Кратко и по пунктам.
1) Каталитические процессы и условия
- HDPE: низко- и среднедавленное координационное (вставочное) полимеризация этилена ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4$ на:
- Ziegler–Natta (TiCl${}_4$/MgCl${}_2$ + Al-алкилы) или Phillips (Cr/SiO${}_2$), а также одноцентровые металлоценовые катализаторы. Механизм — координационная вставка, даёт преимущественно линейные цепи с контролируемой короткой разветвлённостью. Давление обычно низкое: $<50\mathrm{bar}$, температура относительно невысокая (зависит от процесса).
- LDPE: свободнорадикальная полимеризация при высоком давлении в автоклавах. Инициаторы — пероксиды/кислород; механизмы цепепереноса и рекомбинации дают многочисленные длинные и короткие боковые ветвления. Условия: высокое давление $\sim 1000-3000\mathrm{bar}$ и температуры $\sim 150-300^{\circ }\mathrm{C}$. (Отдельно LLDPE получают координационно кополимеризацией при низком давлении.)
2) Молекулярная структура
- HDPE: линейная структура, минимальное количество ветвей, формирует высокую кристалличность. Повторяющийся фрагмент ${(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2)}_n$.
- Кристалличность типично $\sim 60\%-90\%$.
- Плотность $\sim 0.941-0.965g/c{\mathrm{m}}^3$.
- LDPE: сильно разветвлённые макромолекулы (короткие и длинные боковые цепи), низшая кристалличность.
- Кристалличность типично $\sim 40\%-60\%$.
- Плотность $\sim 0.910-0.940g/c{\mathrm{m}}^3$.
3) Эксплуатационные свойства (сравнение)
- Механика:
- HDPE: более высокая жёсткость и прочность, модуль упругости $E\approx 0.8-1.5\mathrm{GPa}$, лучшее сопротивление ползучести и воздействию трещинообразования при нагрузке (используют для труб, жёсткой тары).
- LDPE: гораздо более гибкий, большая относительная удлиняемость при разрыве, модуль $E\approx 0.1-0.4\mathrm{GPa}$, хорошая ударная вязкость и формуемость (фильмы, пакеты, плёнки).
- Теплостойкость:
- Температура плавления HDPE $T_m\approx 125-135^{\circ }\mathrm{C}$; LDPE $T_m\approx 105-115^{\circ }\mathrm{C}$.
- Барьерные и электрические свойства:
- HDPE имеет несколько лучшую плотность и барьерные свойства; оба — хорошие диэлектрики.
- Технологичность:
- HDPE лучше для литья под давлением и экструзии толстых изделий; LDPE удобен для выдувной и плёночно-экструзионной технологии, лёгкого герметизирования.
4) Экологические проблемы и утилизация
- Производство:
- LDPE: очень энергоёмкий высоконапорный процесс (большие энергозатраты). Использование пероксидов и мощных условий.
- HDPE: применение катализаторов (Cr, Ti, металлоцены) — требование контроля остатков и безопасности (например, риск образования и утечек хрома шести-валентного при некорректной обработке Phillips-катализатора; органоалюминиевые реагенты — пожароопасны).
- Конец жизни:
- Оба — термопласты, поддаются механической переработке; идентификаторы: HDPE — код $2$, LDPE — код $4$.
- Проблемы: смешанные потоки, загрязнения, добавки/пигменты ухудшают качество рециклатов → часто происходит даунциклинг. Низкие мировые показатели сбора/переработки.
- Термическая утилизация: сжигание даёт энергию, но эмиссия CO${}_2$ и другие загрязнители; полиэтилен сам по себе без хлора не даёт диоксинов, но при загрязнении/смесе с хлорсодержащими материалами риск.
- Химическая переработка (пиролиз, каталитическое крекинг) позволяет получать смеси углеводородов/мономеры, но требует энергии и очистки; перспективно для смешанных/грязных потоков.
- Биологическая деградация практически отсутствует; долговечность в окружающей среде приводит к микропластикам и накоплению в экосистемах.
- Дополнительные аспекты:
- Остаточные металлы катализаторов в полимере могут осложнять переработку и давать токсичность при неконтролируемом обращении.
- Переход на более «чистые» катализаторы (металлоцены с меньшими побочными продуктами), оптимизация энергопотребления и развитие химического рециклинга — основные направления снижения воздействия.
Краткий вывод: HDPE получаетс̀я координационной полимеризацией дающей линейные высококристаллические цепи с высокой прочностью; LDPE — высокодавленой радикальной полимеризацией, дающей сильное ветвление и гибкость. С экологической точки зрения главный минус LDPE — энергоёмность производства; для HDPE — вопросы, связанные с катализаторами и остатками металлов; утилизация обоих требует развития сбора, сортировки и химического рециклинга, иначе — накопление и образование микропластика.