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          適合滾塑工藝的塑料原料(上)

           市場上常見的滾塑原料包括以下幾種:

          1. 聚乙烯(PE

          2. 聚丙烯(PP

          3. 尼龍(PA

          4. 聚氯乙烯(PVC

          5. 聚碳酸酯(PC

          6. 其他

          問題來了,上面提到的塑料里面,不是所有的都能用于滾塑。滾塑需要專門設計的材料。最基本的要求包括:

          1. 易于磨粉(或易于保持液態)。利用高性能的常溫磨粉機和低溫磨粉機,我們已經可以處理聚乙烯和聚丙烯等常用的滾塑原料,而且成本也在不斷的降低。

          2. 恰當的流動性。以最常用的聚乙烯原料為例,牌號的熔指(MI,或MFI)范圍一般應該介于210(克/10分鐘)之間,優化的熔指范圍是3-6(克/10分鐘)。熔指過低,產品難于成型;熔指過高,產品的物理性能會下降。

          今天先具體講一下聚乙烯原料。

          聚乙烯被廣泛應用于滾塑工藝中,是有原因的:

          第一,聚乙烯的加工窗口寬廣,適用于長時間的高溫環境,這也同時降低了對滾塑機械的要求;

          第二,在室溫下,聚乙烯不會與水、大部分油脂、酸和堿性物質發生反應,適用范圍廣;

          第三,聚乙烯原料成本低廉,易于推廣。
          這就是最初ICI在實驗室意外發現的聚乙烯的結構,也就是我們現在說的低密度聚乙烯(LDPE)。這種聚乙烯完全是由乙烯單體聚合而成的。為了達到反應條件,需要高溫和高壓的環境。所以LDPE也叫高壓聚乙烯。

          這時候,齊格勒和納塔兩個大牛現身了,推出了齊格勒納塔催化劑,簡稱ZN催化劑(鈦系,Ti)。利用這個催化劑,人們可以在更輕松的環境下生產聚乙烯,降低了對高溫、高壓的苛刻要求。所以目前HDPE(高密度聚乙烯)也被稱為低壓聚乙烯(生產中只需要較低的壓力)。在催化劑的作用下,聚乙烯生產出來具有高度的線性結構,因此我們可以統稱LLDPEHDPE為線性聚乙烯,不過后來逐漸被大家用于LLDPE了。

          由于這種聚乙烯分子結構取向性太強,在垂直方向上性能相對太弱。為了改善這種情況,共聚單體被引進了聚乙烯生產之中,以改善聚乙烯的支化程度,常用的共聚單體包括丁烯(C4),己烯(C6)和辛烯(C8)。隨著碳數的增加,聚乙烯分子中的支鏈長度增加,宏觀下很多性能會有明顯的改善,如沖擊強度,韌性,ESCR(抗環境應力性能,這是指塑料產品在長期外力的作用下,會發生破壞的情況)等。另外,隨著共聚單體比例的升高,聚乙烯整體的密度降低。

          另一方面,聚乙烯分子量的分布也會影響其性能。聚乙烯是各種不同長短的分子鏈的混合物。一般來說,分子鏈長度越短,流動性越好,熔指越高;反之則熔指降低。其次,分子量分布越寬,原料越容易加工(因為低分子量的部分可以起到增塑劑的作用),但是產品的性能相對較弱。

          分子量的分布,主要決定因素在于聚乙烯的聚合裝置和使用的催化劑類型。

          另外一個重要的因素是聚乙烯的結晶度。結晶是聚乙烯分子鏈折疊形成層晶進而結晶的過程。形狀為球形,所以也叫球晶。在一定應力下,球晶是有彈性的,受力減小后,可以恢復原狀;但是到了一定的強度,球晶會解體成為纖形,這個過程是不可逆,這個強度也就是屈服強度了。聚乙烯結晶度的不同,會表現為密度的區別:結晶度越高,聚乙烯的密度也越高。同時,熔點、拉伸強度等物理屬性也會提高;同樣,某些屬性也就相應降低了,如ESCR。

          在上面因素的共同作用下,線形聚乙烯表現出兩個關鍵的指標——熔指和密度:

          熔指可以用來評估原料的流動性能。一般情況下,常常使用美國材料試驗協會(ASTM)的 D-1238標準,或國際標準化組織(ISO1133標準,來測定熔指。兩個標準所規定的測試條件有細微的差別,但是一般情況下,可以簡單比較。測試條件是:190度溫度下,在2.16公斤的砝碼壓力下,10分鐘時間內,從一個細管中擠出的原料的重量,單位是克/10分鐘(g/10min)。

          密度是通用的,在ASTM D1505ISO1183條件下測得,單位是克/立方厘米(g/cm^3)。

          同時,這些因素也決定了聚乙烯的其他物理性能,如熔點、拉伸強度、拉伸伸長率、彈性模量等。

          最后,再簡單介紹一下茂金屬聚乙烯。

          20世紀70年代,德國著名化學家Walter Kaminsky開發出來了茂金屬催化劑(MAO)。之前說了,他是有望因此而獲得諾貝爾獎的阿!

          茂金屬其實是一系列具有類似結構的催化劑的統稱。不同的石化公司,會根據自己裝置的情況,開發獨有的茂金屬催化劑。

          相比普通ZN催化劑生產的聚乙烯原料,茂金屬聚乙烯有以下特點:

          1. 共聚單體:普遍使用C6C8作為共聚單體,并且共聚單體在分子中的分布非常均勻,類似于定制產品!

          2. 分子量分布:更窄,即分子鏈的長短很均勻,這樣生產出來的塑料制品均勻性、光澤度、物理性能(如上面表格里面提到的)都有相當明顯的改善,如此可以提高產品的強度,或者把產品做的更薄,更節約原料,更環保。

          3. 結晶度:茂金屬聚乙烯的球晶的大小和分布更加均勻,這使得茂金屬聚乙烯能表現出更好的光學性能(如光澤度,透明度等)。

          目前,茂金屬聚乙烯已經在包裝和薄膜領域得到廣泛的使用,僅中國地區,年消費量就已經達到了100萬噸。

          在滾塑應用上,北美市場的茂金屬滾塑原料目前占比較低,但是增長迅速;在歐洲,茂金屬滾塑原料已經成為主流。而在中國,茂金屬聚乙烯在滾塑方面的應用才剛剛起步。但是隨著滾塑行業的快速發展,我們有理由相信,茂金屬聚乙烯將成為高端應用的主流原料選擇。




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