您每天都使用它。但什么是聚乙烯塑料？
这种无处不在的现代材料上的 101
聚乙烯是迄今为止最常见的消费塑料类型，用于许多日常材料。它是一种热塑性产品，这意味着它可以熔化成液体，然后多次冷却成固体。不同的加工条件会产生不同等级的聚乙烯，它们可用于非常不同的目的——从一端的柔性保鲜膜到另一端的硬柱柱覆盖。
聚乙烯最吸引人的特性之一是它的耐用性。它耐褪色和碎裂，同时也不受许多化学物质的影响，例如酸和腐蚀性溶液。聚乙烯是一种极好的电绝缘体。它在极冷的条件下仍能保持其性能，但在高温下会熔化。
聚乙烯塑料：碳氢分子
分子结构和一般性质
聚乙烯由烃链组成，最基本的成分是乙烯分子，由 2 个碳原子和 4 个氢原子组成。当乙烯分子以直链或支链结合在一起时，就形成了聚乙烯。这个过程包括分裂 2 个碳原子之间的双键并产生一个自由基以连接到下一个乙烯分子。大分子不是共价连接，而是通过分子间作用力以晶体结构结合在一起。侧支链数越少，结晶度越低，因此密度越高，这可以从不同类型聚乙烯的不同性能中观察到。
聚乙烯具有耐候性，但长时间暴露在阳光下会变脆。这种限制可以通过添加紫外线稳定剂来克服。它可以被点燃，并在用黄色尖蓝色火焰移开点火源后继续燃烧，这会导致塑料滴落。聚乙烯的表面特性可防止它在未经预处理的情况下粘在一起或压印。聚乙烯可以是透明的、乳白色的或不透明的，这取决于材料的等级、产品的厚度和添加剂的存在。
聚乙烯的分类
低密度聚乙烯 (LDPE) 由聚合物链中的长支链和短支链组成。这些分支的存在使链条不会过于紧密地包装在一起，从而使 LDPE 具有灵活性，使其适用于塑料袋、电线绝缘和保鲜膜等应用。 LDPE 对大多数化学品具有高度耐受性，包括酸、碱、醇、醛、酮和植物油。它的吸水率也很低。
线性低密度聚乙烯 (LLDPE) 类似于 LDPE，但主要由具有许多短侧支链的线性链组成。它通常使用乙烯与 1-丁烯、1-己烯和 1-辛烯等 α-烯烃的共聚来生产。可以通过调整组成配方来控制成品的特性。
高密度聚乙烯 (HDPE) 主要由通过分子间力结合在一起的直链分子组成。没有侧枝可确保链条紧密压在一起。这种高密度使产品具有中等硬度，使其适用于切菜板、果汁容器、塑料木材和玩具等应用。 HDPE 具有良好的耐化学性，并且在非常低的温度（-76 华氏度）下仍保持坚韧。表面蜡质，耐候性好。
超高分子量聚乙烯 (UWMPE) 具有极长的链条，可纺成抗拉强度高于钢的线。长直链之间的分子间力的强度产生了具有非常高的冲击强度的坚固材料。它用于防弹背心等应用。与其他聚乙烯类型一样，UHMWPE 对大多数化学品具有耐受性，但氧化性酸除外。它还具有低吸湿性，但其自润滑特性使其具有很高的耐磨性。
美国测试与测量协会 (ASTM) 确定各种等级聚乙烯的规格，包括各种应用的规格。不同等级聚乙烯的主要性能见下表：
低密度聚乙烯
高密度聚乙烯
超高分子量聚乙烯
密度 (lb/in3)
.035
.035
.034
吸水率，24 小时 (%)
<0.01
0
0
抗拉强度
1,800 – 2,200
4,600
3,100
缺口冲击强度
没有休息
3
没有休息
线性热膨胀系数 (x10^-5 in/in/deg F)
3
3
3
最高持续使用温度 (def F)
160
180
180
大约。熔化温度（华氏度）
230
260
280
介电强度 (V/mil) 短时间，1/8″ 厚
460-700
450-500
900
低密度聚乙烯
密度 (lb/in3)
.035
吸水率，24 小时 (%)
<0.01
抗拉强度
1,800 – 2,200
缺口冲击强度
没有休息
线性热膨胀系数 (x10^-5 in/in/deg F)
3
最高持续使用温度 (def F)
160
大约。熔化温度（华氏度）
230
介电强度 (V/mil) 短时间，1/8″ 厚
460-700
高密度聚乙烯
密度 (lb/in3)
.035
吸水率，24 小时 (%)
0
抗拉强度
4,600
缺口冲击强度
3
线性热膨胀系数 (x10^-5 in/in/deg F)
3
最高持续使用温度 (def F)
180
大约。熔化温度（华氏度）
260
介电强度 (V/mil) 短时间，1/8″ 厚
450-500
超高分子量聚乙烯
密度 (lb/in3)
.034
吸水率，24 小时 (%)
0
抗拉强度
3,100
缺口冲击强度
没有休息
线性热膨胀系数 (x10^-5 in/in/deg F)
3
最高持续使用温度 (def F)
180
大约。熔化温度（华氏度）
280
介电强度 (V/mil) 短时间，1/8″ 厚
900
聚乙烯塑料是如何制成的？
聚乙烯的基本结构单元是乙烯分子，由 2 个碳原子和 4 个氢原子组成。乙烯存在于天然气中，也在原油精炼过程中产生。石油精炼第一阶段的产品之一是石脑油，它通过催化裂化装置加工以生产更高辛烷值的材料。这种裂解过程还产生乙烯，乙烯与其他产品分离，用于进一步加工成聚乙烯。乙烯是一种气体。
聚乙烯根据生产的产品等级不同有不同的加工方法。
LDPE 是通过将乙烯气体压缩到 50,000 psi 的压力制成的，然后将其冷却并送入反应器。将引发剂添加到反应器中，引发聚合反应。反应器中材料的持续搅拌确保了最大的转化率。反应后，未使用的乙烯从产品中分离出来并循环回压缩机。聚合物被挤出，切成颗粒，并在进入储存筒仓之前进行干燥。颗粒通常被装袋发送给客户，在那里它们将被熔化并加工成最终的消费品。
HDPE 是在催化过程中制造的，这使得聚乙烯的制造过程能够在较低的温度和压力下进行。 Ziegler-Natta 和铬催化剂是早期使用的催化剂，但不断开发更新类型的催化剂以改进生产工艺和产品特性。有些工艺甚至将不同类型的聚乙烯混合成一批，从而模糊了不同产品等级之间的界限。
LLDPE 也是在催化过程中生产的，其中添加了 α 烯烃（丁烷、己烷）等共聚物。 LLDPE的分子结构为长链多短支链。
UHMWPE 使用茂金属催化剂生产，产生极长的烃链（超过 100,000 个单体成分分子）。称为凝胶纺丝的二次工艺采用加热的 UHMWPE 凝胶并通过喷丝板挤出。产品在水浴中冷却。这种纺丝工艺产生的纤维具有高度的分子取向（95%），这使其具有极高的抗拉强度。
使用聚乙烯进行塑料成型
聚乙烯以颗粒形式出厂，并根据其规格进行分级。客户在自己的制造过程中使用这些颗粒作为原材料，包括通过加热和加压将它们熔化，然后将液态塑料模制成最终形式。根据原材料等级和所需成品类型的不同，聚乙烯的成型方法有多种：
- 注塑成型
注塑成型是用聚乙烯制造成品的两种最常见的方法之一。颗粒被送入加热的圆筒中，旋转的螺旋钻将熔化的塑料通过浇口推入模具中。在 10,000-30,000 psi 的高压下注入固定量的聚乙烯。注射完成后，模具在打开之前冷却并取出成品。这是用于制造水桶和瓶盖等大批量产品的典型工艺。 - 吹塑成型
吹塑用于制造瓶子和注射器等产品，其中产品中有一个空腔。在吹塑过程中，第一阶段包括使用标准注塑模具在芯销周围成型预成型件。预制件冷却后，将其放置在第二个模具的中心。将预成型件重新加热，并通过芯销供应压缩空气，以将熔融塑料吹向最终模具的内壁，从而形成内腔。冷却后，将销移除。 - 压缩成型
压缩成型主要用于热固性塑料，这是一种不能多次加热和再成型的塑料。可以将粉末和其他材料添加到混合物中以产生特殊性能或增强最终产品。在这个过程中，塑料通过加热板成型，加热板对塑料施加压力。此过程中的短周期使其对汽车行业零件等大批量应用具有吸引力。 - 转移成型
转移成型涉及将塑料加热至熔融状态，然后再转移至压缩成型工艺。当有许多小孔或金属嵌件时，熔融塑料更容易在这些孔周围形成，而不会干扰对齐。 - 薄膜嵌件成型
此过程涉及在注射塑料之前将薄膜或织物材料插入注塑模具中，因此薄膜被捕获在成品中。 - 挤压
与注塑成型一起，挤出是将聚乙烯成型为所需形状的最流行方法之一。颗粒通过料斗送入加热室，在该加热室中，螺旋钻推动熔化的塑料前进。在加热室的末端是一个模具，它在塑料进入大气时对其进行成型。此过程用于创建连续的板材、管材、电缆、管道等。成品降落在传送带上，在那里进行空气冷却（有时由鼓风机辅助）。也可以将产品放入水中以加快冷却过程。 - 气体注射成型
在气体注射成型中，标准的注射成型工艺通过一个额外的步骤得到增强。模具填充至所需熔融塑料总量的 70%，然后将气体泵入腔室以将塑料推入模具末端。最终结果是，由于气体的吹制，最终产品的中心是空心的，并且使用的塑料更少。 - 滚塑
将粉状塑料放入空心模具中并固定在旋转轮毂上。轮毂在熔炉内绕 2 个轴旋转，使塑料熔化并覆盖在模具的内壁上。轮毂在冷却循环中继续旋转，这通常涉及向模具外部喷水。最后，取出成品。这种方法的优点是模具简单，不需要压力，并且成品中不需要焊接和连接。 - 结构发泡成型
熔融塑料与压缩气体一起注入蓄能器，在塑料中产生泡沫效果。从蓄能器中，泡沫塑料被注入模具中。从蓄能器到模具的压力下降导致塑料膨胀并填充模具。冷却后表皮光滑，但内芯发泡，使成品具有很高的刚性。 - 热成型
热成型和真空成型是通过将塑料片加热至柔软，然后将其覆盖在模具上来完成的。在某些情况下会施加正气压，而在其他情况下会产生真空以将塑料压在模具上。冷却后成品出料。 - 反应注射成型
反应注射成型是塑料制品成型的新技术。与传统注塑成型相比，塑料与其他成分在更低的温度下混合。模具内部发生放热反应以对塑料加压。由于需要较低的温度和压力，因此降低了生产成本。玻璃纤维也可以添加到混合物中以增加成品的强度。
维护
聚乙烯是一种非常耐用的材料，不易磨损或变弱。但是，持续暴露在阳光下会随着时间的推移导致产品变脆。对于暴露在恶劣环境中的管道或储罐，建议进行一个检查周期，以识别是否存在蜘蛛网或因脆性而产生的裂纹。
聚乙烯产品的使用寿命和耐用性非常好，以至于许多制造商都将其描述为免维护。
应用程序
聚乙烯是消费品中最常见的热塑性塑料，用途广泛。以下是一些比较常见的用途：
- 食品包装材料： 由于聚乙烯对吸水和化学损伤的抵抗力很强，因此它被证明可以安全地用于食品包装应用。
- 医用管： 由于聚乙烯的抗污染性，它缺乏孔隙率，使其成为用于导管和其他医疗产品的理想材料。
- 水桶、瓶子和垃圾箱： 由于塑料的硬度及其在压力下的耐用性，它适用于消费品。
- 防弹背心： UHMWPE 纤维具有很高的拉伸强度，但又非常轻，非常适合安全应用。
- 高强度电缆： 它们重量轻，因此易于安装，但坚固，因此适用于复杂的工业应用。
回收
塑料产品因其对环境的影响而受到很多负面报道，但与大多数潜在污染物一样，导致环境破坏的是人类的行为，而不是产品本身。聚乙烯不可生物降解，因此不适合通过垃圾填埋场处理。
然而，聚乙烯的特性使其非常适合回收利用，因为它可以熔化并重新成型为另一种产品。此外，它对化学污染和液体吸收的抵抗力意味着回收的产品不含很多杂质。有时，在制成消费品的过程中，回收材料和原始材料会混合在一起。回收编号#2 适用于 HDPE，#4 适用于 LDPE；许多回收设施可以处理这两种等级以供重复使用。
随着人们转向可持续的生活方式和回收技术的发展，许多以前被视为对环境有害的材料（例如橡胶）正在以更快的速度被回收。
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来源
- BPF。 “塑料工艺”
- 塑料工业。 “塑料加工方法”
- 聚合物数据库。 “聚烯烃”
- 美国化学理事会。 “塑料产品的生命周期”
- ECI。 “聚乙烯”
- 大不列颠。 “聚乙烯”
金属