materia prima plastica PE

Materie prime PE: materie plastiche universali con caratteristiche, produzione e applicazioni diversificate

Il PE (polietilene) è una resina termoplastica polimerizzata da monomeri di etilene. Essendo la plastica multiuso più diffusa al mondo, si è diffusa in vari settori produttivi e della vita quotidiana fin dall'industrializzazione degli anni '30 grazie alle sue eccellenti prestazioni complete, al basso costo e all'ampia applicabilità. Dalle borse della spesa quotidiane alle condutture industriali, dagli imballaggi alimentari alle pellicole agricole, il PE è diventato un materiale di base indispensabile nella società moderna grazie ai suoi vantaggi unici, promuovendo lo sviluppo dell'industria dei materiali polimerici.

1. Struttura molecolare e caratteristiche fondamentali del PE

La struttura molecolare del PE è costituita da catene di carbonio e idrogeno lineari o ramificate, con unità ripetitive di tipo -CH₂ -CH₂ -. La regolarità e il grado di ramificazione delle catene molecolari determinano le loro differenze di prestazioni. In base alla struttura molecolare, può essere suddiviso in polietilene a bassa densità (LDPE), polietilene ad alta densità (HDPE) e polietilene lineare a bassa densità (LLDPE).

La catena molecolare dell'LDPE presenta un elevato grado di ramificazione e una bassa cristallinità (50%-60%), che gli conferiscono buona flessibilità e trasparenza, con una densità di 0,91-0,925 g/cm³, una sensazione di morbidezza al tatto, un'eccellente resistenza alle basse temperature e la possibilità di mantenere la tenacità a -60 °C. L'HDPE presenta un'elevata regolarità della catena molecolare, con una cristallinità dell'80%-95% e una densità di 0,941-0,965 g/cm³. Presenta elevata rigidità, elevata resistenza e una durezza e resistenza all'usura superiori a quelle dell'LDPE, ma una flessibilità leggermente inferiore. L'LLDPE forma catene ramificate corte attraverso la copolimerizzazione di etilene e alfa-olefine, combinando la flessibilità dell'LDPE con la resistenza dell'HDPE, con un'eccezionale resistenza alla lacerazione e alla perforazione.

Il PE nel suo complesso presenta eccellenti caratteristiche: buona stabilità chimica, resistenza ad acidi, alcali, sali e alla maggior parte dei solventi organici e non reagisce con sostanze diverse dai forti ossidanti a temperatura ambiente; eccellente isolamento elettrico, bassa costante dielettrica, adatto per strati isolanti di fili e cavi; buone prestazioni di lavorazione, può essere formato tramite processi come stampaggio a soffiaggio, stampaggio a iniezione, estrusione, ecc. e presenta un'ampia gamma di temperature di lavorazione e un basso consumo energetico; atossico e inodore, conforme agli standard per il contatto con gli alimenti, ampiamente utilizzato negli imballaggi alimentari. Tuttavia, il PE ha una resistenza alla temperatura limitata e viene generalmente utilizzato a temperature comprese tra -40 e 60 °C. È soggetto a ossidazione e invecchiamento e deve essere migliorato aggiungendo antiossidanti.

2、 Processo di produzione e fonti di materie prime del PE

La produzione di PE utilizza l'etilene come materia prima principale, proveniente principalmente dal cracking del petrolio (cracking della nafta) e dalla lavorazione del gas naturale (deidrogenazione dell'etano). Negli ultimi anni, l'etilene di origine biologica è stato prodotto attraverso la tecnologia della fermentazione delle biomasse, offrendo possibilità per la produzione di PE ecosostenibile. Il processo produttivo si suddivide in metodi ad alta pressione, a media pressione e a bassa pressione, a seconda della pressione, corrispondente alle diverse varietà di PE.

Il metodo ad alta pressione viene utilizzato principalmente per produrre LDPE, generato dalla polimerizzazione radicalica del monomero di etilene a 100-300 MPa e 150-300 °C utilizzando ossigeno o perossido come iniziatori. L'ambiente ad alta pressione provoca un elevato numero di ramificazioni delle catene molecolari, formando prodotti a bassa densità e alta flessibilità. Questo processo comporta un elevato consumo energetico, ma l'elevata purezza del prodotto lo rende adatto a settori come quello dei film sottili.

Il metodo a bassa pressione (incluso il metodo a media pressione) viene utilizzato per produrre HDPE e LLDPE, utilizzando un catalizzatore Ziegler Natta o un catalizzatore metallocenico e polimerizzando in condizioni di 0,1-5 MPa e 60-100 °C. L'ambiente a bassa pressione riduce la ramificazione e forma HDPE ad alta cristallinità; l'aggiunta di alfa-olefine (come butene ed esene) per la copolimerizzazione produce LLDPE. Il metodo a bassa pressione offre un basso consumo energetico e un'elevata efficienza del catalizzatore, ed è attualmente il processo più diffuso in grado di controllare accuratamente il peso molecolare e la densità dei prodotti.

Il PE fuso ottenuto dopo la polimerizzazione viene estruso e granulato in materie prime granulari, a cui vengono aggiunti additivi come antiossidanti, lubrificanti e coloranti in base alle esigenze per migliorare le prestazioni di lavorazione e la resistenza agli agenti atmosferici. La selezione degli additivi deve soddisfare i requisiti del contesto applicativo e il PE per uso alimentare limita rigorosamente la tipologia e il contenuto di additivi.

3、 Tecnologia di classificazione e modifica del PE

Il PE può essere suddiviso in tre categorie in base a densità e struttura, ciascuna con caratteristiche e scenari di applicazione specifici. I limiti prestazionali possono essere ulteriormente ampliati attraverso tecniche di modifica.

L'LDPE (polietilene a bassa densità) presenta un elevato grado di ramificazione, una bassa cristallinità, un'eccellente flessibilità, trasparenza e fluidità di lavorazione. Presenta un'ampia gamma di indici di fusione ed è adatto per film per soffiaggio (come sacchetti per la conservazione di alimenti e film plastici), per lo stampaggio a iniezione di piccoli prodotti (come giocattoli e tappi per bottiglie) e per rivestimenti per estrusione. Tuttavia, la sua resistenza è relativamente bassa e la sua resistenza ai solventi è leggermente scarsa.

L'HDPE (polietilene ad alta densità) presenta un'elevata cristallinità, un'elevata rigidità, una migliore resistenza alla trazione, durezza e resistenza alla temperatura rispetto all'LDPE. Presenta un'eccezionale resistenza alla corrosione chimica ed è adatto alla produzione di contenitori cavi (come bottiglie di acqua minerale e fusti per prodotti chimici), condotte (come tubi per l'approvvigionamento idrico e del gas), pannelli e film per imballaggio pesanti. La lavorazione dell'HDPE presenta una scarsa fluidità e richiede temperature di lavorazione più elevate.

L'LLDPE (polietilene lineare a bassa densità) coniuga flessibilità e resistenza grazie alla sua struttura a catena corta, con un'eccellente resistenza allo strappo, alla perforazione e alla rottura da stress. Presenta eccellenti proprietà di trazione ed è utilizzato principalmente per film estensibili (come quelli per l'imballaggio), film agricoli, film per imballaggio pesante e prodotti stampati a iniezione. Viene spesso miscelato con LDPE per migliorarne le prestazioni.

La tecnologia di modifica è la chiave per migliorare le prestazioni del PE: la modifica della reticolazione utilizza metodi chimici o fisici per formare una struttura a rete di catene molecolari, migliorando la resistenza al calore, la resistenza ai solventi e la resistenza meccanica, ed è utilizzata per strati isolanti in tubi e cavi per acqua calda; aggiunta di riempitivi modificati come carbonato di calcio e polvere di talco per ridurre i costi e migliorare la rigidità e la stabilità dimensionale; miglioramento della fibra di vetro composita modificata, della fibra di carbonio, ecc. per migliorare la resistenza e il modulo, utilizzata per componenti strutturali; la modifica funzionale conferisce proprietà antibatteriche, ignifughe, antistatiche e di altro tipo, espandendosi ai settori medico, elettronico e altri.

4、 Le diverse aree di applicazione del PE

Grazie alle sue prestazioni versatili e al basso costo, il PE è ampiamente utilizzato nel settore degli imballaggi, dell'agricoltura, dell'industria, dei beni di prima necessità e in altri settori, supportando il funzionamento della società moderna.

L'industria dell'imballaggio rappresenta il maggiore mercato applicativo per il PE, con la pellicola LDPE che domina gli imballaggi per alimenti, come i sacchetti salvafreschezza e i sacchetti del pane, che sono trasparenti, morbidi e hanno buone proprietà di tenuta; i contenitori rigidi in HDPE, come i biberon e i flaconi dei detersivi, sono resistenti agli urti e alle barriere, adatti per l'imballaggio di liquidi; la pellicola estensibile LLDPE, con la sua forte estensibilità, viene utilizzata per l'avvolgimento logistico degli imballaggi per ridurre le perdite dovute al trasporto; il materiale in schiuma di PE (come il cotone perlato) è leggero e ammortizzante, utilizzato per l'imballaggio di prodotti elettronici e strumenti di precisione.

In agricoltura, la copertura in film di PE preserva l'umidità, aumenta la temperatura e favorisce la crescita delle colture. Il film in LDPE ha una buona flessibilità ed è facile da posare, mentre il film in LLDPE è resistente alla perforazione e ha una lunga durata; il film in PE per serre è ideale per la trasmissione della luce e l'isolamento, ideale per la costruzione di serre; i sacchi in rete di PE sono utilizzati per il confezionamento di frutta e verdura, sono traspiranti e resistenti all'umidità.

Nel campo industriale, i tubi in HDPE sono ampiamente utilizzati per l'approvvigionamento idrico comunale, il trasporto del gas e lo scarico delle acque reflue industriali grazie alla loro resistenza alla corrosione chimica, alla bassa resistenza ai fluidi e alla facile installazione; produzione di serbatoi di stoccaggio, rivestimenti e apparecchiature anticorrosione utilizzando fogli di PE; lo strato isolante del cavo in PE reticolato ha un buon isolamento elettrico e resistenza all'invecchiamento, garantendo la sicurezza della trasmissione di potenza.

Nel campo delle necessità quotidiane, i prodotti in PE sono ovunque: i prodotti stampati a iniezione come secchi, bacinelle e giocattoli di plastica sono leggeri e resistenti; la fibra di PE (polipropilene) viene utilizzata per realizzare reti da pesca, tessuti filtranti e tappeti, che sono resistenti all'usura e alle intemperie; la schiuma di PE (come pantofole, tappetini da yoga) è morbida e confortevole, con buone prestazioni di ammortizzazione.

In campo medico, il PE per uso alimentare viene utilizzato per realizzare sacche per infusione, coperture per siringhe, ecc. È atossico, chimicamente stabile e può essere sterilizzato a vapore; la pellicola in PE viene utilizzata per camici chirurgici e pellicole per imballaggio per bloccare i batteri e garantire traspirabilità.

5. Le tendenze di sviluppo e protezione ambientale del PE

La tutela ambientale del PE ha ricevuto attenzione e, nonostante la sfida dell'inquinamento bianco, si sta muovendo verso uno sviluppo sostenibile attraverso il riciclaggio e l'innovazione tecnologica verde.

Il sistema di riciclo del PE è relativamente maturo, con il riciclo fisico come metodo principale: il PE di scarto viene selezionato, pulito, frantumato, fuso e granulato, e il PE riciclato viene utilizzato per produrre bidoni della spazzatura, pellicole riciclate, vaschette di plastica, ecc. Il riciclo chimico scompone il PE in idrocarburi a piccole molecole, che possono essere utilizzati come combustibile o materie prime chimiche e presentano vantaggi nel trattamento di rifiuti complessi. Il tasso globale di riciclo del PE è in graduale aumento e la promozione di politiche e il progresso tecnologico stanno contribuendo a promuovere un'economia circolare.

Il PE biobased è una direzione di sviluppo green, che utilizza l'etilene prodotto dalla fermentazione di biomasse (come canna da zucchero e mais) come materia prima. La sua impronta di carbonio è inferiore a quella del PE derivato dal petrolio e le varietà di PE biodegradabili (come il PE con aggiunta di coadiuvanti di degradazione) possono degradarsi naturalmente in ambienti specifici, riducendo l'inquinamento a lungo termine.

Lo sviluppo futuro del PE si concentra su tre direzioni: sviluppo ad alte prestazioni tramite progettazione molecolare e tecnologia composita, sviluppo di PE ad alto modulo, resistente alle alte e basse temperature ed espansione delle applicazioni ingegneristiche; ricerca e sviluppo funzionale di PE antibatterico e con risposta intelligente (come la degradazione sensibile alla temperatura) per soddisfare esigenze di fascia alta; la bassa carbonizzazione promuove l'industrializzazione di materie prime di origine biologica e il riciclaggio chimico, crea un ciclo di produzione, consumo e rigenerazione e combina un design leggero per ridurre il consumo di materiale.

Il PE, in quanto plastica universale di base, supporta lo sviluppo di molteplici settori grazie alle sue eccellenti prestazioni. Di fronte alle sfide ambientali, attraverso il riciclo e l'innovazione verde, il PE raggiungerà uno sviluppo sostenibile mantenendo al contempo la praticità, fornendo un supporto materiale fondamentale per una società verde e a basse emissioni di carbonio.