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6的第2部分:聚乙烯基础

PE性质可以通过改变分子量或通过改变密度来调节。虽然这增加了属性的可能组合,但还要求材料的规格精确。
#聚烯烃

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分子量和密度的特性为聚乙烯家族提供了非常广泛的性能。分子量是普遍重要的性质。在所有聚合物中,高分子量与性能改善之间的关系已得到很好的确立。

与分子量具有最佳相关性的短期特性是延展性,通常通俗地称为韧性。聚合物的平均分子量越高,其抗冲击性越强。仅参考数据表的特性可能很难确认这种关系,因为冲击性能最常见的是仅在室温和固定速度下使用带缺口的样品进行测量。诸如加工条件和用于生产试样的模具中浇口位置等因素也会影响即使是狭义的一组试验的结果。

但是,更广泛的评估延展性的方法,包括在拉伸试验中测量断裂伸长率和确定性能(称为延展性至脆性转变温度),将证明平均分子量与延展性之间的关系。仔细检查分子量与性能之间的关系,可以发现随着分子量的增加,性能的改善范围也更大。这些包括抗疲劳性和抗环境应力开裂性(ESCR)。

从根本上讲,分子量是构成材料的聚合物链长度的函数。较长的链包含构成该化合物的更多结构单元。随附图 给出组成PE的重复单元的结构 链。这些结构单元的分子量为28 g / mol。为了使材料表现出通常与聚合物相关的特性,链的长度必须达到550-700个重复单元。这就是“n” in the figure 分子量为15,000至20,000 g / mol。

但这是最低要求,并且如果有必要提高性能,则需要更长的链。 PE规模的上限 是一种被称为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的材料。为了使材料符合UHMWPE的标准,平均分子量必须达到最小值300万克/摩尔,每条链中需要超过100,000个重复的乙烯单元。

UHMWPE的性能超出了用低分子量等级可获得的性能。不幸的是,随着分子量的增加,熔体粘度也随之增加。 UHMWPE的熔体粘度是如此之高,以至于加工选择仅限于非常厚的部分的冲压挤压和机加工。对于注塑成型,常规挤出成型和吹塑成型,性能范围高端的材料的平均分子量在1-2百万范围内。

材料供应商提供了适合不同市场的多种等级。在分子量谱的低端是设计用于填充薄壁产品的材料,这些产品必须 仅在短时间内执行。正如我们将在后面看到的那样,所有的商用聚合物都是由链长的混合物组成的,因此,要完全理解特定等级的材料是如何产生的,就需要对该分子量分布进行测量。但是,进行这些测量有些耗时且昂贵,并且需要非常复杂的仪器。因此,工业已经依赖于称为熔体流动速率或熔体指数的性质。这是在精心指定的条件下执行的简单测试,可以提供一定的流速。

随着分子量的增加,熔体粘度也随之增加。

该流动速率应理解为与材料的平均分子量有关。高熔体流动速率反映出较低的平均分子量,而低熔体流动速率与较高的平均分子量相关。在这些条件下测试的UHMWPE完全不流动。但是大多数商业PE 数据表上将提供可测量的熔体流动速率。

大多数PE在190°C的温度下进行测试 C(374 F),恒定负载为2.16 kg(4.76 lb)。在这些条件下测试的用于薄壁注塑产品的高流动性材料的熔体流动速率可能高达200 g / 10 min。必须具有最佳抗冲击性的吹塑瓶材料的熔体流动值小于1 g / 10 min,通常称为分批熔体材料。分子量范围很高但未被归类为UHMWPE的材料在这些条件下不会明显流动,因此使用第二个测试条件,该条件采用相同的温度但负载为10 21.6公斤(47.6磅)。

在较高的负载下,这些高分子量材料将产生可测量的流速。该测试的特定版本称为高负荷熔体指数(HLMI),重要的是要注意如何测量数据表上的数字。许多年前,我的一位同事在遇到一个严重的加工问题时 材料供应商向他运送了HLMI为18 g / 10 min的等级 而不是标准熔体指数18 g / 10 min 他们订购的。指定的材料用于生产相对较大的桶。 HLMI材料几乎没有流过浇道衬套。

在所有其他聚合物中,分子量是我们为了改变性能和可加工性之间的平衡而操纵的特性。通过加入抗冲改性剂可以改善延展性。但是,这些添加剂会降低其他性能特征,例如强度和模量,以及相关的长期性能,例如抗疲劳性。分子量是在没有这些牺牲的情况下提高抗冲击性的一种特性。

在PE中,还有另一个工具可以使我们在不更改成分的情况下更改属性的平衡:密度。

但是在PE中,还有另一个工具可以使我们在不改变成分的情况下更改属性的平衡:密度。密度是聚合物链形状的函数,而不是其长度的函数。高密度聚乙烯由相对线性且几乎没有分支的链组成。这些链条可以紧密堆积在一起,在链条之间产生更强的吸引力,从而产生更大的强度,刚度和耐热性。较低密度的PE等级包含更多的分支。这些分支可能相对较长,也可能较短,具体取决于材料的生产方式。 PE的制造商已经使用我们在本文中提到的不同催化剂对这些参数进行了高度控制。 上个月’s article.

但是,在行业内,有关分子量和密度的关联方式存在很多困惑。分子量是指单个聚合物链的大小,密度是指这些链之间的间隔。因此,这两个属性可以独立变化。几年前,我参加了一个会议,一位演讲者谈论聚乙烯材料时告诉与会者,高分子量PE具有高密度,而低分子量材料具有低密度。

不幸的是,这是错误的。两种等级的材料可以具有相同的平均分子量,但密度不同,而两种等级的材料具有相同的密度可以具有不同的平均分子量。这意味着PE的特性 可以通过改变分子量或改变密度来调节。这增加了属性的可能组合,但同时也要求对材料的规范保持精确。

在我们的下一篇专栏中  我们将集中讨论密度的作用,并举例说明当我们不这样做时可能出现的问题。’t get it right.

关于作者 :麦克 塞普 是一家独立的全球材料和加工顾问,其公司Michael P. 塞普 ,LLC位于亚利桑那州塞多纳,他在塑料行业拥有40多年的经验,并协助客户选择材料, 可制造性,流程优化,故障排除和故障分析。联络电话:(928)203-0408• mike@thematerialanalyst.com.

 

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