Kā HDPE un LDPE sveķu molekulārā struktūra ietekmē plēves īpašības pūšanas iekārtās?

Ieejiet jebkurā plastmasas laboratorijā un pajautājiet tehniķim, kāpēc HDPE plēve tik ļoti atšķiras no LDPE plēves, un viņi, iespējams, sāks runāt par sazarošanos. No pirmā acu uzmetiena tā nav pati intuitīvākā koncepcija, taču, tiklīdz jūs saprotat, kā katra polimēra molekulārā arhitektūra nosaka tā fizisko uzvedību - ekstruderī, pie presformas, caur dzesēšanas zonu, un gatavajā filmā - atšķirības starp HDPE un LDPE pārstāj būt patvaļīgas un sāk iegūt pilnīgu loģisku jēgu.

Šajā rakstā ir apskatīta abu sveķu molekulārā struktūra, paskaidrots, kā šīs struktūras darbojas laikāizpūsta plēveapstrādi un savieno tās ar praktiskajām filmas īpašībām, kurām ir nozīme reālajā pasaulē.

Molekulārais fonds: sazarojums ir viss

Gan HDPE, gan LDPE ir polietilēns -, tie abi ir izgatavoti no viena un tā paša etilēna monomēra (CH₂=CH₂), kas polimerizēts garās oglekļa ķēdēs. Būtiskā atšķirība ir tajā, kā šīs ķēdes ir strukturētas.

LDPE (zema-blīvuma polietilēns) tiek ražots ar augsta-spiediena-radikālpolimerizāciju. Šis process ne pārāk labi kontrolē molekulas. Augošās polimēru ķēdes dažkārt salokās atpakaļ. Vai arī viņi nodod radikāļus tuvējām ķēdēm. Tas rada daudzas filiāles. LDPE ir gan gari-ķēdes zari, kas izceļas no galvenās ķēdes, gan daudzi īsi{9}}ķēdes zari. Tātad galīgā struktūra ir ļoti nevienmērīga un sapinusies.

HDPE (augsta-blīvuma polietilēns) tiek ražots zema-spiediena koordinācijas polimerizācijā. Tam tiek izmantoti Ziegler-Natta vai metallocēna katalizatori. Šīs katalizatoru sistēmas daudz labāk kontrolē ķēdes augšanu. Tātad polimēru ķēdes lielākoties ir taisnas līnijas ar ļoti maz zaru. Tā kā zaru gandrīz nav, HDPE ķēdes var cieši salikt kopā sakārtotā veidā.

Šī vienīgā strukturālā atšķirība - sazarotā un lineārā - nosaka gandrīz visas īpašību atšķirības starp diviem polimēriem.

Kristālisms: sazarojuma tiešās sekas

Kristālisms ir vissvarīgākā īpašība, kas izriet no molekulārās struktūras, un tā ir pamatā visām pārējām atšķirībām starp HDPE un LDPE.

HDPE lineārās ķēdes var novietot blakus ļoti sakārtotos kristāliskajos reģionos, ko sauc par lamelām. Tā kā ir maz zaru, kas pārtrauc šo blīvējumu, HDPE sasniedz 70–90% kristāliskuma līmeni. Atlikušie 10–30% ir amorfs (nesakārtots) materiāls kristālisko reģionu saskarnēs.

LDPE zari fiziski neļauj ķēdēm cieši pieslēgties. Katrs atzarojuma punkts izspiež apkārtējos ķēdes segmentus no saskaņošanas ar blakus esošajām ķēdēm. Rezultāts ir daudz zemāks kristāliskums -, parasti 40–55% - ar daudz lielāku amorfo frakciju.

Kristālisms tieši pārvēršas blīvumā, ko burtiski raksturo nosaukumi:

HDPE: blīvums 0,940–0,970 g/cm³

LDPE: blīvums 0,910–0,935 g/cm³

Bet blīvums patiesībā ir tikai dziļākas strukturālās realitātes aizstājējs - tā ir kristāliskuma atšķirība, kas nosaka plēves īpašības, nevis pats blīvuma skaitlis.

Kā kristāliskums ietekmē filmas īpašības

Stingrība un stiepes izturība

Kristāliskie apgabali darbojas kā fiziskas šķērssaites polimēra matricā - tie iztur deformāciju, notur materiālu kopā zem sprieguma un pārraida slodzi. Augstāka kristāliskums nozīmē vairāk šo šķērssaites ekvivalentu tilpuma vienībā.

HDPE plēve ir ievērojami stingrāka un stiprāka nekā LDPE plēve ar līdzvērtīgu biezumu. HDPE plēvēm parasti ir:

HDPE plēvei ir trīs līdz piecas reizes lielāka stiepes izturība nekā līdzīgām LDPE plēvēm. Tam ir arī daudz augstāks modulis. Tas nozīmē, ka tas labāk iztur stiepšanos. Tas labāk saglabā savas mehāniskās īpašības arī augstā temperatūrā. Tas ilgst līdz kušanas temperatūrai tuvu 130 grādiem.

LDPE plēve ir atšķirīga. Tam ir zemāka kristāliskums un liela amorfā daļa. Tātad tas ir daudz mīkstāks un elastīgāks. Amorfās zonas ir gumijas virs stikla pārejas temperatūras. Polietilēnam šī temperatūra ir krietni zemāka par istabas temperatūru. Tas nodrošina LDPE mīkstu un lokāmu sajūtu.

Tāpēc HDPE ir izvēlēts darbiem, kuriem nepieciešams spēks. Instrumenti ietver pārtikas preču somas, kurās var ievietot smagus priekšmetus, rūpnieciskās oderes un lauksaimniecības mulčas plēvi. LDPE galvenokārt tiek izmantots darbos, kur elastība un elastība ir vissvarīgākā. Piemēram, pārtikas plēve, elastīga plēve un saspiežams iepakojums.

Optiskās īpašības: migla un skaidrība

Šeit attiecības starp molekulāro struktūru un filmas izskatu kļūst īpaši tiešas.

Kristāliskiem un amorfajiem reģioniem ir nedaudz atšķirīgi refrakcijas rādītāji. Kad gaisma iziet cauri plēvei, tā izkliedējas pie robežām starp šiem reģioniem. Kristālisko domēnu lielums attiecībā pret gaismas viļņa garumu nosaka, cik liela ir izkliede un līdz ar to, cik miglaina vai skaidra filma izskatās.

HDPE plēve pēc savas būtības ir necaurspīdīga vai ļoti miglaina. Augstā kristāliskums rada daudzus lielus kristāliskus domēnus, kas plaši izkliedē gaismu. Apstrādes laikā jūs varat ļoti maz darīt, lai HDPE plēve būtu optiski dzidra - polimēra struktūra padara caurspīdīgumu būtībā neiespējamu standarta pūšanas plēvē.

LDPE plēve ir ievērojami caurspīdīgāka. Zemāka kristāliskums nozīmē mazākas izkliedes robežas, un amorfie apgabali ļauj gaismai iziet cauri ar mazākiem traucējumiem. Labi-apstrādāta LDPE pūšanas plēve var nodrošināt labu skaidrību, kas piemērota pārtikas iepakošanai, vitrīnas maisiņiem un citiem lietojumiem, kur ir svarīga produkta redzamība.

Šī būtiskā optiskā atšķirība izskaidro, kāpēc HDPE nekad netiek izmantots caurspīdīgam iepakojumam un kāpēc LDPE dominē skaidrības{0}jutīgos lietojumos.

Barjeras īpašības

Polietilēna kristāliskie apgabali būtībā ir necaurlaidīgi pret gāzes un mitruma molekulām - sakārtotais iepakojums neatstāj vietu difūzijas ceļiem. Amorfie reģioni, kas ir nesakārtoti, nodrošina ceļus, caur kuriem izplūst gāzes un mitrums.

HDPE plēvei ir ievērojami labākas barjeras īpašības nekā LDPE plēvei tās augstākas kristāliskuma dēļ. Līkumainība - līkumainības ceļš, kas izkliedējošajai molekulai jāpārvietojas cauri kristāliskajiem šķēršļiem - ir daudz lielāka HDPE. Tas izpaužas kā:

Zemāks ūdens tvaiku caurlaidības ātrums (WVTR)

HDPE ir labāka skābekļa barjera. Taču neviens no polietilēna veidiem netiek uzskatīts par augstu{1}}barjeru, salīdzinot tos ar citiem materiāliem.

HDPE arī labāk iztur organiskos šķīdinātājus.

LDPE plēvei ir liela amorfā daļa. Tas nozīmē, ka tai ir vairāk atvērtu ceļu gāzēm, caur kurām var iziet cauri. Tāpēc tam ir augstāka gāzes un mitruma caurlaidība.

Iepakojuma lietojumiem, kur barjeras veiktspējai ir nozīme, HDPE molekulārā struktūra sniedz reālas funkcionālas priekšrocības salīdzinājumā ar LDPE. Šie lietojumi ietver produktu maisiņus, pārtikas uzglabāšanu un rūpniecisko ķīmisko iepakojumu.

Apstrādes darbība izpūstas plēves mašīnā

Strukturālās atšķirības starp HDPE un LDPE izpaužas ne tikai gatavās plēves īpašībās. Tie parādās arī tajā, kā katra plastmasa uzvedas apstrādes laikā. Un tas rada lielas atšķirības attiecībā uz to, kas jādara izpūstas plēves iekārtai.

Kušanas viskozitāte un plūsmas uzvedība

LDPE garajiem{0}}ķēdes atzariem ir liela ietekme uz kausējuma reoloģiju. Garie zari fiziski sapinās ar zariem blakus esošajās ķēdēs, veidojot tīklu, kura atšķetināšanai plūsmas laikā ir nepieciešama ievērojama enerģija. Tas dod LDPE kausējumu:

Augsta kušanas izturība - izkausētais polimērs ir izturīgs pret pagarinājuma deformāciju, kas nozīmē, ka burbulis virs presformas ir stabils un pašnesošs-

Bīdes-retināšanas uzvedība, ko spēcīgi ietekmē LCB tīkls - LDPE bīdes ietekmē ievērojami atšķaida, padarot to viegli izspiešanu pie saprātīga spiediena

Viskoelastīgā atmiņa - kausējums "atceras" deformāciju un daļēji atjaunojas, veicinot ekstrudāta pietūkumu presformas izejā

HDPE lineārajām ķēdēm ir mazāk sapīšanās vietu uz tilpuma vienību (jo nav garu{0}}ķēdes atzaru, lai izveidotu papildu sapīšanās punktus). Tā rezultātā rodas:

Zemāka kušanas stiprība salīdzinājumā ar LDPE - HDPE burbuļi ir mazāk pašizturīgi-

Augstāka kausējuma viskozitāte pie zemiem bīdes ātrumiem, bet mazāk dramatiska bīdes{0}}atšķaidīšana

Šaurāks apstrādes logs burbuļu stabilitātei

Kušanas un kristalizācijas uzvedība

HDPE asā, ļoti sakārtotā kristāliskā struktūra nozīmē, ka tai ir asāka kušanas pāreja nekā LDPE. HDPE kūst salīdzinoši šaurā temperatūras diapazonā (parasti 125–135 grādi kristāliskajai fāzei), savukārt LDPE kūst pakāpeniskāk plašākā diapazonā.

Tas ietekmē:

Kā skrūve izkausē sveķus - HDPE prasa lielāku enerģijas patēriņu īsākā skrūves garumā, lai panāktu pilnīgu kušanu; LDPE kūst progresīvāk

Burbulim atdziestot, sasaluma līnijas augstums - HDPE ātri izkristalizējas, veidojot skaidri noteiktu, skaidri redzamu sala līniju; LDPE ir mazāk izteikta sasaluma līnija tā pakāpeniskākas sacietēšanas dēļ

Arī kristalizācijas ātrums ir atšķirīgs. HDPE kristalizējas ātrāk nekā LDPE, jo tā lineārās ķēdes var ātrāk organizēties lamelās, kad temperatūra nokrītas zem kristalizācijas punkta. Šī straujā kristalizācija bloķē orientāciju no biaksiālās stiepšanās burbulī -, kas ir svarīgs faktors HDPE mehānisko īpašību attīstībā.

Burbuļa stabilitāte un darbības parametri

Šīs reoloģiskās atšķirības tieši izpaužas kā pūšamās plēves mašīnas konfigurācija:

LDPE iekārtas gūst labumu no LDPE augstās kušanas stiprības - burbulis ir pēc savas būtības stabils, iztur procesa svārstības un var tikt darbināts ar salīdzinoši lielu uzpūšanas koeficientu (no 3:1 līdz 4:1 vai lielāku) bez sabrukšanas. Tas ir viens no iemesliem, kāpēc LDPE bija sākotnējais dominējošais pūšamās plēves polimērs.

HDPE mašīnām ir jākompensē HDPE zemākā kausējuma stiprība ar:

Zemākas uzpūšanas-attiecības - parasti no 3:1 līdz 4:1, taču nepieciešama stingrāka kontrole

Burbuļu sprostu vadotnes - fiziskas vadotnes, kas neļauj plānākajām-sienu HDPE burbulim nokarāties vai plīvot

Lielāks dzesēšanas gaisa daudzums -, lai ātri sacietētu HDPE plēvi virs sala līnijas, nofiksējot burbuļa formu, pirms tā var destabilizēties

Augstākiem dzesēšanas torņiem - HDPE ir nepieciešams lielāks vertikālais attālums, lai burbulis pilnībā sacietētu

Filmas orientācijas efekti

Kad izpūstais plēves burbulis tiek piepūsts (pūšanas-uz augšu) un velk uz augšu (vilkšanas-uz leju attiecība), plēve ir biaksiāli orientēta -, kas izstiepta gan mašīnas virzienā, gan šķērsvirzienā. Polimēru ķēdes daļēji izlīdzinās šajos virzienos, plēvei sacietējot.

HDPE šī orientācija tiek efektīvi bloķēta ātras kristalizācijas dēļ. Orientētās ķēdes sasalst kristāliskajā struktūrā, un plēve saglabā nozīmīgu biaksiālo orientāciju. Šī orientācija ir galvenais HDPE augstais stiepes izturības un stingrības veicinātājs attiecībā pret tā plēves biezumu.

LDPE orientācija ir daļēji saglabāta, bet arī daļēji atvieglota, jo sazarotajām ķēdēm ir lielāka brīvība pārvietoties, pirms pakāpeniski veidojošā kristāliskā struktūra tās nofiksē. LDPE plēve saglabā zināmu orientāciju, bet mazāk nekā HDPE līdzvērtīgos apstrādes apstākļos.

Praktisks filmas īpašību salīdzinājums

LLDPE: Strukturālais vidusceļš

Diskusijas par HDPE un LDPE nebūtu pilnīgas, ja tiktu atzīts LLDPE (Lineārais zema blīvuma polietilēns), kas ieņem strukturāli starpposmu.

LLDPE tiek ražots, izmantojot koordinācijas katalizatorus (līdzīgus HDPE), taču ķēdē ir iekļauti komonomēri (heksēns, oktēns vai butēns), veidojot tikai īsus -ķēdes zarus - bez gariem{2}}ķēdes zariem. Tā rezultātā rodas:

Blīvums LDPE diapazonā (0,915–0,940 g/cm³) kristāliskuma traucējumu dēļ no zariem

Nav garu -ķēdes zaru -, tāpēc LLDPE trūkst LDPE raksturīgās augstās kušanas izturības un burbuļu stabilitātes

Labāka caurduršanas un plīsuma noturība nekā HDPE vai LDPE - īsie zari veido īpašu sasaistes-molekulu arhitektūru starp kristāliskām lamelēm, kas iztur plaisu izplatīšanos

Apstrādes izaicinājumi - LLDPE zemā kušanas izturība prasa līdzīgas burbuļu pārvaldības stratēģijas kā HDPE

LLDPE lielā mērā ir aizstājis LDPE daudzos pūšamo plēvju lietojumos tieši tāpēc, ka tā izturība pret caurduršanu un plīsumiem, kas izriet no tās unikālās -ķēdes-sazarotās mikrostruktūras, nodrošina labāku plēves veiktspēju uz materiāla vienību.

Bieži uzdotie jautājumi

J: Kāpēc HDPE plēve nav{0}}caurredzama, kamēr LDPE plēve ir diezgan skaidra?
A: HDPE ir daudz kristāliskuma. Tādējādi tiek izveidoti lieli, labi{1}}organizēti kristāla laukumi, kas izkliedē gaismu. Tāpēc filma izskatās miglaina vai{3}}necaurredzama. LDPE ir mazāka kristāliskums un mazāki kristāla laukumi. Tie izkliedē mazāk gaismas, tāpēc filma izskatās skaidrāka. Tas ir tiešs ķēdes atzarošanas rezultāts. LDPE zari neļauj ķēdēm cieši saspiesties, tāpēc nevar veidoties lielas kristāla struktūras.

J: Kāpēc HDPE plēve šķiet stingrāka un rada burkšķošu skaņu, kad to apstrādājat, savukārt LDPE plēve šķiet maiga un klusa?
A: Stīvums nāk no kristāliskuma. HDPE augstā kristāliskums veido stingru struktūru, kas iztur lieces. Tas arī skaļi saburzās, kad to saliecat. LDPE ir liela amorfā daļa. Tas padara plēvi mīkstu un elastīgu. Gumijotās amorfās zonas kontrolē plēves sajūtu istabas temperatūrā.

J: Vai varat sajaukt HDPE un LDPE, lai iegūtu īpašības starp tām?
A: Jā, to sajaukšana ir izplatīta. HDPE/LDPE maisījumus var pielāgot, lai iegūtu vidēju stingrību, skaidrību un barjeras īpašības. Bet šīs divas plastmasas molekulārā līmenī nesajaucas ideāli. Tātad maisījuma īpašības nav tikai vidējais no abiem. Maisījuma veidošanās kontrolei sajaukšanas un apstrādes laikā ir liela ietekme uz gala rezultātu.

J: Kāpēc HDPE ir nepieciešama augstāka sasilšanas{0}}blīvēšanas temperatūra nekā LDPE?
A: Siltuma blīvēšana darbojas, izkausējot plēves virsmu, lai tā saplūst kopā. HDPE kristāla daļas kūst augstākā temperatūrā, aptuveni 125–135 grādi. LDPE kristāla daļas kūst aptuveni 100–115 grādu temperatūrā. Tātad HDPE ir nepieciešams vairāk siltuma, lai izveidotu blīvējumu. Tas ietekmē iepakošanas līniju ātrumu un blīvēšanas kvalitāti veidlapu{8}}aizpildīšanas-plombēšanas mašīnās.

J: Kā molekulmasa ietekmē izpūstas plēves apstrādi abām plastmasām?
A: Lielāka molekulmasa palielina kausējuma izturību un biezumu gan HDPE, gan LDPE. Tas parasti palīdz saglabāt burbuli stabilāku. Bet tam ir nepieciešams arī augstāks ekstrūzijas spiediens un temperatūra. Plēves klases sveķi parasti tiek izgatavoti ar molekulmasu, kas līdzsvaro to apstrādes vieglumu ar mehāniskajām īpašībām, kas nepieciešamas gala plēvei. HDPE plēvēm parasti ir plašāks molekulmasas sadalījums. Tas palīdz kompensēt HDPE dabiski zemāko kušanas spēku.

J: Vai HDPE vai LDPE ir vieglāk pārstrādāt?
A: Abus var pārstrādāt savās plūsmās. HDPE ir sveķu kods #2. LDPE ir sveķu kods #4. Tie nav savietojami vienā pārstrādes plūsmā. To dažādie kušanas punkti un biezums padara to sajaukšanu pārstrādes laikā par problēmu. Praksē daudzos tirgos HDPE ir vairāk attīstīta pārstrādes sistēma. Tas ir saistīts ar lielo cieto HDPE konteineru skaitu. LDPE plēves pārstrāde pieaug, jo vairāk pārstrādes programmu sāk pieņemt elastīgu plēvi.

Secinājums

Atšķirība starp HDPE un LDPE galu galā ir stāsts par sazarošanos - un to, kā strukturāla iezīme nanometru mērogā izplatās caur kristāliskumu, kausējuma reoloģiju un plēves īpašībām līdz pat gatavā produkta novērojamajām, komerciālajām īpašībām.

HDPE lineārās ķēdes tiek iesaiņotas blīvās, ļoti kristāliskās struktūrās, kas nodrošina stingrību, izturību un barjeras veiktspēju uz optiskās skaidrības un kausējuma stiprības rēķina apstrādes laikā. LDPE sazarotā arhitektūra izjauc kristālisko iesaiņojumu, veidojot mīkstāku, skaidrāku, vieglāk apstrādājamu plēvi ar zemāku barjeras veiktspēju un mehānisko izturību.

Neviens no tiem nav vispārēji pārāks. Tie kalpo dažādiem lietojumiem, jo ​​to molekulārā arhitektūra atbilst dažādām funkcionālajām prasībām. Izpratne par savienojumu - no molekulārās struktūras uz apstrādes uzvedību un pabeigtu filmas veiktspēju - ir tas, kas atšķir procesoru, kurš sistemātiski novērš problēmas, no tā, kurš pielāgo parametrus, izmantojot izmēģinājumus un kļūdas.