高密度聚乙烯特性密度加工方法及應(yīng)用用途

高密度聚乙烯，英文名稱為“High Density Polyethylene”，簡(jiǎn)稱為“HDPE”。HDPE是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹(shù)脂。原態(tài)HDPE的外表呈乳白色，在微薄截面呈一定程度的半透明狀。PE具有優(yōu)良的耐大多數(shù)生活和工業(yè)用化學(xué)品的特性。某些種類的化學(xué)品會(huì)產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，例如腐蝕性氧化劑（濃硝酸），芳香烴（二甲苯）和鹵化烴（四氯化碳）。該聚合物不吸濕并具有好的防水蒸汽性，可用于包裝用途。HDPE具有很好的電性能，特別是絕緣介電強(qiáng)度高，使其很適用于電線電纜。中到高分子量等級(jí)具有極好的抗沖擊性，在常溫甚至在-40F低溫度下均如此。

HDPE是一種由乙烯共聚生成的熱塑性聚烯烴。雖然HDPE在1956年就已推出，但這種塑料還沒(méi)達(dá)到成熟水平。這種通用材料還在不斷開(kāi)發(fā)其新的用途和市場(chǎng)。

【主要特性】
HDPE是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹(shù)脂。原態(tài)HDPE的外表呈乳白色，在微薄截面呈一定程度的半透明狀。PE具有優(yōu)良的耐大多數(shù)生活和工業(yè)用化學(xué)品的特性。某些種類的化學(xué)品會(huì)產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，例如腐蝕性氧化劑（濃硝酸），芳香烴（二甲苯）和鹵化烴（四氯化碳）。該聚合物不吸濕并具有好的防水蒸汽性，可用于包裝用途。HDPE具有很好的電性能，特別是絕緣介電強(qiáng)度高，使其很適用于電線電纜。中到高分子量等級(jí)具有極好的抗沖擊性，在常溫甚至在-40F低溫度下均如此。各種等級(jí)HDPE的獨(dú)有特性是四種基本變量的適當(dāng)結(jié)合：密度、分子量、分子量分布和添加劑。不同的催化劑被用于生產(chǎn)定制特殊性能聚合物。這些變量相結(jié)合生產(chǎn)出不同用途的HDPE品級(jí)；在性能上達(dá)到最佳的平衡。


【密度】
這是決定HDPE特性的主要變量，雖然被提到的4種變量確實(shí)起到相互影響作用。乙烯是聚乙烯主要原料，少數(shù)的其它共聚單體，如1一丁烯、l一己烯或1一辛烯，也經(jīng)常用于改進(jìn)聚合物性能，對(duì)HDPE，以上少數(shù)單體的含量一般不超過(guò)1％－2％。共聚單體的加入輕微地減小了聚合物的結(jié)晶度。這種改變一般由密度來(lái)衡量，密度與結(jié)晶率呈線性關(guān)系。美國(guó)一般分類按ASTM D1248規(guī)定， HDPE的密度在 0．940g／。C以上；中密度聚乙烯（MDPE）密度范圍0．926～0．940g／CC。其它分類法有時(shí)把MDPE歸類于HDPE或LLDPE。均聚物具有最高密度、最大的剛度，良好的防滲透性和最高的熔點(diǎn)，但一般具有很差抗環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂（ESCR）。ESCR是PE抗由機(jī)械或化學(xué)應(yīng)力所引起的開(kāi)裂性的能力。更高的密度一般改進(jìn)了機(jī)械強(qiáng)度性，例如拉伸強(qiáng)度、剛度和硬度；熱性能如軟化點(diǎn)溫度和熱變形溫度；防滲透性，如透氣性或水蒸氣透過(guò)性。較低的密度改進(jìn)其沖擊強(qiáng)度和E－SCR。聚合物密度主要是受共聚單體加入的影響，但較少程度也受分子量影響。高分子量百分?jǐn)?shù)使密度略有降低。例如，在一個(gè)較寬分子量范圍內(nèi)均聚物具有不同的密度。


【生產(chǎn)和催化劑】
PE最通常的生產(chǎn)方法是通過(guò)淤漿或氣相加工法，也有少數(shù)用溶液相加工生產(chǎn)。所有這些加工過(guò)程都是由乙烯單體、a-烯烴單體、催化劑體系（可能是不止一種化合物）和各種類型的烴類稀釋劑參與的放熱反應(yīng)。氫氣和一些催化劑用來(lái)控制分子量。淤漿反應(yīng)器一般為攪拌釜或是一種更常用的大型環(huán)形反應(yīng)器，在其中料漿可以循環(huán)攪拌。當(dāng)乙烯和共聚單體（根據(jù)需要）和催化劑一接觸，就會(huì)形成聚乙烯顆粒。除去稀釋劑后，聚乙烯顆?；蚍哿１桓稍锊磩┝考尤胩砑觿?，就生產(chǎn)出粒料。帶有雙螺桿擠出機(jī)的大型反應(yīng)器的現(xiàn)代化生產(chǎn)線，可每小時(shí)生產(chǎn) PE40000磅以上。新的催化劑的開(kāi)發(fā)為改進(jìn)新等級(jí)HDPE的性能作出貢獻(xiàn)。兩種最常用的催化劑種類是菲利浦的鉻氧化物為基礎(chǔ)的催化劑和鈦化合物一烷基鋁催化劑。菲利浦型催化劑生產(chǎn)的HDPE有 中寬度分子量分布；鈦一烷基鋁催化劑生產(chǎn)的分子量分布窄。用復(fù)式反應(yīng)器生產(chǎn)窄MDW的聚合物所用催化劑也可用 于生產(chǎn)寬MDW品級(jí)。舉例來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)顯著不同分子量產(chǎn)品的兩個(gè)串聯(lián)反應(yīng)器可以生產(chǎn)出雙峰分子量聚合物，這種聚合物具有全寬域的分子量分布。

【分子量】
較高的分子量導(dǎo)致較高的聚合物粘度，不過(guò)粘度也與測(cè)試所用的溫度和剪切速率有關(guān)。用流變或分子量測(cè)量對(duì)材料的分子量進(jìn)行表征。HDPE的品級(jí)一般具有的分子量范圍是40 000～300 000，重均分子量大致與熔融指數(shù)范圍相對(duì)應(yīng)，即從100～ 0． 029／10min。通常地，更高的MW（更低的熔融指數(shù)MI）增強(qiáng)了熔體強(qiáng)度、更好韌性和ESCR，但是更高M(jìn)W使加工
過(guò)程更難或且需要更高的壓力或溫度。

分子量分布（MWD）：PE的WD根據(jù)使用的催化劑和加工過(guò)程而有從窄到寬的不同。

最常用的MWD測(cè)量指數(shù)是不勻度指數(shù)（HI），它等于重均分子量（MW）除以數(shù)均分子量（Mn）。所有HDPE品級(jí)的這個(gè)指數(shù)范圍是4—30。窄MWD 提供了在模塑過(guò)程中的低翹曲性和高沖擊性。中到寬MWD提供了對(duì)多數(shù)擠塑過(guò)程的可加工性。寬MWD也可改進(jìn)熔體強(qiáng)度和抗蠕變性。

【添加劑】
抗氧劑的加入可防止聚合物在加工過(guò)程中降解，并防止制成品在使用中氧化?？轨o電添加劑用于許多包裝品級(jí)以減少瓶子或包裝物對(duì)灰塵和污物的粘附。特定的用途需要特殊的添加劑配方，例如與電線、電纜用途相關(guān)的銅抑制劑。優(yōu)良的耐氣候性和抗紫外線（或日光）可通過(guò)添加抗UV添加劑。沒(méi)有添加抗紫外線或炭黑的 PE，建議不要持續(xù)在戶外使用。高等級(jí)的炭黑顏料提供了優(yōu)良的抗UV性并可經(jīng)常在戶外應(yīng)用，如電線、電纜、槽池村層或管子。


【加工方法】
PE可用很寬的不同加工法制造。以乙烯為主要原料，丙烯、1-丁烯、己烯為共聚體，在催化劑的作用下，采用淤漿聚合或氣相聚合工藝，所得到的聚合物經(jīng)閃蒸、分離、干燥、造粒等工序，獲得顆粒均勻的成品。包括諸如片材擠塑、薄膜擠出、管材或型材擠塑，吹塑、注塑和滾塑。

▲擠塑：用于擠塑生產(chǎn)的品級(jí)一般具有小于1的熔體指數(shù)和中寬到寬的MWD。在加工過(guò)程中，低的MI可獲得適宜的熔體強(qiáng)度。更寬MWD品級(jí)更適于擠塑，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩纳a(chǎn)速度，較低的模口壓力而且熔體斷裂趨勢(shì)減少。

PE有許多擠塑用途，如電線、電纜、軟管、管材和型材。管材應(yīng)用范圍從用于天然氣小截面黃管到48in直徑用于工業(yè)和城市管道的厚壁黑管。大直徑中空壁管用作混凝土制成的雨水排水管和其它下水道管線的替代物增長(zhǎng)迅速。

板材和熱成型：許多大型野餐型冷藏箱的熱成型襯里是由PE制成的，具有韌性、重量輕和耐用性。其它片材和熱成型產(chǎn)品包括擋泥板、槽罐襯里、盤盆防護(hù)罩、運(yùn)輸箱和罐。一種大量的增長(zhǎng)迅速的片材應(yīng)用是地膜或池底村里，這是基于MDPE具有韌性、耐化學(xué)性和不滲透性。

▲吹塑：在美國(guó)銷售的 HDPE1／3以上用于吹塑用途。這些范圍從裝漂白劑、機(jī)油、洗滌劑、牛奶和蒸餾水的瓶子到大型冰箱、汽車燃料箱和筒罐。吹塑品級(jí)的特性指標(biāo)，如熔體強(qiáng)度、ES－CR和韌性，與用于片材和熱成型應(yīng)用級(jí)相似，故相似品級(jí)可以采用。

注射-吹塑通常用于制造更小的容器（小于16oz），用于包裝藥品、洗發(fā)液和化妝品。這種加工過(guò)程的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)瓶子自動(dòng)去邊角，不需象一般吹塑加工那樣的后期修整步驟。盡管有某些窄MWD品級(jí)用于改進(jìn)表面光潔度，一般使用中寬到寬MWD品級(jí)。

▲注塑：HDPE有數(shù)不清的應(yīng)用，范圍從可重復(fù)使用的薄壁飲料杯到5－gsl罐，消費(fèi)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的HDPE的1／5。注塑品級(jí)一般熔體指數(shù)5～10，有具有韌性較低流動(dòng)性品級(jí)和具有可加工性的較高流動(dòng)性品級(jí)。用途包括日用品和食品薄壁包裝物；有韌性、耐用的食品和涂料罐；高抗環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂應(yīng)用，如小型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料箱和90－gal垃圾罐。

▲滾塑：采用這種加工法的材料一般被粉碎成粉末料，使其在熱循環(huán)中熔融并流動(dòng)。滾塑使用兩類PE：通用和可交聯(lián)類。通用級(jí)MDPE／HDPE通常的密度范圍從 0．935到 0．945g／CC，具有窄MWD，使產(chǎn)品具有高沖擊性和最小的翹曲，其熔體指數(shù)范圍一般為3—8。更高M(jìn)I品級(jí)通常不適用，因?yàn)樗鼈儾痪邆錆L塑制品希望的沖擊性和抗環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性。

高性能滾塑應(yīng)用系利用其化學(xué)可交聯(lián)品級(jí)的獨(dú)特性能。這些品級(jí)在模塑周期的第一段，流動(dòng)性好，而后交聯(lián)以形成其卓越的抗環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性、韌性。耐磨性和耐氣候性?？山宦?lián)PE唯一適用于大型容器，范圍從500－gal運(yùn)輸各種化學(xué)品儲(chǔ)罐到20，000－gal農(nóng)用儲(chǔ)箱。

▲薄膜：PE薄膜加工一般用普通吹膜加工或平擠加工法。大多數(shù)PE用于薄膜，通用低密度PE（LDPE）或線性低密PE（LLDPE）都可用。HDPE薄膜級(jí)一般用于要求優(yōu)越的拉伸性和極好的防滲性的地方。例如，HDPE膜常用于商品袋、雜貨袋和食物包裝。

【產(chǎn)品性能】
高密度聚乙烯為無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)臭的白色顆粒，熔點(diǎn)約為130℃，相對(duì)密度為0.941~0.960。它具有良好的耐熱性和耐寒性，化學(xué)穩(wěn)定性好，還具有較高的剛性和韌性，機(jī)械強(qiáng)度好。介電性能，耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性亦較好。

【包裝與儲(chǔ)運(yùn)】
貯存時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離火源，隔熱，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)應(yīng)保持干燥、整潔，嚴(yán)禁混入任何雜質(zhì)，嚴(yán)禁日曬、雨淋。運(yùn)輸應(yīng)貯放在清潔、干燥有頂棚的車廂或船艙內(nèi)，不得有鐵釘?shù)燃怃J物。嚴(yán)禁與易燃的芳香烴、鹵代烴等有機(jī)溶劑混運(yùn)。

【回收利用】
HDPE是塑料回收市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的一部分。這主要因?yàn)槠湟自偌庸?，有最小限度的降解特性和其在包裝用途的大量應(yīng)用。主要的回收利用是將 25％的回收材料，例如后消費(fèi)回收物（PCR），與純HDPE經(jīng)再加工后用于制造不與食物接觸的瓶子。