Како молекуларна структура ХДПЕ у односу на ЛДПЕ смоле утиче на својства филма у машинама за дување?

Уђите у било коју лабораторију за пластику и питајте техничара зашто се ХДПЕ филм толико разликује од ЛДПЕ филма и вероватно ће почети да причају о гранању. На први поглед то није најинтуитивнији концепт, али када схватите како молекуларна архитектура сваког полимера диктира његово физичко понашање - у екструдеру, на матрици, кроз зону хлађења и у готовом филму -, разлике између ХДПЕ и ЛДПЕ престају да буду произвољне и почињу да имају потпун логички смисао.

Овај чланак иде дубоко у молекуларну структуру обе смоле, објашњава како се те структуре играју токомдуван филмобраду, и повезује их са практичним својствима филма која су битна у стварном свету.

Молекуларна основа: Гранање је све

И ХДПЕ и ЛДПЕ су полиетилен - и оба су направљена од истог мономера етилена (ЦХ₂=ЦХ₂) полимеризованог у дугачке угљеничне ланце. Критична разлика лежи у томе како су ти ланци структурирани.

ЛДПЕ (полиетилен мале-ниске густине) се прави полимеризацијом без радикала-без притиска-. Овај процес не контролише добро молекуле. Растући полимерни ланци понекад се сами савијају. Или прослеђују радикале у оближње ланце. Ово ствара многе гране. ЛДПЕ има и дуге-гране ланца које стрше из главног ланца и много кратких-огранака ланца. Дакле, коначна структура је веома неуједначена и заплетена.

ХДПЕ (полиетилен високе{0}}густине) се прави координационом полимеризацијом ниског{1}}притиска. Ово користи Зиеглер-Натта или металоцен катализаторе. Ови системи катализатора много боље контролишу раст ланца. Дакле, полимерни ланци су углавном равне линије са врло мало грана. Пошто скоро да нема грана, ХДПЕ ланци се могу уско паковати заједно на уређен начин.

Та појединачна структурна разлика - разгранатог наспрам линеарног - покреће скоро сваку разлику својстава између два полимера.

Кристалност: директна последица гранања

Кристалинитет је најосновније својство које произилази из молекуларне структуре и подупире практично све друге разлике између ХДПЕ и ЛДПЕ.

У ХДПЕ, линеарни ланци се могу поравнати један поред другог у високо уређеним кристалним регионима који се називају ламеле. Пошто постоји неколико грана које прекидају ово паковање, ХДПЕ постиже нивое кристалности од 70–90%. Преосталих 10–30% је аморфни (поремећени) материјал на интерфејсу између кристалних региона.

У ЛДПЕ-у, гране физички спречавају да се ланци зближе. Свака тачка гранања приморава околне сегменте ланца да не буду поравнати са суседним ланцима. Резултат је много нижа кристалност - типично 40–55% - са много већом аморфном фракцијом.

Кристалинитет се преводи директно у густину, што је буквално оно што називи описују:

ХДПЕ: густина 0,940–0,970 г/цм³

ЛДПЕ: густина 0,910–0,935 г/цм³

Али густина је заправо само замена за дубљу структурну реалност - разлика у кристалности је та која покреће својства филма, а не сам број густине.

Како кристалност утиче на својства филма

Крутост и затезна чврстоћа

Кристални региони делују као физичке попречне везе унутар полимерне матрице -, отпорне су на деформацију, држе материјал заједно под напрезањем и преносе оптерећење. Већа кристалност значи више ових еквивалената унакрсног повезивања по јединици запремине.

ХДПЕ филм је знатно чвршћи и јачи од ЛДПЕ филма при еквивалентној дебљини. ХДПЕ филмови обично показују:

ХДПЕ филм има затезну чврстоћу која је три до пет пута већа од сличних ЛДПЕ филмова. Такође има много већи модул. То значи да се боље опире истезању. И на високим температурама боље задржава своја механичка својства. Ово траје до тачке топљења близу 130 степени.

ЛДПЕ филм је другачији. Има нижу кристалност и велики аморфни део. Дакле, много је мекши и флексибилнији. Аморфне области су гумене изнад њихове температуре стакластог прелаза. За полиетилен, ова температура је знатно испод собне температуре. Ово даје ЛДПЕ-у мек и савитљив осећај.

Зато је ХДПЕ изабран за послове који захтевају снагу. Алати укључују кесе за намирнице које могу да држе тешке предмете, индустријске облоге и пољопривредну фолију за малч. ЛДПЕ се углавном користи за послове где су флексибилност и флексибилност најважнији. Примери укључују омот за храну, стреч фолију и паковање које се може стиснути.

Оптичка својства: магла и јасноћа

Овде однос између молекуларне структуре и изгледа филма постаје посебно директан.

Кристални региони и аморфни региони имају незнатно различите индексе преламања. Када светлост прође кроз филм, она се расипа на границама између ових региона. Величина кристалних домена у односу на таласну дужину светлости одређује колико ће доћи до расејања и према томе колико ће филм изгледати магловито или чисто.

ХДПЕ филм је инхерентно непрозиран или веома замагљен. Висока кристалност ствара бројне велике кристалне домене који екстензивно расипају светлост. Веома мало можете да урадите током обраде да ХДПЕ филм буде оптички чист - структура полимера чини транспарентност суштински немогућом у стандардном дуваном филму.

ЛДПЕ филм је знатно транспарентнији. Нижа кристалност значи мање граница расејања, а аморфни региони омогућавају пролазак светлости са мање сметњи. Добро-обрађен ЛДПЕ дуван филм може да постигне добру јасноћу погодну за паковање хране, кесе за излагање и друге апликације где је видљивост производа важна.

Ова фундаментална оптичка разлика објашњава зашто се ХДПЕ никада не користи за провидно паковање и зашто ЛДПЕ доминира у апликацијама{0}}осетљивим на јасноћу.

Барриер Пропертиес

Кристални делови у полиетилену су у суштини непропусни за молекуле гаса и влаге - наређено паковање не оставља простор за путеве дифузије. Аморфни региони, као неуређени, обезбеђују путеве кроз које продиру гасови и влага.

ХДПЕ филм има знатно боља својства баријере од ЛДПЕ филма због своје веће кристалности. Закривљеност - путање кривудања којом дифузни молекул мора да се креће кроз кристалне препреке - је много већа код ХДПЕ. Ово се манифестује као:

Нижа брзина преноса водене паре (ВВТР)

ХДПЕ има бољу баријеру за кисеоник. Али ниједан тип полиетилена се не сматра високо{1}}материјалом када их упоредите са другим материјалима.

ХДПЕ је такође боље отпоран на органске раствараче.

ЛДПЕ филм има велики аморфни део. То значи да има више отворених путева за пролаз гасова. Дакле, има већу пропустљивост гаса и влаге.

За употребу у паковању где су перформансе баријере важне, молекуларна структура ХДПЕ-а даје стварну функционалну предност у односу на ЛДПЕ. Ове употребе укључују вреће за производе, складиштење хране и индустријску хемијску амбалажу.

Понашање обраде у машини за дуване филмове

Структурне разлике између ХДПЕ и ЛДПЕ не показују се само у својствима готовог филма. Они се такође показују у томе како се свака пластика понаша док се обрађује. А то доводи до великих разлика у томе шта машина за дуване филмове треба да уради.

Вискозитет топљења и понашање течења

Дугачки{0}}огранци ЛДПЕ-а имају дубок утицај на реологију растопа. Дуге гране се физички заплићу са гранама на суседним ланцима, стварајући мрежу која захтева значајну енергију да би се расплела током протока. Ово даје ЛДПЕ топљење:

Висока чврстоћа топљења - растопљени полимер је отпоран на издужену деформацију, што значи да је мехур изнад калупа стабилан и самоносив-

Смицање{0}}понашање стањивања на које снажно утиче ЛЦБ мрежа - ЛДПЕ се драматично разређује под смицањем, што га чини лаким за истискивање под разумним притисцима

Вискоеластична меморија - талина „памти“ деформацију и делимично се опоравља, доприносећи бубрењу екструдата на излазу из калупа

ХДПЕ линеарни ланци имају мање преплитања по јединици запремине (зато што нема дугих-огранака ланца за стварање додатних тачака преплитања). Ово резултира:

Мања чврстоћа топљења у поређењу са ЛДПЕ - ХДПЕ мехурићи су мање самоодрживи-

Већи вискозитет растопа при ниским брзинама смицања, али мање драматично{0}}разређивање смицања

Ужи прозор за обраду за стабилност мехурића

Понашање топљења и кристализације

Оштра, високо уређена кристална структура ХДПЕ-а значи да има оштрији прелаз топљења од ЛДПЕ-а. ХДПЕ се топи у релативно уском температурном опсегу (обично 125–135 степени за кристалну фазу), док се ЛДПЕ топи постепено у ширем опсегу.

Ово утиче на:

Како шраф топи смолу - ХДПЕ захтева више уложене енергије на краћој дужини завртња да би се постигло потпуно топљење; ЛДПЕ се топи све прогресивније

Висина линије мраза - ХДПЕ брзо кристалише како се мехур хлади, стварајући јасно дефинисану, оштро видљиву линију мраза; ЛДПЕ има мање изражену линију смрзавања због постепеног очвршћавања

Стопа кристализације је такође различита. ХДПЕ кристалише брже од ЛДПЕ јер се његови линеарни ланци могу брже организовати у ламеле када температура падне испод тачке кристализације. Ова брза кристализација закључава оријентацију од биаксијалног истезања у мехуру - што је важан фактор за развој механичких својстава ХДПЕ-а.

Стабилност мехурића и радни параметри

Ове реолошке разлике се директно претварају у начин на који машина за дуване филмове мора бити конфигурисана:

ЛДПЕ машине имају користи од високе чврстоће топљења ЛДПЕ-а - мехур је инхерентно стабилан, толерише флуктуације процеса и може да ради на релативно високим-односима надувавања (3:1 до 4:1 или више) без колапса. Ово је један од разлога зашто је ЛДПЕ био оригинални доминантни полимер дуваног филма.

ХДПЕ машине морају компензовати нижу чврстоћу топљења ХДПЕ-а са:

Нижи{0}}односи надувавања - обично 3:1 до 4:1, али је потребна строжа контрола

Водичи кавеза за мехуриће - физичке вођице које спречавају да се ХДПЕ мехур са тањим-зидовима опусти или трепери

Веће количине ваздуха за хлађење - за брзо учвршћивање ХДПЕ филма изнад линије мраза, закључавање у облику мехурића пре него што може да се дестабилизује

Виши расхладни торњеви - ХДПЕ захтева веће вертикално растојање да би се мехур потпуно очврснуо

Филмски оријентациони ефекти

Када се мехур издуваног филма надува (однос-надувавања) и повуче нагоре (однос-доле), филм је биаксијално оријентисан - растегнут и у смеру машине и у попречном смеру. Полимерни ланци се делимично поравнавају у овим правцима док се филм учвршћује.

У ХДПЕ, ова оријентација је ефикасно закључана због брзе кристализације. Оријентисани ланци се замрзавају у кристалну структуру, а филм задржава значајну биаксијалну оријентацију. Ова оријентација је главни допринос високој затезној чврстоћи и крутости ХДПЕ-а у односу на његову дебљину филма.

Код ЛДПЕ, оријентација је делимично очувана, али и делимично опуштена јер разгранати ланци имају више слободе да се крећу пре него што их кристална структура која се постепено формира. ЛДПЕ филм задржава одређену оријентацију, али мање од ХДПЕ под еквивалентним условима обраде.

Практично поређење својстава филма

ЛЛДПЕ: Структурална средина

Ниједна дискусија о ХДПЕ у односу на ЛДПЕ не би била потпуна без признавања ЛЛДПЕ (линеарног полиетилена ниске{1}}), који заузима структурно средњу позицију.

ЛЛДПЕ се производи коришћењем координационих катализатора (сличних ХДПЕ-у), али са комономерима (хексен, октен или бутен) уграђеним у ланац, стварајући само кратке-гране ланца - без дугих-гранака ланца. Ово резултира:

Густина у опсегу ЛДПЕ (0,915–0,940 г/цм³) због поремећаја кристалности из грана

Нема дугих{0}}огранака ланца -, тако да ЛЛДПЕ нема карактеристичну високу чврстоћу топљења и стабилност мехурића за ЛДПЕ

Боља отпорност на пробијање и отпорност на кидање од ХДПЕ или ЛДПЕ - кратке гране стварају специфичну везу-архитектуру молекула између кристалних ламела која се опире ширењу пукотина

Изазови обраде - Ниска чврстоћа топљења ЛЛДПЕ-а захтева сличне стратегије управљања мехурићима као ХДПЕ

ЛЛДПЕ је у великој мери заменио ЛДПЕ у многим апликацијама за дуване филмове управо зато што његова отпорност на бушење и кидање, изведена из његове јединствене микроструктуре кратког{0}}ланца-разгранате, даје боље перформансе филма по јединици материјала.

Често постављана питања

П: Зашто ХДПЕ филм није{0}}прозиран док је ЛДПЕ филм прилично чист?
О: ХДПЕ има много кристалности. Ово ствара велике, добро{1}}организоване кристалне површине које расипају светлост. Дакле, филм изгледа магловито или не{3}}прозирно. ЛДПЕ има мање кристалности и мање површине кристала. Они расипају мање светлости, тако да филм изгледа јасније. Ово је директан резултат гранања ланца. Гране ЛДПЕ-а спречавају да се ланци зближе, тако да се велике кристалне структуре не могу формирати.

П: Зашто се ХДПЕ филм чини чвршћим и ствара се згужван када њиме рукујете, док ЛДПЕ филм делује меко и тихо?
О: Укоченост долази од кристалности. Висока кристалност ХДПЕ-а чини чврсту структуру која је отпорна на савијање. Такође се гласно згужва када га савијете. ЛДПЕ има велики аморфни део. Ово чини филм меким и флексибилним. Гумена аморфна подручја контролишу како се филм осећа на собној температури.

П: Можете ли да мешате ХДПЕ и ЛДПЕ да бисте добили својства између?
О: Да, њихово мешање је уобичајено. ХДПЕ/ЛДПЕ мешавине се могу подесити да би се добила средња крутост, јасноћа и својства баријере. Али ове две пластике се не мешају савршено на молекуларном нивоу. Дакле, својства мешавине нису само просек ова два. Контрола начина на који се мешавина формира током мешања и обраде има велики утицај на коначни резултат.

П: Зашто је ХДПЕ-у потребна виша температура{0}}заптивке од ЛДПЕ-а?
О: Топлотно заптивање функционише тако што топи површину филма тако да се спаја. Кристални делови ХДПЕ се топе на вишим температурама, око 125–135 степени. Делови кристала ЛДПЕ се топе на око 100–115 степени. Дакле, ХДПЕ-у је потребно више топлоте да би се направио печат. Ово утиче на брзину линија за паковање и квалитет заптивања на машинама за заваривање{8}}пуна{9}}.

П: Како молекуларна тежина утиче на обраду дуваног филма за обе пластике?
О: Већа молекуларна тежина повећава снагу и дебљину топљења и за ХДПЕ и за ЛДПЕ. Ово генерално помаже да мехур буде стабилнији. Али такође су му потребни виши притисци и температуре екструзије. Смоле филмског квалитета се обично праве са молекуларним тежинама које балансирају колико их је лако обрадити са механичким својствима потребним за финални филм. ХДПЕ филма имају ширу дистрибуцију молекулске тежине. Ово помаже да се надокнади природно нижа чврстоћа топљења ХДПЕ-а.

П: Да ли је ХДПЕ или ЛДПЕ лакше рециклирати?
О: Оба се могу рециклирати у сопственим токовима. ХДПЕ је код смоле #2. ЛДПЕ је код смоле #4. Они нису компатибилни у истом току рециклаже. Њихове различите тачке топљења и дебљине чине њихово мешање током рециклирања проблемом. У пракси, ХДПЕ има развијенији систем рециклаже на многим тржиштима. То је због великог броја тврдих ХДПЕ контејнера. Рециклажа ЛДПЕ фолије расте како све више програма за рециклажу почиње да прихвата флексибилну фолију.

Закључак

Разлика између ХДПЕ и ЛДПЕ је на крају прича о гранању - и о томе како се структурна карактеристика на нанометарској скали шири кроз кристалност, реологију растопа и својства филма све до видљивих, комерцијалних карактеристика готовог производа.

ХДПЕ линеарни ланци се спајају у густе, високо кристалне структуре које пружају крутост, снагу и перформансе баријере по цену оптичке јасноће и чврстоће топљења током обраде. Разграната архитектура ЛДПЕ-а нарушава кристално паковање, стварајући мекши, јаснији, лакше обрађен филм са нижим перформансама баријере и механичком чврстоћом.

Ни једно ни друго није универзално супериорно. Они служе различитим апликацијама јер њихове молекуларне архитектуре одговарају различитим функционалним захтевима. Разумевање те везе - од молекуларне структуре до понашања обраде до перформанси готовог филма - је оно што раздваја процесор који систематски решава проблеме од оног који подешава параметре методом покушаја и грешака.