będzie czekała na swoje rozłożenie paręset lat. Tylko mała część z tych zużytych produktów spalana jest, aby stworzyć coś nowego i użytecznego. Problemem jest segregacja odpadów, większość ludzi nie wie, jak poprawnie segregować odpady. Co więcej, taka plastikowa butelka to nie tylko polietylen- to mieszanina wielu polimerów, które muszą być przetwarzane w różny sposób. W krajach. w których kładzie się szczególny nacisk na segregowanie odpadów i edukację ekologiczną, problem plastikowych odpadów, które są składowane na wysypiskach, jest dużo mniejszy. Ponadto dużym problemem jest konsumpcjonizm, ponieważ bardzo często produkty jeszcze przed zniszczeniem czy zużyciem wymieniane są na nowe. Tutaj pomoże wydłużanie ich czasu użytkowania, np. przez naprawę, czy powstrzymanie się od nabywania nowych towarów, kiedy stare są jeszcze użyteczne.
Aby ułatwić kwestię związaną z recyklingiem polietylenu, wprowadzono oznaczenia tego związku:
jest to oznaczenie polietylenu o wysokiej gęstości HDPE.
jest to oznaczenie polietylenu o niskiej gęstości LDPE.
Depolimeryzacja
Depolimeryzacja to reakcja chemiczna, przeciwna do reakcji polimeryzacji. Substratem jest zatem polimer, a produktami- monomery, które posłużyły do stworzenia polimeru. Często zdarza się tak, że polimeryzacja i depolimeryzacja zachodzą równocześnie, jednak kiedy celem uzyskanie jest polimeru, dobiera się warunki- ciśnienie, ilość substratów, temperaturę, tak, aby to polimeryzacja przeważała nad depolimeryzacją. Dla wielu reakcji polimeryzacji istnieje temperatura sufitowa i ciśnienie sufitowe. Informują one, w jakich warunkach to depolimeryzacja zaczyna przeważać nad polimeryzacją.
Jeśli celem prowadzenia reakcji jest otrzymanie rozbudowanego polimeru, to niekontrolowania depolimeryzacja może spowolnić ten proces i z pewnością podnieść koszt energetyczny prowadzenia reakcji. Otrzymany polimer z pewnością nie będzie tak złożony, jak zakładano. Niekontrolowana depolimeryzacja może także doprowadzić do eksplozji aparatury i narzędzi, których używamy do polimeryzacji, dlatego tak ważne są odpowiednie warunki, ponieważ koszty niekontrolowanej depolimeryzacji mogą być bardzo wysokie. Depolimeryzację można wykorzystać w recyklingu. Pozwoli ona na odzyskanie monomerów i ich ponowne wykorzystanie.
W odpowiednich warunkach może zostać przeprowadzona depolimeryzacja polietylenu do etenu. Spójrzmy na tę reakcję:

Depolimeryzacja zachodzi w odpowiednich warunkach temperaturowych i przy udziale katalizatora.
Uwaga! Depolimeryzacji nie należy mylić z degradacją!
Reakcja depolimeryzacji to rozkład polimeru, w którym powstają tylko monomery danego polimeru. Jeśli powstaną też inne związki, to mamy do czynienia z reakcją degradacji, nie depolimeryzacji.
Polietylen(PE) vs polipropylen (PP)
Porównajmy sobie polietylen z innym popularnym polimerem- polipropylenem. Zacznijmy od tego czym w ogóle jest polipropylen. Polipropylen to produkt reakcji polimeryzacji propenu- alkenu o wzorze sumarycznym C3H6. Spójrz na wzór półstrukturalny propenu:

Oczywiście moglibyśmy zapisać wszystkie atomy węgla w jednej linii, jednak wtedy reakcja polimeryzacji byłaby dla nas trudniejsza do zapisania i i tak musielibyśmy zapisać grupę metylową wyżej. Zapiszmy teraz reakcję polimeryzacji tego związku.

Pamiętamy o temperaturze, ciśnieniu i katalizatorze oraz o literach n, a także o tym, żeby wiązania przecinały nawias.
Porównajmy teraz oba związki:
Polietylen lepiej znosi niskie temperatury, zaś polipropylen lepiej znosi wysokie.
Polietylen ma dużo większą elastyczność, zaś polipropylen trudniej złamać.
Polipropylen jest materiałem lżejszym od polietylenu.
Szanse na recykling są dużo większe w przypadku polietylenu.
Polipropylen świetnie nada się do opakowań do mikrofali, czy innych poddawanych obróbce cieplnej. Z kolei polietylen przyda się gdy potrzeba elastycznego opakowania, np. to zapakowania żywności.
Polipropylen jest wykorzystywany w taśmach samoprzylepnych, zaś polietylen w opakowaniach, torebkach plastikowych.
Oznaczenie polipropylenu. Ogólnoświatowy skrót polipropylenu to PP.

Historia polietylenu
W 1898 roku przez przypadek został stworzony polietylen przez niemieckiego chemika Hansa von Pechmanna. Charakterystyka powstałej białej substancji wykazała, że zawiera ona długie łańcuchy grup CH2, dlatego związek nazwano polimetylowym. Pierwsza synteza polietylenu na skalę przemysłową miała miejsce w 1933 roku w w Imperial Chemical Industries (ICI) w Northwich w Anglii. Wtedy wraz z użyciem wysokiego ciśnienia, udało się wytworzyć polietylen. Ze względu na obecność tlenu w aparaturze polietylen był brudny, a reakcja trudna do powtórzenia. Dopiero Michael Perrit w 1935 roku odkrył powtarzalną syntezę polietylenu z użyciem wysokiego ciśnienia. Stało się to podstawą do stworzenia dobrze nam znanej odmiany polietylenu, wytwarzanej w wysokim ciśnieniu, czyli LDPE.
Ważną rolę w historii polietylenu odegrały katalizatory. Pozwoliły one na przeprowadzanie reakcji przy niższym ciśnieniu i niższej temperaturze. Pierwszym katalizatorem był tlenek chromu(VI), kolejnym, odkrytym w 1953 był chlorek tytanu(IV), odkrył go Karl Ziegler. Katalizatory te stały się podstawą do wytwarzania znanego nam HDPE i do dzisiaj są spotykane w przemyśle. JednkażeJednakże dużo częściej spotykane są katalizatory metalocenowe, które pozwalają wytwarzać polietylen i jego odmiany w jeszcze niższych temperaturach i przy niższym ciśnieniu. Pierwsze tego typu katalizatory zaczęły być używane w 1976 roku, jednak do dziś są one udoskonalane, aby przynosiły jak najmniej strat.
Podsumowanie:
Polietylen (PE) to związek powstały w wyniku polimeryzacji etenu.
Polimeryzacja to łączenie cząsteczek związku nienasyconego poprzez rozerwanie jednego wiązania z wiązania wielokrotnego.
Polimeryzacja zachodzi przy odpowiednich warunkach ciśnienia, temperatury i obecności katalizatora.
Polimer to produkt reakcji polimeryzacji, substratami są monomery, zaś powtarzającą się fragmentem polimeru jest mer.
Polietylen ma wiele odmian, spośród których najbardziej znane są HDPE i LDPE. Odmiany różnią się właściwościami, a przez to i zastosowaniami.
Polietylen ma bardzo wiele zastosowań, od przemysłu mechanicznego, przez przemysł chemiczny aż do elektrotechniki.
Depolimeryzacja to reakcja przeciwna do polimeryzacji, w której produktem są monomery, które potrzebne były do stworzenia polimeru.
Drugim bardzo znanym polimerem jest polipropylen, który jednak ma inne właściwości i zastosowania do polietylenu.