Общие сведения о полиэтилене. Часть 2.

Майк Сепе
03.03.2020 728

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

Открылась онлайн-регистрация на ведущие отраслевые выставки Rosmould & 3D-TECH| Rosplast2023
Открылась онлайн-регистрация на ведущие отраслевые выставки Rosmould & 3D-TECH| Rosplast2023
Спешим сообщить об открытии онлайн-регистрации на Международные промышленные выставки Rosmould & 3D-TECH и Rosplast, которые…
19.01.2023
10
Химия 2022 — новости третьего дня выставки
Химия 2022 — новости третьего дня выставки
Новости 3-ого дня выставки «Химия-2022», которая проходит с 31 октября по 3 ноября в Экспоцентре…
09.11.2022
75
Выставки Rosmould и Rosplast состоятся в начале июня 2022 года
Выставки Rosmould и Rosplast состоятся в начале июня 2022 года
Международные выставки Rosmould и Rosplast пройдут с 7 по 9 июня 2022 года в двух…
03.03.2022
452
«Низкоуглеродистые» вторичные полимеры, предназначенные для повышения энергоэффективности пластмасс
«Низкоуглеродистые» вторичные полимеры, предназначенные для повышения энергоэффективности пластмасс
Компания Total Energies запустила RE: clic, новую линейку низкоуглеродистых вторичных полимеров, что направлено на сокращение…
08.11.2022
29
Оптимизация процесса окраски пластмассовых деталей
Оптимизация процесса окраски пластмассовых деталей
Объемы пластмассовых деталей, на которые наносят покрытия, неуклонно растут, а их разнообразие почти безгранично. Также…
Дорис Шульц
26.10.2020
161
<strong>Все, что вы хотели знать об охлаждении в процессе экструзии</strong>
Все, что вы хотели знать об охлаждении в процессе экструзии
После того как пластик нагреется достаточно, чтобы выйти из матрицы, тепло необходимо отводить, при этом…
Аллан Грифф
24.01.2023
14
Поверхностные свойства покрытия после плазменного электролитического оксидирования
Поверхностные свойства покрытия после плазменного электролитического оксидирования
В новой статье дается всесторонний обзор поверхностных свойств покрытия, модифицированного полимерными материалами, после плазменного электролитического…
31.10.2022
41
История полимерных материалов. Часть 3
История полимерных материалов. Часть 3
В этой серии статей мы обратимся к прошлому, к истории нашей отрасли и узнаем, как…
Майк Сепе
21.04.2021
215
TIGITAL® 3D Materials: революционное аддитивное производство
TIGITAL® 3D Materials: революционное аддитивное производство
Компания TIGER Coatings выпустила линейку TIGITAL® 3D Materials – новые термореактивные материалы для систем селективного…
Барис Кайнак
26.10.2020
127