Як молекулярна структура HDPE проти LDPE смоли впливає на властивості плівки в видувних машинах?

Зайдіть у будь-яку лабораторію з виробництва пластмас і запитайте техніка, чому плівка HDPE так відрізняється від плівки LDPE, і вони, ймовірно, почнуть говорити про розгалуження. На перший погляд, це не дуже інтуїтивно зрозуміла концепція, але як тільки ви зрозумієте, як молекулярна архітектура кожного полімеру визначає його фізичну поведінку - в екструдері, у фільєрі, через зону охолодження та в готовій плівці - відмінності між HDPE та LDPE перестають бути довільними та починають мати цілком логічний сенс.

У цій статті детально розглядається молекулярна структура обох смол, пояснюється, як ці структури діють під часвидувна плівкаобробки та пов’язує їх із практичними властивостями плівки, які мають значення в реальному світі.

Молекулярна основа: розгалуження — це все

І HDPE, і LDPE є поліетиленами - вони обидва побудовані з одного мономеру етилену (CH₂=CH₂), полімеризованого в довгі вуглецеві ланцюги. Критична відмінність полягає в тому, як структуровані ці ланцюги.

LDPE (поліетилен низької-щільності) виготовляється шляхом -без{2}}радикальної полімеризації під високим тиском. Цей процес погано контролює молекули. Зростаючі полімерні ланцюги іноді складаються назад. Або передають радикали в сусідні мережі. Це створює багато гілок. LDPE має як довгі-розгалуження, які виступають із основного ланцюга, так і багато коротких-розгалужень. Таким чином, кінцева структура виходить дуже нерівною і заплутаною.

HDPE (поліетилен високої-щільності) виготовляється методом координаційної полімеризації-під низьким тиском. Для цього використовуються каталізатори Циглера-Натта або металоцен. Ці каталітичні системи набагато краще контролюють зростання ланцюга. Отже, полімерні ланцюги — це здебільшого прямі лінії з дуже невеликою кількістю розгалужень. Оскільки тут майже немає розгалужень, ланцюги HDPE можуть щільно з’єднуватися впорядкованим чином.

Ця єдина структурна різниця - розгалужена та лінійна - обумовлює майже всі відмінності властивостей між двома полімерами.

Кристалічність: прямий наслідок розгалуження

Кристалічність є найбільш фундаментальною властивістю, яка випливає з молекулярної структури, і вона лежить в основі практично всіх інших відмінностей між HDPE і LDPE.

У HDPE лінійні ланцюги можуть вирівнюватися пліч-о-пліч у високовпорядкованих кристалічних областях, які називаються ламелями. Оскільки існує кілька розгалужень, які переривають цю упаковку, HDPE досягає рівнів кристалічності 70–90%. Решта 10–30% — це аморфний (невпорядкований) матеріал на межі розділу між кристалічними областями.

У LDPE гілки фізично перешкоджають щільному зсуву ланцюгів. Кожна точка розгалуження змушує навколишні сегменти ланцюга не вирівнюватись із сусідніми ланцюгами. Результатом є значно нижча кристалічність - зазвичай 40–55% - із значно більшою аморфною фракцією.

Кристалічність безпосередньо перетворюється на щільність, що буквально описують назви:

HDPE: щільність 0,940–0,970 г/см³

LDPE: щільність 0,910–0,935 г/см³

Але щільність насправді є лише проміжним показником глибшої структурної реальності - саме різниця в кристалічності визначає властивості плівки, а не сам показник щільності.

Як кристалічність впливає на властивості плівки

Жорсткість і міцність на розрив

Кристалічні області діють як фізичні зшивки в полімерній матриці - вони протистоять деформації, утримують матеріал під напругою та передають навантаження. Вища кристалічність означає більше цих еквівалентів зшивання на одиницю об’єму.

Плівка HDPE значно жорсткіша та міцніша за плівку LDPE при еквівалентній товщині. Плівки HDPE зазвичай демонструють:

Плівка HDPE має міцність на розрив, яка в три-п'ять разів вища, ніж аналогічні плівки LDPE. Він також має набагато вищий модуль. Це означає, що він краще протистоїть розтягуванню. Він також краще зберігає свої механічні властивості при високих температурах. Це триває до температури плавлення близько 130 градусів.

Плівка ПВД відрізняється. Має нижчу кристалічність і велику аморфну ​​частку. Тому він набагато м'якший і гнучкий. Аморфні ділянки стають гумовими вище температури склування. Для поліетилену ця температура значно нижче кімнатної. Завдяки цьому ПВД стає м’яким і гнучким.

Ось чому HDPE був обраний для робіт, які вимагають міцності. Інструменти включають пакети для продуктів, які можуть утримувати важкі предмети, промислові підкладки та сільськогосподарську плівку для мульчі. LDPE здебільшого використовується для роботи, де найбільш важливі гнучкість і гнучкість. Приклади включають харчову плівку, стретч-плівку та стискаючу упаковку.

Оптичні властивості: матовість і прозорість

Тут зв’язок між молекулярною структурою та виглядом плівки стає особливо прямим.

Кристалічні області та аморфні області мають дещо різні показники заломлення. Коли світло проходить через плівку, воно розсіюється на кордонах між цими областями. Розмір кристалічних доменів по відношенню до довжини хвилі світла визначає ступінь розсіювання і, отже, наскільки плівка виглядає туманною або прозорою.

Плівка HDPE за своєю суттю непрозора або сильно розпливчаста. Висока кристалічність створює численні великі кристалічні домени, які сильно розсіюють світло. Ви дуже мало можете зробити під час обробки, щоб зробити плівку HDPE оптично прозорою - структура полімеру унеможливлює прозорість у стандартній плівці з роздуванням.

Плівка ПВД значно прозоріша. Нижча кристалічність означає менше меж розсіювання, а аморфні області дозволяють світлу проходити з меншими перешкодами. Добре-оброблена плівка з роздувом LDPE може досягти гарної прозорості, придатної для пакування харчових продуктів, пакетів для вітрин та інших застосувань, де видимість продукту має значення.

Ця фундаментальна оптична різниця пояснює, чому HDPE ніколи не використовується для прозорого пакування та чому LDPE домінує в -додатках, чутливих до прозорості.

Бар'єрні властивості

Кристалічні області в поліетилені практично непроникні для молекул газу та вологи - впорядковане упакування не залишає місця для шляхів дифузії. Аморфні області, будучи невпорядкованими, забезпечують шляхи, через які проникають гази та волога.

Плівка HDPE має значно кращі бар’єрні властивості, ніж плівка LDPE, завдяки своїй вищій кристалічності. Звивистість - звивистого шляху, який дифундуюча молекула повинна пройти крізь кристалічні перешкоди -, набагато більша в HDPE. Це проявляється як:

Нижня швидкість пропускання водяної пари (WVTR)

HDPE має кращий кисневий бар'єр. Але жоден тип поліетилену не вважається -матеріалом із високим бар’єром, якщо порівнювати їх з іншими матеріалами.

HDPE також краще протистоїть органічним розчинникам.

Плівка LDPE має велику аморфну ​​частину. Це означає, що він має більше відкритих шляхів для проходження газів. Тому він має більш високу газо- і вологопроникність.

Для упаковки, де бар’єрні властивості мають значення, молекулярна структура HDPE дає справжню функціональну перевагу перед LDPE. Ці види використання включають мішки для продуктів, зберігання харчових продуктів і промислову хімічну упаковку.

Поведінка обробки в машині для видувної плівки

Структурні відмінності між HDPE і LDPE виявляються не тільки у властивостях готової плівки. Вони також виявляються в тому, як кожен пластик поводиться під час обробки. І це призводить до великих відмінностей у тому, що повинна робити машина для роздування плівки.

В'язкість розплаву та текучість

Довголанцюгові відгалуження ПЕНЩ{0}} мають великий вплив на реологію розплаву. Довгі гілки фізично заплутуються з гілками на сусідніх ланцюгах, створюючи мережу, яка потребує значної енергії для розплутування під час потоку. Це дає розплав LDPE:

Висока міцність розплаву - розплавлений полімер протистоїть подовженню деформації, що означає, що бульбашка над матрицею стабільна та -самопідтримувана

Розрідження-зсуву, на яке сильно впливає мережа LCB - LDPE значно стоншується під зсувом, що полегшує екструдування за розумного тиску

В’язкопружна пам’ять - розплав «пам’ятає» деформацію та частково відновлюється, сприяючи набуханню екструдату на виході з матриці

Лінійні ланцюги HDPE мають менше заплутань на одиницю об’єму (оскільки немає довгих-розгалужень ланцюга для створення додаткових точок переплутування). Це призводить до:

Нижча міцність розплаву порівняно з LDPE - бульбашки HDPE менш -самонесучі

Вища в’язкість розплаву при низьких швидкостях зсуву, але менш різке розрідження-зрушення

Вужче вікно обробки для стабільності бульбашок

Поведінка плавлення та кристалізації

Чітка, високовпорядкована кристалічна структура HDPE означає, що він має різкіший перехід плавлення, ніж LDPE. HDPE плавиться у відносно вузькому діапазоні температур (зазвичай 125–135 градусів для кристалічної фази), тоді як LDPE плавиться більш поступово в ширшому діапазоні.

Це впливає на:

Як шнек розплавляє смолу - HDPE потребує більше енергії при меншій довжині шнека для досягнення повного плавлення; LDPE плавиться швидше

Висота лінії замерзання - HDPE швидко кристалізується, коли бульбашка охолоджується, створюючи чітко визначену, чітко видиму лінію замерзання; LDPE має менш чітку лінію промерзання через більш поступове затвердіння

Швидкість кристалізації також різна. HDPE кристалізується швидше, ніж LDPE, оскільки його лінійні ланцюги можуть швидше організовуватися в пластини, коли температура падає нижче точки кристалізації. Ця швидка кристалізація фіксує орієнтацію завдяки двовісному розтягуванню в бульбашці -, що є важливим фактором для розвитку механічних властивостей HDPE.

Стабільність бульбашок і робочі параметри

Ці реологічні відмінності безпосередньо впливають на конфігурацію машини для роздування плівки:

Машини з ПВД виграють від високої міцності розплаву ПВД - бульбашка за своєю суттю стабільна, витримує коливання процесу та може працювати з відносно високим коефіцієнтом-роздування (від 3:1 до 4:1 або вище) без згортання. Це одна з причин, чому LDPE був первинним домінуючим плівковим полімером із роздуванням.

Машини HDPE повинні компенсувати нижчу міцність розплаву HDPE за допомогою:

Нижчі-коефіцієнти роздування - зазвичай від 3:1 до 4:1, але з більш жорстким контролем

Направляючі бульбашкової клітки - фізичні напрямні, які запобігають провисанню або тріпоттю бульбашки HDPE із тоншою-стінкою

Більший об’єм охолоджуючого повітря - для швидкого затвердіння плівки HDPE над лінією замерзання, фіксуючи форму бульбашки, перш ніж вона може дестабілізуватись

Вищі градирні - HDPE вимагає більшої вертикальної відстані для повного затвердіння бульбашки

Ефекти орієнтації плівки

Коли бульбашка плівки надувається (коефіцієнт роздування-) і витягується вгору (коефіцієнт витягування-вниз), плівка двовісно орієнтована - розтягується як у машинному, так і в поперечному напрямках. Полімерні ланцюги частково вирівнюються в цих напрямках, коли плівка твердне.

У HDPE ця орієнтація ефективно фіксується через швидку кристалізацію. Орієнтовані ланцюги вмерзають у кристалічну структуру, і плівка зберігає значну двовісну орієнтацію. Ця орієнтація вносить значний внесок у високу міцність на розрив і жорсткість HDPE відносно товщини його плівки.

У LDPE орієнтація частково зберігається, але також частково розслаблена, оскільки розгалужені ланцюги мають більше свободи для руху, перш ніж кристалічна структура, що поступово формується, зафіксує їх. Плівка LDPE зберігає певну орієнтацію, але меншу, ніж HDPE за еквівалентних умов обробки.

Практичне порівняння властивостей плівки

LLDPE: структурна середина

Жодне обговорення HDPE проти LDPE не було б повним без визнання LLDPE (лінійного поліетилену низької -щільності), який займає структурно проміжне положення.

LLDPE виробляється з використанням координаційних каталізаторів (подібних до HDPE), але із співмономерами (гексен, октен або бутен), включеними в ланцюг, утворюючи лише короткі-розгалуження - без довгих-розгалужень. Це призводить до:

Щільність в діапазоні LDPE (0,915–0,940 г/см³) через порушення кристалічності від гілок

Немає довгих-розгалужень -, тому LLDPE не має характерної для LDPE високої міцності розплаву та стабільності бульбашок

Краща стійкість до проколів і розривів, ніж HDPE або LDPE - короткі гілки створюють особливу зв’язувальну-архітектуру молекули між кристалічними ламелями, яка протистоїть поширенню тріщин

Проблеми обробки - Низька міцність розплаву LLDPE вимагає подібних стратегій керування бульбашками, як HDPE

LLDPE значною мірою витіснив LDPE у багатьох сферах застосування видувної плівки саме тому, що його стійкість до проколів і розривів, отримана завдяки його унікальній коротко{0}}ланцюговій-розгалуженій мікроструктурі, забезпечує кращі характеристики плівки на одиницю матеріалу.

Часті запитання

З: Чому плівка HDPE не просвічується-, тоді як плівка LDPE досить прозора?
A: HDPE має велику кристалічність. Це створює великі, добре-організовані кристалічні області, які розсіюють світло. Тож плівка виглядає туманною або не-прозорою. LDPE має меншу кристалічність і менші площі кристалів. Вони розсіюють менше світла, тому плівка виглядає чіткішою. Це прямий результат розгалуження ланцюга. Відгалуження LDPE перешкоджають щільному згортанню ланцюжків, тому не можуть утворюватися великі кристалічні структури.

Питання: Чому плівка HDPE виглядає більш жорсткою та видає звуки, коли ви її торкаєтеся, тоді як плівка LDPE виглядає м’якою та тихою?
A: Жорсткість походить від кристалічності. Висока кристалічність HDPE створює жорстку структуру, що чинить опір вигину. Він також голосно зморщується, коли ви його згинаєте. LDPE має велику аморфну ​​частину. Це робить плівку м'якою та еластичною. Гумоподібні аморфні ділянки контролюють відчуття плівки за кімнатної температури.

З: Чи можете ви змішувати HDPE і LDPE, щоб отримати проміжні властивості?
A: Так, їх змішування є звичайним явищем. Суміші HDPE/LDPE можна регулювати для отримання середньої жорсткості, прозорості та бар’єрних властивостей. Але ці два пластики не ідеально поєднуються на молекулярному рівні. Таким чином, властивості суміші є не просто середнім значенням двох. Контроль формування суміші під час змішування та обробки має великий вплив на кінцевий результат.

З: Чому HDPE потребує вищої температури -зварювання, ніж LDPE?
В: Термозварювання відбувається шляхом плавлення поверхні плівки, щоб вона злилася разом. Кристалічні частини HDPE плавляться при більш високих температурах, приблизно 125–135 градусів. Кристалічні частини LDPE плавляться приблизно при 100–115 градусах. Таким чином, HDPE потребує більше тепла для ущільнення. Це впливає на швидкість пакувальної лінії та якість запечатування на машинах для-заповнення-запечатування.

З: Як молекулярна маса впливає на обробку плівки з роздуванням для обох видів пластику?
A: Вища молекулярна маса підвищує міцність розплаву та товщину як для HDPE, так і для LDPE. Як правило, це допомагає підтримувати бульбашку стабільнішою. Але він також потребує більш високого тиску та температури екструзії. Плівкові смоли зазвичай виготовляються з молекулярними вагами, які збалансовують їх легкість у обробці з механічними властивостями, необхідними для кінцевої плівки. Сорти плівки HDPE зазвичай мають більш широкий розподіл молекулярної маси. Це допомагає компенсувати природну нижчу міцність розплаву HDPE.

З: HDPE чи LDPE легше переробити?
A: Обидва можуть бути перероблені у своїх власних потоках. HDPE – код смоли №2. LDPE – код смоли №4. Вони не сумісні в одному потоці переробки. Їхні різні точки плавлення та товщина ускладнюють змішування під час переробки. На практиці HDPE має більш розвинену систему переробки на багатьох ринках. Це пов’язано з великою кількістю жорстких контейнерів ПНД. Переробка плівки LDPE зростає, оскільки все більше програм переробки починають приймати гнучку плівку.

Висновок

Різниця між HDPE та LDPE зрештою полягає в історії про розгалуження - та про те, як структурна особливість нанометрового масштабу поширюється через кристалічність, реологію розплаву та властивості плівки аж до спостережуваних комерційних характеристик кінцевого продукту.

Лінійні ланцюги HDPE складаються в щільні висококристалічні структури, які забезпечують жорсткість, міцність і бар’єрні характеристики за рахунок оптичної прозорості та міцності розплаву під час обробки. Розгалужена архітектура LDPE порушує кристалічну упаковку, утворюючи м’яшу, прозорішу плівку, яку легше обробляти, з меншою бар’єрною дією та механічною міцністю.

Жоден не є універсальним. Вони служать різним додаткам, оскільки їх молекулярна архітектура відповідає різним функціональним вимогам. Розуміння цього зв’язку - від молекулярної структури до поведінки обробки до продуктивності готової плівки - – це те, що відрізняє процесор, який систематично усуває проблеми, від того, хто регулює параметри методом проб і помилок.