Общие сведения о полиэтилене. Часть 2.

Майк Сепе
03.03.2020 878

Свойства полиэтилена можно корректировать путем изменения его молекулярной массы или плотности. Это расширяет возможные комбинации свойств, но и требует, чтобы спецификация материала была крайне точной.

Молекулярная масса и плотность обеспечивают широкий диапазон характеристик материалов в семействе полиэтиленов. Молекулярная масса — важная характеристика. Для всех полимеров установлена взаимосвязь между высокой молекулярной массой и улучшенными характеристиками.

Краткосрочным свойством, которое обеспечивает наилучшую корреляцию с молекулярной массой, является пластичность, часто называемая в просторечии вязкостью. Чем выше значение средней молекулярной массы полимера, тем более ударопрочным он будет. Может быть сложно подтвердить эту взаимосвязь только на основе технических характеристик, поскольку ударная вязкость чаще всего измеряется только при комнатной температуре и фиксированной скорости с использованием образца с надрезом. Такие факторы, как производственные условия и расположение литника в форме при изготовлении испытательных образцов, также могут влиять на результаты даже такого строго определенного набора испытаний.

Повторяющееся звено полиэтилена

Показана структура повторяющегося звена, которое составляет цепочку полиэтилена. Молекулярная масса этих структурных элементов составляет 28 г/моль.

Однако более широкий подход к оценке пластичности, который включает измерение относительного удлинения при разрыве в испытаниях на растяжение и определение свойства, известного как температура перехода пластичности в хрупкость, может продемонстрировать взаимосвязь между средней молекулярной массой и пластичностью. Тщательное изучение взаимосвязи между молекулярной массой и эксплуатационными характеристиками показывает, что с увеличением молекулярной массы расширяется спектр свойств. К их числу относятся усталостная прочность и стойкость к растрескиванию под воздействием окружающей среды.

В целом, молекулярная масса зависит от длины полимерных цепей, из которых состоит материал. Более длинные цепи содержат больше структурных звеньев. На рисунке представлена структура повторяющихся звеньев, из которых состоит цепь полиэтилена. Молекулярная масса этих структурных элементов составляет 28 г/моль. Чтобы материал проявлял свойства, характерные для полимеров, длина цепи должна достигать 550-700 повторяющихся звеньев. Это значение “n” на рисунке и обеспечивает молекулярную массу 15 000 — 20 000 г/моль.

Это минимальное требование; а если необходимо улучшить характеристики, цепи должны быть длиннее. Самой перспективной разновидностью полиэтилена является класс материалов под названием сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Чтобы классифицировать материал как СВМПЭ, его средняя молекулярная масса должна достигать минимум 3 млн г/моль, для чего требуется более 100 000 повторяющихся этиленовых звеньев в каждой цепи.

СВМПЭ по своим свойствам превосходит низкомолекулярные разновидности полиэтилена. К сожалению, с увеличением молекулярной массы повышается и вязкость расплава. Вязкость расплава СВМПЭ настолько высокая, что возможности обработки ограничиваются плунжерной экструзией очень толстых заготовок и механической обработкой. Что касается литья под давлением, обычного экструдирования и выдувного формования, материалы такого класса имеют среднюю молекулярную массу порядка 1-2 млн.

С увеличением молекулярной массы повышается и вязкость расплава.

Поставщики предлагают широкий ассортимент материалов с учетом специфики различных рынков. Низкомолекулярные материалы применяются для наполнения тонкостенных продуктов с коротким сроком службы. Как мы увидим впоследствии, все коммерческие полимеры состоят из комбинаций цепочек разной длины; поэтому глубокое понимание того, как создается определенный вид материала, включает измерение молекулярно-массового распределения. Однако выполнение этих измерений иногда требует больших затрат времени и средств, а также наличия сложной аппаратуры. Поэтому в промышленности зачастую полагаются на такое свойство, как показатель текучести расплава. Это простое испытание, выполняемое при заданных условиях, которые обеспечивают скорость потока.

Считается, что эта скорость потока связана со средней молекулярной массой материала. Высокий показатель текучести расплава соответствует низкой средней молекулярной массе, и наоборот. СВМПЭ при таком испытании не течет вообще. Но для большинства коммерческих полиэтиленов можно измерить показатель текучести расплава, который указывают в паспорте материала.

Большинство полиэтиленов испытывают при температуре 190 C (374 F) и постоянной нагрузке 2,16 кг (4,76 фунта). Испытанные при таких условиях высокотекучие материалы для тонкостенных изделий, изготавливаемых литьем под давлением, могут иметь показатель текучести расплава до 200 г/10 мин. Материалы для формованных с раздувом бутылок, которые должны обладать оптимальной ударопрочностью, будут иметь показатель текучести расплава менее 1 г/10 мин и часто называются фракционно-расплавленными материалами. Материалы с высокой молекулярной массой, но не подпадающие под категорию СВМПЭ, не обладают достаточной текучестью в этих условиях, поэтому для их испытания используют другие условия, предполагающие ту же температуру, но 10-кратную нагрузку — 21,6 кг (47,6 фунтов).

Более высокая нагрузка позволяет измерить показатель текучести расплава высокомолекулярных материалов. В данном методе испытания определяется показатель текучести расплава при повышенной нагрузке (HLMI); важно учитывать, какое именно значение указано в паспорте материала. Много лет назад один из моих коллег столкнулся с проблемой при обработке материала, когда поставщик доставил ему материал с HLMI 18 г/10 мин вместо стандартного показателя текучести расплава 18 г/10 мин, который он заказывал. Данный материал использовался для изготовления относительно большой канистры. Он с трудом протекал через втулку центрального литника.

Что касается всех остальных полимеров, молекулярная масса — это то свойство, которое мы регулируем, чтобы найти оптимальное соотношение между характеристиками материала и его обрабатываемостью. Пластичность можно улучшить путем добавления модификаторов ударопрочности. Однако эти добавки ухудшают другие эксплуатационные характеристики, такие как прочность и модуль упругости, а также связанные с ними длительно сохраняемые свойства, например, усталостную прочность. Молекулярная масса — это единственное свойство, способное повлиять на ударопрочность без ущерба для других характеристик.

Однако для полиэтиленов есть еще одно средство, позволяющее нам обеспечить оптимальное соотношение свойств без изменения состава: плотность. Плотность зависит от формы полимерных цепей, а не от их длины. Полиэтилен высокой плотности состоит из относительно линейных цепей с небольшим количеством ответвлений. Эти цепи могут располагаться близко друг к другу, что обеспечивает более высокие силы притяжения между ними и позволяет получить более высокую прочность, жесткость и термостойкость материала. Полиэтилены низкой плотности содержат большее количество ответвлений. В зависимости от способа изготовления материала эти ответвления могут быть относительно длинными или короткими. Производители полиэтиленов строго контролируют эти параметры, используя разные катализаторы, которые мы упоминали в предыдущей статье.

Однако в промышленности существует определенная путаница относительно того, как связаны молекулярная масса и плотность. Молекулярная масса говорит о размере отдельных полимерных цепей, а плотность — о расстоянии между ними. Следовательно, эти два свойства могут изменяться независимо друг от друга. Несколько лет назад я присутствовал на конференции, где выступающий рассказывал о полиэтиленах и сообщил, что высокомолекулярные полиэтилены имеют высокую плотность, а низкомолекулярные — низкую плотность.

Для полиэтиленов есть еще одно средство, позволяющее нам обеспечить оптимальное соотношение свойств без изменения состава: плотность.

К сожалению, это неверно. Два материала разных марок могут иметь одинаковую среднюю молекулярную массу и разные плотности, как и материалы разных марок с одинаковой плотностью могут иметь разные значения средней молекулярной массы. Это значит, что свойства полиэтиленов можно корректировать путем изменения либо молекулярной массы, либо плотности. Это расширяет возможные комбинации свойств, но и требует, чтобы спецификация материала была крайне точной.

В следующей статье мы рассмотрим роль плотности и приведем некоторые примеры проблем, связанных с ней.

Об авторе: Майк Сепе — независимый консультант по вопросам материаловедения и обработки материалов; его компания Michael P. Sepe, LLC, базируется в Седоне, штат Аризона. За его плечами больше 40 лет опыта работы в индустрии пластмасс и помощи клиентам с выбором материалов, планированием производства, оптимизацией процессов, устранением неисправностей и анализом отказов. Контакты: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com.

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Решения ваших производственных задач на Rosmould | Rosplast 2022
Решения ваших производственных задач на Rosmould | Rosplast 2022
Напоминаем, что с 7 по 9 июня 2022 года в МВЦ «Крокус Экспо» пройдут ключевые…
18.04.2022
285
Удобрения с медленным высвобождением благодаря биоразлагаемому покрытию
Удобрения с медленным высвобождением благодаря биоразлагаемому покрытию
В недавнем исследовании были разработаны биоразлагаемые смеси альгината натрия и лигнина (SA–L) с различным соотношением…
06.11.2022
170
Термореактивные смолы для космических композитов
Термореактивные смолы для космических композитов
Космическая промышленность находится в поиске химических соединений для производства конкурентоспособных термореактивных смол.
Стюарт Митчелл
02.03.2023
286
14-я международная специализированная выставка «ПОЛИУРЕТАНЭКС»
14-я международная специализированная выставка «ПОЛИУРЕТАНЭКС»
С 28 по 30 марта 2023 года Выставочная Компания «Мир-Экспо» проводит 14-ю международную специализированную выставку…
01.11.2022
288
Rosmould & 3D-TECH | Rosplast 2023
Rosmould & 3D-TECH | Rosplast 2023
6-8 июня 2023 года в Москве, в МВЦ «Крокус Экспо» пройдут ведущие отраслевые выставки: Rosmould…
07.06.2023
164
Новые видеоинтервью с экспертами индустрии пресс-форм и штампов и переработчиками пластмасс
Новые видеоинтервью с экспертами индустрии пресс-форм и штампов и переработчиками пластмасс
Собственные Youtube каналы, где регулярно публикуются интервью с ключевыми участниками и экспертами индустрии пресс-форм и…
24.10.2022
129
Производство высокофункциональных полимеров
Производство высокофункциональных полимеров
Ускорение разработки высокофункциональных полимеров для электронных материалов
15.06.2023
330
Новое многофункциональное покрытие из углеродного и арамидного волокна
Новое многофункциональное покрытие из углеродного и арамидного волокна
Компания Specialty materials производит полимер поли(катехол-стирол), который эффективно связывается со многими материалами, обеспечивая повышенную адгезию…
18.11.2022
213
Преимущества УФ-отверждаемых покрытий для пластмасс
Преимущества УФ-отверждаемых покрытий для пластмасс
Пластмассы все больше используются в нашей повседневной жизни.
Пол Геверт
12.08.2020
364