1. Bevezetés
Polietilén (PE) az etilén monomer polimerizációjával előállított polimer (CH2=CH2).
Először az 1930-as években került kereskedelmi forgalomba, A PE ma már többféle megtervezett formában is elérhető, amelyek tulajdonságait a molekulatömeg határozza meg, lánc architektúra (elágazó), és feldolgozás (beleértve a térhálósítást is).
A PE kémiai tehetetlenségének kombinációja, Feldolgozhatóság, Az alacsony költség és a mechanikai viselkedések széles skálája – a rugalmas fóliáktól az ultra kemény szilárd anyagokig – megmagyarázza a csomagoláson belüli mindenütt előfordulását, építés, szállítás, fogyasztó, orvosi és ipari ágazatokban.
2. Mi az a polietilén (PE)?
Polietilén (PE) etilén polimerizálásával előállított félkristályos hőre lágyuló műanyagok családja (CH2=CH2).
Ez a világ legszélesebb körben használt műanyaga alacsony költségének kombinációja miatt, kémiai tehetetlenség, széles feldolgozási ablak és a mechanikai viselkedés hangolható tartománya – a lágytól kezdve, rugalmas fóliák nagyon kemények, kopásálló szilárd anyagok.
Kulcstulajdonságok
- Kémiai ellenállás: kiváló a legtöbb savhoz, lúg, oldószerek és üzemanyagok.
- Mechanikai: széles választék – az LDPE puha és nyújtható; A HDPE merev és erős; Az UHMWPE ötvözi a nagy szilárdságot a kivételes ütésállósággal.
- Termikus: olvadáspontja jellemzően ~105-135 °C, minőségtől függően; az üzemi hőmérséklet általában korlátozott a műszaki műanyagokhoz képest.
- Nedvesség: lényegében nem higroszkópos (elhanyagolható vízfelvétel).
- Viselet & súrlódás: Az UHMWPE kiemelkedően alacsony súrlódási és kopásállósággal rendelkezik.
3. Kereskedelmi PE fokozatok és mitől különböznek
A PE-t általában a következő kategóriákba sorolják:
- LDPE (Alacsony sűrűségű polietilén): sűrűsége ~0,910-0,925 g/cm³; rugalmas, jó tisztaság (filmek), alacsony szakítószilárdság. Gyakori a kinyomható palackoknál, filmek, kábelköpenyek.
- LLDPE (Lineáris, kis sűrűségű polietilén): sűrűsége hasonló az LDPE-hez; kiváló szakítószilárdság és átszúrásállóság a fóliákban a rövid láncú elágazásnak köszönhetően. Széles körben használják stretch fóliákhoz és koextrudált szerkezetekhez.
- MDPE (Közepes sűrűségű PE): sűrűsége ~0,926-0,940 g/cm³; gázcsövekhez és egyes fúvóformákhoz használják.
- HDPE (Nagy sűrűségű polietilén): sűrűsége ~0,940-0,970 g/cm³; merev, jó vegyszerállóság, csőhöz használják, konténerek, forgóformázó alkatrészek.
- UHMWPE (Ultra-nagy molekulasúlyú PE): Mw jellemzően >3× 106 g/mol; kiemelkedő kopásállóság, nagyon alacsony súrlódás; bélésekhez használják, csapágyak, csúszó alkalmazások és néhány orvosi implantátum.
- XLPE (Térhálósított PE): PE kémiailag vagy sugárzással térhálósítva a hőmérséklet javítása érdekében, kúszás és vegyszerállóság; magas hőmérsékletű csövek és kábelek szigetelésére használják.
- Metallocén katalizált PE (mPE / mLLDPE): szorosabb molekulatömeg-eloszlás és továbbfejlesztett mechanikai tulajdonság-szabályozás – nagy tisztaságú filmeket és személyre szabott mechanikai viselkedést tesz lehetővé.
Minden minőséget a feldolgozhatóság és az alkalmazási teljesítmény szempontjából optimalizáltak az Mw beállításával, komonomer tartalom és katalizátorok.
4. Jellemző fizikai és mechanikai tulajdonságok
Az alábbi táblázat reprezentatív, tipikus tartományok az általános PE-minőségekhez. A tervezési szempontból kritikus értékekhez használja a gyártó adatlapjait.
| Ingatlan | LDPE | LLDPE | MDPE | HDPE | UHMWPE |
| Sűrűség (g · cm⁻³) | 0.910–0,925 | 0.915–0,930 | 0.926–0,940 | 0.940–0,970 | 0.930–0,940 |
| Szakítószilárdság (MPA) | 8–15 | 12–20 | 14–25 | 20–37 | 30–45 |
| Szakadási nyúlás (%) | 200–800 | 200–600 | 200–400 | 100–600 | 100–400 |
| Young-modulus (GPA) | 0.2–0.4 | 0.3–0.6 | 0.6–0.9 | 0.8–1.5 | 0.8–1.5 |
| Olvadáspont (° C) | 105–115 | 105–120 | 120–130 | 125–135 | 130–138 |
| Bevágott Izod (Kj mutat mat) | 30–100 (kemény) | 30–100 | 20–60 | 10–40 | 50–200 (nagyon kemény) |
| Kopásállóság | Alacsony | Mérsékelt | Mérsékelt | Jó | Kiváló |
| Folyamatos üzemi hőm (° C) | ~65-80 | ~65-80 | ~80-90 | ~80-110 | ~80-120 |
| Kémiai ellenállás | Kiváló | Kiváló | Kiváló | Kiváló | Kiváló |
| Vízfelvétel | Elhanyagolható | Elhanyagolható | Elhanyagolható | Elhanyagolható | Elhanyagolható |
5. Feldolgozási módszerek és gyártási szempontok
A PE-t szinte minden hőre lágyuló technikával feldolgozzák:
- Ürítés — csövek, ágynemű, film, profilok. A csövekben és bélésekben lévő HDPE és UHMW extrudált vagy extrudált.
- Fúvásos formázás — palackok és tartályok (HDPE, LDPE).
- Fröccsöntés — szerelvények, házak és alkatrészek (HDPE, LDPE változatok).
- Forgó (forgóformázás) — nagy üreges részek (tartályok, kajak).
- Film casting / fújt film — csomagolófóliák (LDPE, LLDPE, mLLDPE).
- Kompressziós szinterezés / kos extrudálás / kompressziós öntvény — Az UHMWPE-t gyakran így dolgozták fel a rendkívül magas Mw miatt (nincs hagyományos olvadékáramlás).
- Térhálósítási módszerek - vegyszer (peroxidok), szilán oltás vagy elektronsugár / gamma-sugárzás XLPE előállításához a magasabb hőmérséklet vagy a jobb kúszásállóság érdekében.
6. Főbb alkalmazások évfolyamonként
- LDPE / LLDPE: rugalmas fólia, bevásárló szatyrok, bélés, fólia csomagolás, kábelköpeny, mezőgazdasági filmek.
- HDPE: víz- és gázelosztó csövek, fúvással öntött tartályok (tejesüvegek), geomembránok, forgóformázott tartályok, szerkezeti alkatrészek.
- MDPE: gázelosztó cső, geomembránok.
- UHMWPE: viseljen csíkokat, csúszdák és bélések, csúszócsapágyak, láncvezetők, ortopéd implantátumok (csípő- és térd alkatrészek), ballisztikus szálak (UHMWPE szálak, mint a Dyneema® / Spectra®).
- XLPE: magas hőmérsékletű csőalkalmazások (melegvíz/ipari), kábel szigetelés.
7. Teljesítménykihívások és hibamódok
Bár kémiailag robusztus, A PE számos ismert meghibásodási mechanizmussal rendelkezik, amelyek ellen tervezni lehet:
Környezeti feszültségrepedés (ESC)
- Meghatározás: repedések kialakulása és terjedése feszültség alatt meghatározott vegyszerek vagy felületaktív anyagok jelenlétében.
A PE legkritikusabb meghibásodási módja – a hozam alatti feszültségszintek idővel repedést okozhatnak a mosószerekkel való érintkezéskor, glikol, vagy néhány szénhidrogén. - Enyhítés: válasszon ESC-álló készítményeket, csökkenti a maradék/csapdás stresszt (a feldolgozás és a lágyítás javítása), kerülje az éles bevágásokat és csökkentse a tartós húzófeszültséget.
Kúszás és hosszú távú deformáció
- A PE jelentős kúszást mutat tartós terhelés mellett, különösen magas hőmérsékleten.
Kialakítás kúszásra biztonsági tényezőkkel; használjon HDPE-t, XLPE vagy válassza az UHMW-t a csökkentett kúszáshoz, ahol szükséges.
UV / oxidatív lebomlás
- A nem stabilizált PE UV és oxigén hatására lebomlik: felszíni krétásodás, ridegség és a mechanikai tulajdonságok elvesztése.
Stabilizálás UV-elnyelőkkel, A korom pigmentáció és az antioxidánsok rutinszerűek a kültéri alkalmazásokhoz.
Alacsony merevség magas hőmérsékleten és mérethatárokon
- A PE modulusa a hőmérséklettel csökken; Az üzemi hőmérsékleti határokat megközelítő szerkezeti alkalmazásokhoz válasszon nagyobb merevségű vagy térhálós anyagokat a hőelhajlás növelése érdekében.
Fúzió / hegesztési szempontok (csővezetékekhez)
- A HDPE csöveket általában tompafúzióval vagy elektrofúzióval kötik össze; a rossz hegesztés gyenge kötésekhez és idő előtti meghibásodáshoz vezet – a hegesztési eljárások és a kezelő képesítése kritikus.
8. Környezeti, újrahasznosítási és fenntarthatósági szempontok
- Újrahasznosítás: A PE nagymértékben újrahasznosítható (mechanikai újrahasznosítás); A HDPE-t és az LDPE-t általában újra feldolgozzák csomagolássá és nem kritikus termékekké. A PE-hez újrahasznosítási kódok vannak hozzárendelve: #2 (HDPE) és #4 (LDPE).
- Korlátozások: szennyeződés, a kevert polimerek és adalékanyagok megnehezítik az újrahasznosítási folyamatokat. Az UHMWPE és a töltött minőségeket nehezebb újra feldolgozni nagy értékű termékekké.
- Bioalapú lehetőségek: etilén bioetanolból állítható elő (bio-PE) a fosszilis alapú PE-vel azonos tulajdonságokkal.
- Az élet vége: égetés energia-visszanyeréssel és vegyi újrahasznosítással (depolimerizáció) technikai lehetőségek vannak; Az életciklus-elemzés az alkalmazási és hasznosítási aránytól függ.
- Környezetvédelmi aggályok: mikroműanyagok előállítása filmekből és kopó részecskékből (PÉLDÁUL., szállítószalagok béléseiből) mérlegelést igényel.
9. Összehasonlító elemzés – Polietilén (PE) VS. egyéb gyakori anyagok
Az alábbi táblázat összehasonlítja PE Többféle anyaggal a mérnökök általában alternatívaként tekintenek az alkatrészekre, filmek, csövek vagy kopó alkatrészek.
| Ingatlan / Kritérium | PE (LDPE / HDPE) | PP (Polipropilén) | PVC (Merev) | Poom / Acetális | Nejlon (PA6 / PA66) |
| Sűrűség (g · cm⁻³) | 0.91–0,97 | 0.90–0,91 | 1.34–1.45 | ≈ 1.41 | 1.12–1.15 |
| Szakítószilárdság (MPA) | 8–37 (LD→HD) | 30–40 | 35–60 | 50–75 | 50–90 |
| Young-modulus (GPA) | 0.2–1.5 | 1.0–1.8 | 2.7–3.5 | 2.8–3.5 | 2.5–3.5 |
| Olvasztó / használható hőm (° C) | Tm ~105-135 / használja ≈ 65–110 | Tm ~160-170 / használata ≈ 90–120 | Tg/lágyítás ~75-80 / használat ≈ 40–60 | Tm ~165-175 / használata ≈ 80–100 | Tm ~215-265 / használata ≈ 80–120 |
| Kémiai ellenállás | Kiváló (savak, bázisok, sok oldószer) | Nagyon jó (hasonló a PE-hez) | Jó (savak, sók, sok vegyszer) | Jó (üzemanyagok, olajok) | Jó (szénhidrogének, olajok) |
| Nedvesség felszívódás | Elhanyagolható | Elhanyagolható | Elhanyagolható | ~ 0,2–0,3% | 1–3% (nedvszívó) |
Viselet / súrlódási viselkedés |
Jó (A HDPE jobb, mint az LDPE) | Mérsékelt | Mérsékelt | Kiváló (alacsony súrlódás, alacsony kopás) | Jó |
| Dimenziós stabilitás | Mérsékelt (terhelés alatt kúszik) | Mérsékelt | Jó | Kiváló | Mérsékelt (nedvesség hatására) |
| UV -ellenállás (nem stabilizálódott) | Szegény (stabilizátorokra van szüksége) | Szegény | Jobb (összetétel függő) | Szegény | Szegény |
| Feldolgozhatóság | Kiváló (ürítés, fúj, injekció, forgóformázás) | Kiváló | Jó (de szűk feldolgozási ablak) | Jó (injekció, megmunkálás) | Jó (szárítást igényel formázás előtt) |
| Újrahasznosítás | Nagyon jó (A HDPE/LDPE széles körben újrahasznosított) | Nagyon jó | Korlátozott (klórtartalom) | Korlátozott | Mérsékelt |
| Tipikus alkalmazások | Filmek, palackok, csövek, tartályok, bélés | Autóipari burkolat, zsanérok, konténerek | Csövek, ablakprofilok, szerelvények | Precíziós fogaskerekek, perselyek, szelepek | Fogaskerék, csapágyak, házak, csövek |
10. Következtetések
A polietilén egy sokoldalú hőre lágyuló műanyag család, amelynek különböző minőségei a mechanikai és feldolgozási viselkedések nagyon széles körét fedik le..
A PE erőssége a vegyszerállóság, Feldolgozhatóság, alacsony költség és a képességek a rugalmas fóliáktól az ultra kemény csúszó alkatrészekig terjednek.
A leggyakoribb mérnöki buktatók a környezeti feszültségrepedés, kúszás és UV-degradáció – mindegyik a minőség kiválasztásával kezelhető, stabilizálás és tervezés.
A legtöbb ipari formatervező számára, A PE továbbra is gazdaságos és robusztus választás, ha korlátait megértik és specifikációval és teszteléssel kezelik.
GYIK
Mi a különbség az LDPE és a HDPE között??
Az LDPE több láncelágazással rendelkezik, alacsonyabb kristályosság és kisebb sűrűség (≈0,91–0,925 g/cm³) → lágyabb, rugalmasabb fóliák.
A HDPE-nek kevés az elágazása, magasabb kristályosság (≈0,94–0,97 g/cm³) → merevebb, erősebb alkatrészek és cső.
Miért reped meg a PE néha enyhe vegyszerek hatására??
Ez a környezeti stresszrepedés (ESC): bizonyos felületaktív anyagok és detergensek elősegítik a lassú repedésnövekedést húzófeszültség alatt. Az ESC-rezisztens minőségek kiválasztása és a stresszkoncentráció csökkentése csökkenti a kockázatot.
Használható a PE nyomócsövekhez?
Igen – A HDPE-t és az MDPE-t széles körben használják ivóvíz- és gázelosztásra. A megfelelő fúziós hegesztés és a minősített anyagok/eljárások elengedhetetlenek.
Mikor válasszam az UHMWPE-t??
Nagyon magas kopásállóság esetén válassza az UHMWPE-t, alacsony súrlódás és ütésállóság szükséges (szállítószalagok, viseljen párnákat, csúszócsapágyak, bizonyos orvosi implantátumok).
A polietilén újrahasznosítható?
Igen: A HDPE és az LDPE a leginkább újrahasznosított műanyagok közé tartozik, de a szennyeződés és a kevert polimerek befolyásolják az újrahasznosítás minőségét.
A mechanikai újrahasznosítás és a kialakulóban lévő kémiai újrahasznosítási módok egyaránt használatosak.
