你每天都在使用它。但是什么是聚乙烯塑料?

这种无处不在的现代材料上的101

聚乙烯是迄今为止最常见的消费塑料,并被用于许多日常材料。它是一种热塑性产品,这意味着它可以熔化成液体,然后多次冷却成固体。不同的加工条件会产生不同等级的聚乙烯,这些聚乙烯可以用于非常不同的用途——从柔软的保鲜膜的一端到坚硬的柱柱盖的另一端。

聚乙烯最吸引人的特性之一是它的耐用性。它抗褪色和剥落,同时也不受许多化学物质的影响,如酸和腐蚀性溶液。聚乙烯是一种优良的电绝缘体。它在极冷的条件下仍能保持其特性,但在高温下可以熔化。

聚乙烯塑料:一种碳氢分子

乙烯分子三维模型与键结构
聚乙烯是由2个碳原子和4个氢原子组成的乙烯分子。

分子结构与一般性质

聚乙烯由碳氢链组成,最基本的成分是乙烯分子,由2个碳原子和4个氢原子组成。当乙烯分子以直链或支链形式结合在一起时,就形成了聚乙烯。这个过程包括两个碳原子之间的双键分裂,并产生一个自由基连接到下一个乙烯分子。大分子不是共价键连接,而是通过分子间的作用力结合在一起形成晶体结构。侧枝的数量越少,结晶度就越低,因此密度就越高,这可以从不同类型的聚乙烯的不同性质中观察到。

聚乙烯耐候性强,但长时间暴露在阳光下会变得脆弱。这一限制可以通过添加UV稳定剂来克服。它可以被点燃,在用黄色尖蓝色火焰除去火源后仍会继续燃烧,这将导致塑料滴落。聚乙烯的表面特性可以防止未经预处理就被粘在一起或压印。聚乙烯可以是透明的、乳状不透明的或不透明的,这取决于材料的等级、产品的厚度和添加剂的存在。

聚乙烯支链图形表示
聚乙烯支链图解

分类的聚乙烯

低密度聚乙烯(LDPE)由聚合物链中的长支链和短支链形成。这些支链的存在使链不会太紧,使LDPE具有灵活性,适用于塑料袋、电线绝缘和塑料包装等应用。LDPE对大多数化学物质具有高度抗性,包括酸、碱、醇、醛、酮和植物油。它的吸水率也很低。

线性低密度聚乙烯(LLDPE)与LDPE相似,但主要由具有许多短侧分支的线性链组成。它通常是用乙烯与1-丁烯、1-己烯和1-辛烯等α -烯烃共聚生产的。成品的特性可以通过调整组成配方来实现。

高密度聚乙烯(HDPE)主要由直链分子组成,它们被分子间的作用力结合在一起。没有侧分支确保链紧密地压在一起。这种高密度使得产品具有适度的硬度,适合于砧板、果汁容器、塑料木材和玩具等应用。HDPE具有良好的耐化学性,并在非常低的温度(-76华氏度)保持坚韧。它有蜡状的表面纹理,这是耐风雨的。

超高分子量聚乙烯(UWMPE)具有非常长的链条,可以纺成比钢更高抗拉强度的螺纹。长直链之间分子间作用力的强度产生了具有极高冲击强度的坚固材料。它用于防弹背心等应用。与其他聚乙烯类型一样,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)耐大多数化学物质,但氧化性酸除外。它还具有较低的吸湿性,但其自润滑特性使其具有很高的耐磨性。

美国测试和测量协会(ASTM)确定不同等级聚乙烯的规格,包括不同应用的规格。下表给出了不同等级聚乙烯的主要性能:

低密度聚乙烯

HDPE

超高分子量聚乙烯

密度(磅/ in3)

.035

.035

.034

吸水率,24小时(%)

< 0.01

0

0

抗拉强度

1800 - 2200

4600年

3100年

缺口冲击强度

没有休息

3.

没有休息

线性热膨胀系数(x10^-5 in/in/deg F)

3.

3.

3.

最大持续使用温度(def F)

160

180

180

约。熔化温度(deg F)

230

260

280

介电强度(V/mil)短时间,1/8″厚

460 - 700

450 - 500

900

低密度聚乙烯

密度(磅/ in3)

.035

吸水率,24小时(%)

< 0.01

抗拉强度

1800 - 2200

缺口冲击强度

没有休息

线性热膨胀系数(x10^-5 in/in/deg F)

3.

最大持续使用温度(def F)

160

约。熔化温度(deg F)

230

介电强度(V/mil)短时间,1/8″厚

460 - 700

HDPE

密度(磅/ in3)

.035

吸水率,24小时(%)

0

抗拉强度

4600年

缺口冲击强度

3.

线性热膨胀系数(x10^-5 in/in/deg F)

3.

最大持续使用温度(def F)

180

约。熔化温度(deg F)

260

介电强度(V/mil)短时间,1/8″厚

450 - 500

超高分子量聚乙烯

密度(磅/ in3)

.034

吸水率,24小时(%)

0

抗拉强度

3100年

缺口冲击强度

没有休息

线性热膨胀系数(x10^-5 in/in/deg F)

3.

最大持续使用温度(def F)

180

约。熔化温度(deg F)

280

介电强度(V/mil)短时间,1/8″厚

900

聚乙烯塑料化工厂
用于制造聚乙烯的化工厂。

聚乙烯塑料是怎么制成的?

聚乙烯的基本组成部分是乙烯分子,由2个碳原子和4个氢原子组成。乙烯存在于天然气中,在原油的精炼过程中也会产生乙烯。石油炼制第一阶段的产品之一是石脑油,石脑油经过催化裂化装置加工,生成较高辛烷值的物质。这种裂解过程还会产生乙烯,乙烯从其他产品中分离出来,进一步加工成聚乙烯。乙烯是气体。

根据要生产的产品的等级,聚乙烯有不同的加工方法。

LDPE的制造方法是将乙烯气体压缩到50,000 psi的压力,然后冷却并送入反应堆。在反应器中加入引发剂,使聚合反应发生。反应器中物料的不断搅拌确保了最大的转化率。反应后,未使用的乙烯从产品中分离出来,回收回压缩机。聚合物被挤压,切成球团,并在进入储存筒仓前干燥。颗粒通常被打包送到客户手中,在那里它们将被熔化并加工成最终的消费产品。

HDPE是在催化过程中制造的,这使得聚乙烯的制造过程可以在较低的温度和压力下进行。Ziegler-Natta和铬催化剂是早期使用的催化剂,但更新类型的催化剂正在不断开发,以改进生产过程和产品特性。有些工艺甚至将不同类型的聚乙烯混合到一批中,模糊了不同产品等级之间的界线。

LLDPE也是在催化过程中通过添加共聚物如α -烯烃(丁烷,正己烷)产生的。LLDPE的分子结构是一个长链和许多短分支。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是使用茂金属催化剂生产的,产生了非常长的烃链(超过100,000个单体组成分子)。另一个被称为凝胶纺丝的过程是将UHMWPE的加热凝胶通过喷丝板挤压出来。产品在水浴中冷却。这种纺丝过程产生的纤维具有高度的分子取向(95%),这使它具有极高的抗拉强度。

聚乙烯塑料成型

聚乙烯来自工厂,呈颗粒状,并根据其规格进行分级。客户在自己的制造过程中使用这些颗粒作为原材料,包括通过加热和加压将其熔化,然后将液态塑料成型为最终形状。根据原材料的等级和所需成品的类型,有多种成型聚乙烯的方法:

热塑性聚合物注射成型机
聚乙烯是用注塑机加工成产品的。
  1. 注塑
    注射成型是用聚乙烯制造成品的两种最常见的方法之一。颗粒被送入加热的圆柱体中,旋转的螺旋机将熔化的塑料通过浇口推入模具。在10,000-30,000 psi的高压下注入固定数量的聚乙烯。一旦注射完成,模具冷却后再打开,成品被取出。这是批量生产水桶和瓶盖等产品的典型过程。
  2. 吹塑
    吹塑用于制造瓶子和注射器等产品,产品中有一个空腔。在吹塑过程中,第一阶段涉及使用标准注射模在芯销周围成型预成型件。预制件冷却后,将其放置在第二个模具的中心。预成型件被重新加热,压缩空气通过芯销供应,将熔融塑料吹向最终模具的内壁,从而形成内腔。冷却后,销被拆下。
  3. 压缩成型
    压缩成型主要用于热固性塑料,这种塑料不能多次重新加热和重塑。粉末和其他材料可以添加到混合物中,以创造特殊的性能或增强最终产品。在这个过程中,塑料是通过加热板对塑料施加压力而成型的。这一过程的短周期使其具有吸引力的大批量应用,如汽车行业的零部件。
  4. 传递模塑法
    转移成型涉及加热塑料到熔融状态,然后转移到压缩成型过程。当有许多小孔或金属嵌件时,熔化的塑料更容易在它们周围形成,而不会影响对齐。
  5. 电影插入成型
    这个过程包括在注射塑料之前将薄膜或织物材料插入注射模具,这样薄膜就会在成品中被捕获。
  6. 挤压
    与注射成型一样,挤出成型是将聚乙烯成型的最常用方法之一。球团通过料斗进入加热室,在那里螺旋钻推动熔化的塑料前进。在加热室的末端是一个模具,当塑料出现在大气中时,模具会对其进行塑形。该工艺用于制作连续的板材、管材、电缆、管道等。成品落在传送带上,在那里它被风冷(有时由鼓风机辅助)。该产品也可以插入水中,以加快冷却过程。
  7. 气体注射成型
    在气体注射成型中,标准的注射成型过程是通过一个额外的步骤来增强的。模具被填充到所需全部熔融塑料的70%,然后气体被泵入腔室,将塑料推入模具的末端。最终的结果是,由于吹气,最终产品有一个中空的中心,和更少的塑料使用。
  8. 旋转成型
    粉状塑料被放置在一个空心模具中,并固定在一个旋转的毂上。轮毂在炉内的两个轴上旋转,导致塑料熔化并覆盖模具的内壁。轮毂在冷却周期中继续旋转,这通常需要向模具外部喷水。最后,成品被移除。这种方法的优点是模具简单,缺少所需的压力,并且在成品中没有焊接和连接。
  9. 结构性泡沫成型
    熔融塑料与压缩气体一起注入蓄能器,在塑料中产生泡沫效果。从蓄能器中,将泡沫塑料注射到模具中。从蓄能器到模具的压力下降导致塑料膨胀并填充模具。冷却后,表面光滑,但内部核心发泡,使成品具有高硬度。
  10. 热成型
    热成型和真空成型是通过将塑料片加热至柔软,然后将其挂在模具上完成的。在某些情况下施加正空气压力,而在另一些情况下则产生真空来将塑料压在模具上。冷却后,成品排出。
  11. 反应注射成型
    反应注射成型是一种较新的塑料制品成型技术。与传统的注射成型相比,这种塑料在较低的温度下与其他部件混合。在模具内部发生放热反应以加压塑料。由于需要较低的温度和压力,生产成本降低。玻璃纤维也可以添加到混合物中,以增加成品的强度。
聚乙烯塑料护柱盖
塑料系船柱盖是由聚乙烯制成的一种产品。

维护

聚乙烯是一种非常耐用的材料,不易磨损或削弱。然而,长期暴露在阳光下会导致产品脆性。对于暴露在元素下的管道或储罐,建议进行一个检查周期,以识别任何由于脆性而产生的蜘蛛网或裂纹。

聚乙烯产品的寿命和耐久性是如此之好,以至于许多制造商将其描述为无需维护。

应用程序

聚乙烯是消费产品中最常见的热塑性塑料,具有广泛的应用。以下是一些比较常见的用途:

  • 食品包装材料:由于聚乙烯具有良好的吸水性和耐化学损伤性,因此被认证可安全用于食品包装应用。
  • 医学油管:聚乙烯的无孔隙性使其成为导管和其他医疗产品的理想材料,因为它抗污染。
  • 桶、瓶和桶:由于塑料的硬度和在压力下的耐久性,它适合于消费品。
  • 防弹背心:UHMWPE纤维具有很高的拉伸强度,但非常轻,使其成为安全应用的理想材料。
  • 高强度电缆:它们重量轻,因此易于安装,但强度高,因此在复杂的工业应用中很有用。

回收

塑料产品因其对环境的影响而受到了很多负面报道,但与大多数潜在污染物一样,导致环境损害的是人类的行为,而不是产品本身。聚乙烯不可生物降解,因此不适合通过填埋场进行处理。

然而,聚乙烯的特性使其成为回收的理想材料,因为它可以熔化并重塑成另一种产品。此外,其耐化学污染和液体吸收意味着回收产品不含许多杂质。有时,在最终消费品的形成过程中,回收材料和原始材料混合在一起。回收编号#2适用于HDPE,回收编号#4适用于LDPE;许多回收设施可以处理这两种等级的废物,以便再利用。

许多以前被认为是环境危害的材料(例如,橡胶)随着人们走向可持续的生活方式和回收技术的发展,垃圾回收的速度越来越快。

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