Влезте в която и да е лаборатория за пластмаси и попитайте техник защо HDPE филмът се усеща толкова различно от LDPE филма и вероятно ще започнат да говорят за разклоняване. Това не е най-интуитивната концепция на пръв поглед, но след като разберете как молекулярната архитектура на всеки полимер диктува физическото му поведение - в екструдера, в матрицата, през охлаждащата зона и в готовия филм - разликите между HDPE и LDPE спират да бъдат произволни и започват да имат пълен логичен смисъл.
Тази статия навлиза в дълбочина в молекулярната структура на двете смоли, обяснява как тези структури действат по времеиздухано фолиообработка и ги свързва с практическите свойства на филма, които имат значение в реалния свят.
Молекулярната основа: Разклоняването е всичко
И HDPE, и LDPE са полиетилен - и двата са изградени от един и същ етиленов мономер (CH₂=CH₂), полимеризиран в дълги въглеродни вериги. Критичната разлика е в това как са структурирани тези вериги.
LDPE (полиетилен с ниска{0}}плътност) се произвежда чрез-радикална полимеризация без{2}}високо налягане. Този процес не контролира много добре молекулите. Нарастващите полимерни вериги понякога се сгъват обратно. Или предават радикали на близки вериги. Това създава много разклонения. LDPE има както дълги-верижни разклонения, които стърчат от основната верига, така и много къси-верижни разклонения. Така че крайната структура е много неравна и заплетена.
HDPE (полиетилен с висока-плътност) се произвежда чрез полимеризация при ниско{1}}налягане. Това използва Ziegler-Natta или металоценови катализатори. Тези каталитични системи контролират растежа на веригата много по-добре. Така че полимерните вериги са предимно прави линии с много малко разклонения. Тъй като почти няма разклонения, HDPE веригите могат да се опаковат плътно една до друга по подреден начин.
Тази единствена структурна разлика - разклонена срещу линейна - води до почти всяка разлика в свойствата между двата полимера.
Кристалност: Пряката последица от разклоняването
Кристалността е най-фундаменталното свойство, което произтича от молекулярната структура и е в основата на почти всички други разлики между HDPE и LDPE.
В HDPE линейните вериги могат да се подредят една до друга в силно подредени кристални области, наречени ламели. Тъй като има малко разклонения, които да прекъснат това опаковане, HDPE постига нива на кристалност от 70–90%. Останалите 10–30% е аморфен (неподреден) материал на интерфейсите между кристалните области.
При LDPE разклоненията физически предотвратяват плътното опаковане на веригите. Всяка точка на разклонение принуждава околните сегменти на веригата да не са подравнени със съседните вериги. Резултатът е много по-ниска кристалност - обикновено 40–55% - с много по-голяма аморфна фракция.
Кристалността се превежда директно в плътност, което буквално е това, което описват имената:
HDPE: плътност 0,940–0,970 g/cm³
LDPE: плътност 0,910–0,935 g/cm³
Но плътността всъщност е просто заместител на по-дълбоката структурна реалност - това е разликата в кристалността, която определя свойствата на филма, а не самото число на плътността.
Как кристалността влияе върху свойствата на филма
Твърдост и якост на опън
Кристалните региони действат като физически напречни връзки в полимерната матрица - те се съпротивляват на деформация, държат материала заедно при напрежение и предават натоварване. По-високата кристалност означава повече от тези еквиваленти на омрежване на единица обем.
HDPE филмът е значително по-твърд и по-здрав от LDPE филма при еквивалентна дебелина. HDPE филмите обикновено показват:
HDPE филмът има якост на опън, която е три до пет пъти по-висока от подобни LDPE филми. Освен това има много по-висок модул. Това означава, че издържа по-добре на разтягане. Запазва механичните си свойства по-добре и при високи температури. Това продължава до точката на топене близо до 130 градуса.
LDPE филмът е различен. Има по-ниска кристалност и голяма аморфна част. Така той е много по-мек и по-гъвкав. Аморфните области са гумени над температурата на встъкляване. За полиетилена тази температура е доста под стайната. Това придава на LDPE мекото и огъващо се усещане.
Ето защо HDPE е избран за задачи, които изискват здравина. Инструментите включват торби за хранителни стоки, които могат да държат тежки предмети, промишлени облицовки и селскостопански мулч филм. LDPE се използва най-вече за работа, където гъвкавостта и гъвкавостта са най-важни. Примерите включват опаковки за храни, стреч фолио и опаковки, които могат да се притискат.
Оптични свойства: мъгла и яснота
Тук връзката между молекулярната структура и външния вид на филма става особено пряка.
Кристалните региони и аморфните региони имат леко различни показатели на пречупване. Когато светлината преминава през филм, тя се разпръсква по границите между тези области. Размерът на кристалните домени спрямо дължината на вълната на светлината определя колко разсейване се получава и следователно колко мъгляв или бистър изглежда филмът.
HDPE филмът е присъщо непрозрачен или силно мътен. Високата кристалност създава множество големи кристални области, които разпръскват светлината широко. Има много малко неща, които можете да направите по време на обработката, за да направите HDPE филма оптически прозрачен - структурата на полимера прави прозрачността по същество невъзможна в стандартното раздуто фолио.
LDPE филмът е значително по-прозрачен. По-ниската кристалност означава по-малко граници на разсейване, а аморфните области позволяват на светлината да преминава с по-малко смущения. Добре-обработеното раздуто фолио от LDPE може да постигне добра яснота, подходяща за опаковане на храни, торби за витрини и други приложения, където видимостта на продукта има значение.
Тази фундаментална оптична разлика обяснява защо HDPE никога не се използва за прозрачни опаковки и защо LDPE доминира в приложения,-чувствителни към яснота.
Бариерни свойства
Кристалните региони в полиетилена са по същество непропускливи за молекули на газ и влага - подреденото опаковане не оставя място за дифузионни пътища. Аморфните региони, тъй като са неподредени, осигуряват пътищата, през които преминават газове и влага.
HDPE филмът има значително по-добри бариерни свойства от LDPE филма поради по-високата си кристалност. Кривичката - криволичещата пътека, която дифузиращата молекула трябва да премине през кристални препятствия -, е много по-голяма в HDPE. Това се проявява като:
По-ниска скорост на предаване на водни пари (WVTR)
HDPE има по-добра кислородна бариера. Но нито един тип полиетилен не се счита за високо-бариерен материал, когато ги сравнявате с други материали.
HDPE също издържа по-добре на органични разтворители.
LDPE филмът има голяма аморфна част. Това означава, че има повече отворени пътища за преминаване на газовете. Така че има по-висока пропускливост на газ и влага.
За приложения при опаковане, където характеристиките на бариерата са от значение, молекулярната структура на HDPE дава реално функционално предимство пред LDPE. Тези употреби включват торби за продукти, съхранение на храни и индустриални химически опаковки.
Поведение при обработка в машината за издухано фолио
Структурните разлики между HDPE и LDPE се проявяват не само в свойствата на готовия филм. Те също се показват в това как всяка пластмаса се държи, докато се обработва. И това води до големи разлики в това какво трябва да прави машината за раздуто фолио.
Вискозитет на стопилка и поведение на потока
Дълговерижните-разклонения на LDPE имат дълбок ефект върху реологията на стопилката. Дългите клони се заплитат физически с клони на съседни вериги, създавайки мрежа, която изисква значителна енергия за разплитане по време на потока. Това дава стопилка на LDPE:
Висока якост на топене - разтопеният полимер издържа на деформация при удължаване, което означава, че балонът над матрицата е стабилен и -самоподържащ се
Поведение на-изтъняване при срязване, което е силно повлияно от LCB мрежата - LDPE изтънява драстично при срязване, което улеснява екструдирането при разумни налягания
Вискоеластична памет - стопилката „помни“ деформацията и частично се възстановява, допринасяйки за набъбване на екструдата на изхода на матрицата
Линейните вериги на HDPE имат по-малко заплитания на единица обем (защото няма дълги-верижни разклонения, които да създават допълнителни точки на заплитане). Това води до:
По-ниска якост на топене в сравнение с LDPE - HDPE мехурчетата са по-малко-самоподдържащи се
По-висок вискозитет на стопилката при ниски скорости на срязване, но по-малко драматично изтъняване-на срязване
По-тесен прозорец за обработка за стабилност на мехурчетата
Поведение при топене и кристализация
Рязката, силно подредена кристална структура на HDPE означава, че той има по-рязък преход на топене от LDPE. HDPE се топи в относително тесен температурен диапазон (обикновено 125-135 градуса за кристалната фаза), докато LDPE се топи по-постепенно в по-широк диапазон.
Това засяга:
Как шнекът разтопява смолата - HDPE изисква повече вложена енергия при по-къса дължина на шнека, за да се постигне пълно топене; LDPE се топи по-прогресивно
Височината на линията на замръзване - HDPE кристализира бързо, докато балонът се охлажда, създавайки ясно дефинирана, ясно видима линия на замръзване; LDPE има по-слабо изразена линия на замръзване поради по-постепенното му втвърдяване
Скоростта на кристализация също е различна. HDPE кристализира по-бързо от LDPE, тъй като неговите линейни вериги могат да се организират в ламели по-бързо, след като температурата падне под точката на кристализация. Тази бърза кристализация се фиксира в ориентация от двуосното разтягане в мехура -, важен фактор за развитието на механичните свойства на HDPE.
Стабилност на мехурчета и работни параметри
Тези реологични разлики се превеждат директно в това как трябва да бъде конфигурирана машината за раздуто фолио:
LDPE машините се възползват от високата якост на топене на LDPE - мехурът е по своята същност стабилен, толерира колебанията на процеса и може да работи при относително високи съотношения-нагоре (3:1 до 4:1 или по-високи) без свиване. Това е една от причините LDPE да е оригиналният доминиращ разпенен филмов полимер.
HDPE машините трябва да компенсират по-ниската якост на топене на HDPE с:
По-ниски-коефициенти на раздуване - обикновено 3:1 до 4:1, но с необходим по-строг контрол
Водачи на балонна клетка - физически водачи, които предотвратяват увисване или трептене на мехура от HDPE с по-тънки-стени
По-големи обеми охлаждащ въздух - за бързо втвърдяване на HDPE филма над линията на замръзване, заключвайки формата на мехур, преди да може да се дестабилизира
По-високите охладителни кули - HDPE изисква по-голямо вертикално разстояние, за да може балонът да се втвърди напълно
Ефекти за ориентация на филма
Когато издуханият мехур от филм се надува (коефициент на издухване-нагоре) и се изтегля нагоре (коефициент на изтегляне-надолу), филмът е двуосно ориентиран - разтегнат както в машинната посока, така и в напречната посока. Полимерните вериги частично се изравняват в тези посоки, докато филмът се втвърдява.
В HDPE тази ориентация е заключена ефективно поради бързата кристализация. Ориентираните вериги замръзват в кристалната структура и филмът запазва значителна двуосна ориентация. Тази ориентация е основен фактор за високата якост на опън и твърдостта на HDPE спрямо дебелината на филма.
В LDPE ориентацията е частично запазена, но също така частично отпусната, тъй като разклонените вериги имат повече свобода да се движат, преди по-постепенно образуващата се кристална структура да ги заключи. LDPE филмът запазва известна ориентация, но по-малко от HDPE при еквивалентни условия на обработка.
Практическо сравнение на свойствата на филма
| Собственост | HDPE филм | LDPE филм |
|---|---|---|
| Кристалност | 70–90% | 40–55% |
| Плътност | 0,940–0,970 g/cm³ | 0,910–0,935 g/cm³ |
| Якост на опън | високо | Умерен |
| Коравина (модул) | високо | ниско |
| Оптична яснота | Лош (мътен/непрозрачен) | добре |
| Бариера за влага | Отлично | Умерен |
| Газова бариера | добре | Умерен |
| Гъвкавост при ниски{0}}температури | Умерен | Отлично |
| Температура на топлинно запечатване | По-високо (~120–130 градуса) | Долна (~100–110 градуса) |
| Сила на топене по време на обработка | По-ниска | По-високо |
| Стабилност на балон | Изисква управление | Естествено стабилен |
| Типични приложения | Чанти за хранителни стоки, промишлени подложки, мулч | Хранителна опаковка, производствени торби, стреч фолио |
LLDPE: Структурната среда
Нито едно обсъждане на HDPE срещу LDPE не би било пълно, без да се признае LLDPE (линеен полиетилен с ниска - плътност), който заема структурно междинна позиция.
LLDPE се произвежда с помощта на координационни катализатори (подобни на HDPE), но със съмономери (хексен, октен или бутен), включени във веригата, създавайки само къси-верижни разклонения - без дълги-верижни разклонения. Това води до:
Плътност в диапазона на LDPE (0,915–0,940 g/cm³) поради нарушаване на кристалността от клоните
Няма дълги{0}}верижни разклонения -, така че LLDPE няма характерната за LDPE висока якост на стопяване и стабилност на мехурчета
По-добра устойчивост на пробиване и устойчивост на разкъсване от HDPE или LDPE - късите разклонения създават специфична връзка-молекулна архитектура между кристалните ламели, която устоява на разпространението на пукнатини
Предизвикателства при обработката - Ниската якост на топене на LLDPE изисква подобни стратегии за управление на мехурчетата като HDPE
LLDPE до голяма степен е изместил LDPE в много приложения на раздуто фолио точно защото неговата устойчивост на пробиване и разкъсване, произтичаща от неговата уникална късо{0}}верижна-разклонена микроструктура, осигурява по-добра производителност на фолиото за единица материал.
Често задавани въпроси
Въпрос: Защо HDPE филмът не{0}}прозира, докато LDPE филмът е доста прозрачен?
О: HDPE има много кристалност. Това създава големи, добре-организирани кристални области, които разпръскват светлина. Така че филмът изглежда мътен или не-непрогледен. LDPE има по-малка кристалност и по-малки кристални площи. Те разпръскват по-малко светлина, така че филмът изглежда по-ясен. Това е пряк резултат от разклоняването на веригата. Разклоненията на LDPE спират веригите да се опаковат плътно, така че не могат да се образуват големи кристални структури.
В: Защо HDPE филмът се чувства по-твърд и издава пукащ звук, когато го докоснете, докато LDPE филмът се чувства мек и тих?
О: Твърдостта идва от кристалността. Високата кристалност на HDPE прави твърда структура, която издържа на огъване. Освен това се набръчква силно, когато го огънете. LDPE има голяма аморфна част. Това прави филма мек и гъвкав. Гумените аморфни зони контролират усещането на филма при стайна температура.
В: Можете ли да смесите HDPE и LDPE, за да получите свойства между тях?
О: Да, смесването им е обичайно. Смесите от HDPE/LDPE могат да се регулират, за да се получи средна твърдост, бистрота и бариерни свойства. Но тези две пластмаси не се смесват идеално на молекулярно ниво. Така че свойствата на сместа не са просто средната стойност на двете. Контролирането на това как се формира сместа по време на смесване и обработка има голям ефект върху крайния резултат.
В: Защо HDPE се нуждае от по-висока температура-за запечатване от LDPE?
О: Топлинното запечатване работи чрез разтопяване на повърхността на филма, така че да се слее заедно. Кристалните части на HDPE се топят при по-високи температури, около 125–135 градуса. Кристалните части на LDPE се топят при около 100–115 градуса. Така че HDPE се нуждае от повече топлина, за да направи уплътнение. Това се отразява на скоростта на опаковъчната линия и качеството на запечатване на машини за формуляр-пълнеж-запечатване.
Въпрос: Как молекулното тегло влияе върху обработката на раздух филм за двете пластмаси?
О: По-високото молекулно тегло повишава силата на стопилката и дебелината както за HDPE, така и за LDPE. Това обикновено помага за поддържането на балона по-стабилен. Но също така се нуждае от по-високо налягане и температури на екструдиране. Смолите за филм обикновено се правят с молекулни тегла, които балансират колко лесни са за обработка с механичните свойства, необходими за крайния филм. Класовете HDPE филми обикновено имат по-широко разпределение на молекулното тегло. Това помага да се компенсира естествено по-ниската якост на топене на HDPE.
В: HDPE или LDPE по-лесно ли се рециклират?
О: И двете могат да бъдат рециклирани в собствените си потоци. HDPE е смола с код #2. LDPE е смола с код #4. Те не са съвместими в един и същ поток за рециклиране. Различните им точки на топене и дебелина правят смесването им по време на рециклирането проблем. На практика HDPE има по-развита система за рециклиране на много пазари. Това се дължи на големия брой твърди HDPE контейнери. Рециклирането на LDPE фолио нараства, тъй като все повече програми за рециклиране започват да приемат гъвкаво фолио.
Заключение
Разликата между HDPE и LDPE в крайна сметка е история за разклоняването - и как структурна характеристика в нанометров мащаб се разпространява през кристалност, реология на стопилката и свойства на филма по целия път до наблюдаваните търговски характеристики на крайния продукт.
Линейните вериги на HDPE се пакетират в плътни, силно кристални структури, които осигуряват твърдост, здравина и бариерни характеристики за сметка на оптичната чистота и здравината на стопяване по време на обработката. Разклонената архитектура на LDPE нарушава кристалното опаковане, произвеждайки по-мек, по-чист, по-лесно обработваем филм с по-ниска бариера и механична якост.
Нито едно от двете не е универсално превъзходно. Те обслужват различни приложения, тъй като тяхната молекулярна архитектура отговаря на различни функционални изисквания. Разбирането на тази връзка - от молекулярната структура към поведението на обработка до производителността на готовия филм - е това, което разделя процесора, който отстранява проблеми систематично, от този, който коригира параметрите чрез проба и грешка.
