1. 導入
ポリエチレン (PE) モノマーエチレンの重合によって生成されるポリマーです (CH₂=CH₂).
1930年代に初めて商品化された, PE は現在、分子量によって特性が定義される複数の設計された形態で入手可能です, チェーンアーキテクチャ (分岐する), そして処理 (架橋を含む).
PE の化学的不活性の組み合わせ, 処理可能性, 低コストと、柔軟なフィルムから超強靭な固体に至るまでの機械的挙動の範囲が、パッケージング全体にわたる普及性を説明しています。, 工事, 輸送, 消費者, 医療および産業分野.
2. ポリエチレンとは (PE)?
ポリエチレン (PE) エチレンを重合することによって生成される半結晶性熱可塑性プラスチックの一種です (CH₂=CH₂).
低コストを兼ね備えているため、世界で最も広く使用されているプラスチックです。, 化学的不活性, 広い処理ウィンドウと、ソフトから調整可能な機械的動作の範囲, 柔軟なフィルムから非常に丈夫なフィルムまで, 耐摩耗性固体.
主要なプロパティ
- 耐薬品性: ほとんどの酸に対して優れています, アルカリ, 溶剤と燃料.
- 機械: 広範囲 —LDPE はソフトで拡張可能です; HDPEは硬くて強いです; UHMWPEは、高い強度と優れた衝撃靭性を兼ね備えています.
- サーマル: 融点はグレードに応じて通常約 105 ～ 135 °C; エンジニアリングプラスチックと比較して使用温度は一般に制限されています.
- 水分: 本質的に非吸湿性 (ごくわずかな水分摂取).
- 着る & 摩擦: UHMWPEは優れた低摩擦性と耐摩耗性を備えています.
3. 市販のPEグレードとその違い
PEは通常次のように分類されます。:
- LDPE (低密度ポリエチレン): 密度 ~0.910 ～ 0.925 g/cm3; フレキシブル, 良い透明度 (映画), 低い引張強さ. スクイズボトル共通, 映画, ケーブルジャケット.
- LLDPE (直鎖状低密度ポリエチレン): 密度はLDPEと同等; 短鎖分岐によるフィルムの優れた引張強度と耐突き刺し性. ストレッチフィルムや共押出構造に広く使用されています.
- MDPE (中密度PE): 密度 ~0.926 ～ 0.940 g/cm3; ガス管や一部のブロー成形品に使用.
- HDPE (高密度ポリエチレン): 密度 ~0.940 ～ 0.970 g/cm3; 硬い, 良好な耐薬品性, パイプに使用される, コンテナ, 回転成形部品.
- UHMWPE (超高分子量PE): 通常、Mw >3×10⁶ g/mol; 優れた耐摩耗性, 非常に低い摩擦; ライナーに使用される, ベアリング, スライドアプリケーションと一部の医療用インプラント.
- XLPE (架橋PE): 温度を向上させるために化学的または放射線架橋されたPE, クリープ耐性と耐薬品性; 高温の配管やケーブルの絶縁に使用されます。.
- メタロセン触媒PE (mPE / mLLDPE): より緊密な分子量分布と改善された機械的特性制御 - 高透明度のフィルムと調整された機械的挙動を可能にします.
各グレードはMwを調整することにより、加工性と塗布性能を最適化します。, コモノマー含有量と触媒.
4. 典型的な物理的および機械的特性
以下の表に代表的なものを示します, 一般的な PE グレードの一般的な範囲. 設計上重要な値についてはメーカーのデータシートを使用してください.
| 財産 | LDPE | LLDPE | MDPE | HDPE | UHMWPE |
| 密度 (g・cm⁻³) | 0.910–0.925 | 0.915–0.930 | 0.926–0.940 | 0.940–0.970 | 0.930–0.940 |
| 抗張力 (MPA) | 8–15 | 12–20 | 14–25 | 20–37 | 30–45 |
| 破断伸び (%) | 200–800 | 200–600 | 200–400 | 100–600 | 100–400 |
| ヤング率 (GPA) | 0.2–0.4 | 0.3–0.6 | 0.6–0.9 | 0.8–1.5 | 0.8–1.5 |
| 融点 (°C) | 105–115 | 105–120 | 120–130 | 125–135 | 130–138 |
| ノッチ付きアイゾット (Kj はマットを示します) | 30–100 (厳しい) | 30–100 | 20–60 | 10–40 | 50–200 (とても厳しい) |
| 耐摩耗性 | 低い | 適度 | 適度 | 良い | 素晴らしい |
| 連続使用温度 (°C) | ~65–80 | ~65–80 | ～80～90 | ～80～110 | ～80～120 |
| 耐薬品性 | 素晴らしい | 素晴らしい | 素晴らしい | 素晴らしい | 素晴らしい |
| 吸水性 | 無視できます | 無視できます | 無視できます | 無視できます | 無視できます |
5. 加工方法と製造上の注意点
PE はほぼすべての熱可塑性樹脂技術で加工されます:
- 押し出し — パイプ, シート, 膜, プロファイル. パイプおよびライナー内の HDPE および UHMW は押出成形またはラム押出成形されます。.
- ブロー成形 — ボトルと容器 (HDPE, LDPE).
- 射出成形 — フィッティング, ハウジングとコンポーネント (HDPE, LDPE バリアント).
- 回転 (回転成形) — 大きな中空部品 (タンク, カヤック).
- 映画のキャスティング / 吹き飛ばされたフィルム — 包装用フィルム (LDPE, LLDPE, mLLDPE).
- 圧縮焼結 / ラム押出 / 圧縮成形 — UHMWPE は Mw が非常に高いため、この方法で処理されることがよくあります (従来のメルトフローはありません).
- 架橋方法 - 化学薬品 (過酸化物), シラングラフトまたは電子ビーム / ガンマ線を照射して XLPE を生成し、高温または耐クリープ性を向上させる.
6. グレード別の主な用途
- LDPE / LLDPE: フレキシブルフィルム, ショッピングバッグ, ライナー, フィルム包装, ケーブルの被覆, 農業映画.
- HDPE: 水道とガスの配管, ブロー成形容器 (牛乳瓶), ジオメンブレン, 回転成形タンク, 構造コンポーネント.
- MDPE: ガス分配管, ジオメンブレン.
- UHMWPE: ストリップを着用する, シュートとライナー, 滑り軸受, チェーンガイド, 整形外科用インプラント (股関節と膝の成分), バリスティックファイバー (Dyneema® のような UHMWPE 繊維 / スペクトラ®).
- XLPE: 高温パイプ用途 (温水/工業用), ケーブル絶縁体.
7. パフォーマンスの課題と障害モード
化学的には丈夫ですが、, PE には、設計上、既知の障害メカニズムがいくつかあります。:
環境応力亀裂 (ESC)
- 意味: 特定の化学物質または界面活性剤の存在下での応力下での亀裂の形成と伝播.
PE の最も重大な破損モード - 応力レベルが降伏を下回ると、洗剤と接触すると時間の経過とともに亀裂が発生する可能性があります, グリコール, またはいくつかの炭化水素. - 緩和: ESC耐性のある配合を選択する, 残留応力/トラップ応力を軽減する (処理と焼きなましを改善する), 鋭いノッチを避け、持続的な引張応力を軽減します。.
クリープと長期変形
- PE は持続的な負荷の下で顕著なクリープを示します, 特に高温では.
安全率を考慮したクリープ設計; HDPEを使用, 必要に応じてクリープを低減するには、XLPE または UHMW を選択してください.
UV / 酸化分解
- 不安定なPEはUVと酸素の下で分解します: 表面チョーキング, 脆化と機械的特性の損失.
紫外線吸収剤による安定化, カーボンブラックの色素沈着と酸化防止剤は屋外用途では日常的です.
高温下での剛性が低く、寸法限界がある
- PE の弾性率は温度とともに低下します; 使用温度限界に近づいている構造用途の場合は、熱たわみを高めるために剛性または架橋性の高い材料を選択してください。.
融合 / 溶接に関する考慮事項 (配管用)
- HDPE 配管は通常、突合せ融着または電気融着によって接合されます。; 不十分な溶接は接合部の脆弱化や早期故障につながります - 溶接手順とオペレーターの資格が重要です.
8. 環境, リサイクルと持続可能性の側面
- リサイクルバリティ: PEはリサイクル性が高い (機械的リサイクル); HDPE とLDPE は通常、パッケージングや重要ではない製品に再加工されます。. PEにはリサイクルコードが割り当てられています: #2 (HDPE) そして #4 (LDPE).
- 制限: 汚染, 混合ポリマーと添加剤によりリサイクルの流れが複雑になる. UHMWPE および充填グレードは、高価値の製品に再加工するのがより困難です.
- バイオベースのオプション: バイオエタノールからエチレンを製造できる (バイオPE) 化石ベースのPEと同一の特性を備えています.
- 耐用年数の終了: エネルギー回収とケミカルリサイクルを伴う焼却 (解重合) 技術的なオプションです; ライフサイクル分析は適用率と回収率に依存します.
- 環境への懸念: フィルムや磨耗粒子からのマイクロプラスチックの生成 (例えば。, コンベアライナーから) 検討が必要です.
9. 比較分析 — ポリエチレン (PE) vs. その他の一般的な材料
以下の表で比較します PE エンジニアが一般的に部品の代替品として考慮するいくつかの材料, 映画, パイプまたは摩耗部品.
| 財産 / 基準 | PE (LDPE / HDPE) | pp (ポリプロピレン) | PVC (剛性) | POM / 酢酸 | ナイロン (PA6 / PA66) |
| 密度 (g・cm⁻³) | 0.91–0.97 | 0.90–0.91 | 1.34-1.45 | ≈ 1.41 | 1.12–1.15 |
| 抗張力 (MPA) | 8–37 (LD→HD) | 30–40 | 35–60 | 50–75 | 50–90 |
| ヤング率 (GPA) | 0.2–1.5 | 1.0–1.8 | 2.7–3.5 | 2.8–3.5 | 2.5–3.5 |
| 溶融 / 使用可能な温度 (°C) | Tm ~105–135 / ≈ 65–110 を使用 | Tm ~160–170 / ≈ 90 ～ 120 を使用 | Tg/軟化 ~75–80 / ≈ 40 ～ 60 を使用 | Tm ~165–175 / ≈ 80–100 を使用 | Tm ~215–265 / 使用 ≈ 80–120 |
| 耐薬品性 | 素晴らしい (酸, ベース, 多くの溶剤) | とても良い (PEに似ています) | 良い (酸, 塩, 多くの化学物質) | 良い (燃料, オイル) | 良い (炭化水素, オイル) |
| 水分吸収 | 無視できます | 無視できます | 無視できます | 〜0.2–0.3％ | 1–3％ (吸湿性の) |
着る / 摩擦挙動 |
良い (HDPEはLDPEよりも優れています) | 適度 | 適度 | 素晴らしい (低摩擦, 低摩耗) | 良い |
| 寸法安定性 | 適度 (荷重下でのクリープ) | 適度 | 良い | 素晴らしい | 適度 (湿気の影響を受ける) |
| UV抵抗 (不安定な) | 貧しい (安定剤が必要です) | 貧しい | より良い (処方に依存する) | 貧しい | 貧しい |
| 加工性 | 素晴らしい (押し出し, 吹く, 注射, 回転成形) | 素晴らしい | 良い (しかし処理ウィンドウは狭い) | 良い (注射, 機械加工) | 良い (成形前に乾燥が必要) |
| リサイクルバリティ | とても良い (HDPE/LDPE は広くリサイクルされています) | とても良い | 限定 (塩素含有量) | 限定 | 適度 |
| 典型的なアプリケーション | 映画, ボトル, パイプ, タンク, ライナー | 自動車トリム, ヒンジ, コンテナ | パイプ, ウィンドウプロファイル, フィッティング | 精密ギア, ブッシング, バルブ | ギア, ベアリング, ハウジング, チューブ |
10. 結論
ポリエチレンは多用途の熱可塑性プラスチックであり、そのさまざまなグレードが非常に広範囲の機械的挙動および加工挙動をカバーします。.
PEの強みは耐薬品性です, 処理可能性, 低コストで柔軟なフィルムから超強靱な摺動部品まで対応可能.
最も一般的な工学上の落とし穴は環境応力亀裂です。, クリープと UV 劣化 — それぞれグレードの選択によって対処可能, 安定化とデザイン.
ほとんどの工業デザイナーにとって, PE は、仕様とテストを通じてその制限が理解され管理されている場合、経済的かつ堅牢な選択肢であり続けます。.
FAQ
LDPEとHDPEの違いは何ですか?
LDPE はより多くの鎖分岐を持っています, 結晶化度が低く、密度が低い (≈0.91 ～ 0.925 g/cm3) → 柔らかくなる, より柔軟なフィルム.
HDPEは分岐が少ない, より高い結晶性 (≈0.94 ～ 0.97 g/cm3) → より硬い, より強力なパーツとパイプ.
PE が低刺激の化学薬品の下で時々ひび割れするのはなぜですか?
それが環境ストレスクラッキングです (ESC): 特定の界面活性剤や洗剤は、引張応力下でゆっくりとした亀裂の成長を促進します。. ESC耐性グレードを選択し、応力集中を軽減することでリスクを軽減します.
PEは圧力配管に使用できますか?
はい - HDPE と MDPE は飲料水とガスの供給に広く使用されています. 適切な溶融溶接と認定された材料/プロセスが不可欠です.
UHMWPE を選択すべき場合?
耐摩耗性が非常に高い場合は、UHMWPE を選択してください, 低摩擦性と耐衝撃性が要求される (コンベアライナー, パッドを着用します, 滑り軸受, 特定の医療用インプラント).
ポリエチレンはリサイクル可能ですか?
はい: HDPE とLDPE は最もリサイクルされたプラスチックの 1 つです, しかし、汚染や混合ポリマーはリサイクルの品質に影響を与えます.
メカニカルリサイクルと新たなケミカルリサイクルルートの両方を使用.
