1. 介绍
聚乙烯 (PE) 是由单体乙烯聚合产生的聚合物 (CH2=CH2).
于 20 世纪 30 年代首次商业化, PE 现在有多种工程形式，其特性由分子量决定, 链式架构 (分枝), 和加工 (包括交联).
PE 的化学惰性组合, 加工性, 低成本和一系列机械行为（从柔性薄膜到超坚韧固体）解释了它在包装中的普遍性, 建造, 运输, 消费者, 医疗和工业部门.
2. 什么是聚乙烯 (PE)?
聚乙烯 (PE) 是一类通过乙烯聚合生产的半结晶热塑性塑料 (CH2=CH2).
由于其成本低廉，它是世界上使用最广泛的塑料, 化学惰性, 宽加工窗口和可调节的机械行为范围——从软, 柔性薄膜到非常坚韧的薄膜, 耐磨固体.
主要特性
- 耐化学性: 对大多数酸具有优异的性能, 碱, 溶剂和燃料.
- 机械的: 范围广 — LDPE 柔软且具有延展性; HDPE 坚硬且坚固; UHMWPE 结合了高强度和卓越的冲击韧性.
- 热的: 熔点通常约为 105–135 °C，具体取决于等级; 与工程塑料相比，使用温度通常受到限制.
- 水分: 本质上不吸湿 (吸水量可忽略不计).
- 穿 & 摩擦: UHMWPE 具有出色的低摩擦和耐磨性能.
3. 商业 PE 牌号及其不同之处
PE通常分为以下几类:
- 低密度聚乙烯 (低密度聚乙烯): 密度 ~0.910–0.925 g/cm3; 灵活的, 清晰度好 (电影), 抗拉强度低. 常见于挤压瓶, 电影, 电缆护套.
- 线性低密度聚乙烯 (线性低密度聚乙烯): 密度与LDPE相似; 由于短链支化，薄膜具有优异的拉伸强度和抗穿刺性. 广泛用于拉伸膜和共挤结构.
- 中密度聚乙烯 (中密度PE): 密度 ~0.926–0.940 克/立方厘米; 用于煤气管和一些吹塑成型.
- 高密度聚乙烯 (高密度聚乙烯): 密度 ~0.940–0.970 克/立方厘米; 僵硬的, 良好的耐化学性, 用于管道, 容器, 滚塑零件.
- 超高分子量聚乙烯 (超高分子量PE): 典型分子量 >3×10⁶克/摩尔; 出色的耐磨性, 摩擦力极低; 用于衬里, 轴承, 滑动应用和一些医疗植入物.
- 交联聚乙烯 (交联聚乙烯): PE 化学或辐射交联以提高温度, 抗蠕变性和耐化学性; 用于高温管道和电缆绝缘.
- 茂金属催化聚乙烯 (聚乙烯醇 / 毫升低密度聚乙烯): 更严格的分子量分布和改进的机械性能控制 - 实现高透明度薄膜和定制的机械行为.
通过调整 Mw 来优化每个牌号的加工性能和应用性能, 共聚单体含量和催化剂.
4. 典型物理和机械性能
下表给出了代表性的, 常见 PE 牌号的典型范围. 使用制造商数据表获取设计关键值.
| 性能特性 | 低密度聚乙烯 | 线性低密度聚乙烯 | 中密度聚乙烯 | 高密度聚乙烯 | 超高分子量聚乙烯 |
| 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 |
| 抗拉强度 (MPA) | 8–15 | 12–20 | 14–25 | 20–37 | 30–45 |
| 休息时伸长 (%) | 200–800 | 200–600 | 200–400 | 100–600 | 100–400 |
| 杨氏模量 (GPA) | 0.2–0.4 | 0.3–0.6 | 0.6–0.9 | 0.8–1.5 | 0.8–1.5 |
| 熔点 (°C) | 105–115 | 105–120 | 120–130 | 125–135 | 130–138 |
| 缺口伊佐德 (Kj显示垫) | 30–100 (艰难的) | 30–100 | 20–60 | 10–40 | 50–200 (非常艰难) |
| 戴阻力 | 低的 | 一般 | 一般 | 良好 | 出色的 |
| 连续使用温度 (°C) | 〜65–80 | 〜65–80 | 〜80–90 | 〜80–110 | 〜80–120 |
| 耐化学性 | 出色的 | 出色的 | 出色的 | 出色的 | 出色的 |
| 吸水率 | 微不足道 | 微不足道 | 微不足道 | 微不足道 | 微不足道 |
5. 加工方法和制造注意事项
PE 几乎可以通过所有热塑性技术进行加工:
- 挤压 — 管道, 床单, 电影, 概况. 管道和衬里中的 HDPE 和 UHMW 是挤压或冲压挤压的.
- 吹塑成型 — 瓶子和容器 (高密度聚乙烯, 低密度聚乙烯).
- 注入成型 — 配件, 外壳和组件 (高密度聚乙烯, 低密度聚乙烯变种).
- 旋转式 (滚塑) — 大型空心零件 (坦克, 皮划艇).
- 电影铸造 / 吹膜 — 包装薄膜 (低密度聚乙烯, 线性低密度聚乙烯, 毫升低密度聚乙烯).
- 压缩烧结 / 冲压挤压 / 压缩成型 — 由于分子量极高，UHMWPE 经常以这种方式加工 (无传统熔体流动).
- 交联方法 — 化学 (过氧化物), 硅烷接枝或电子束 / 伽马辐射生产 XLPE 以提高温度或提高抗蠕变性.
6. 按年级划分的主要申请
- 低密度聚乙烯 / 线性低密度聚乙烯: 柔性薄膜, 购物袋, 衬里, 薄膜包装, 电缆护套, 农用薄膜.
- 高密度聚乙烯: 水和煤气分配管道, 吹塑容器 (牛奶瓶), 土工膜, 滚塑罐, 结构成分.
- 中密度聚乙烯: 燃气分配管, 土工膜.
- 超高分子量聚乙烯: 耐磨条, 溜槽和衬里, 滑动轴承, 链条导板, 骨科植入物 (臀部和膝盖成分), 弹道纤维 (UHMWPE 纤维，如 Dyneema® / 光谱®).
- 交联聚乙烯: 高温管道应用 (热水/工业), 电缆绝缘层.
7. 性能挑战和故障模式
尽管化学性质稳定, PE 有几种已知的故障机制可供设计:
环境应力开裂 (ESC键)
- 定义: 在特定化学品或表面活性剂存在的情况下，在应力作用下裂纹的形成和扩展.
PE 最关键的失效模式 - 低于屈服强度的应力水平会随着时间的推移与清洁剂接触而导致开裂, 乙二醇, 或一些碳氢化合物. - 减轻: 选择抗ESC配方, 减少残余/束缚应力 (改进加工和退火), 避免尖锐凹口并减少持续拉伸应力.
蠕变和长期变形
- PE 在持续负载下表现出显着的蠕变, 尤其是在高温下.
具有安全系数的蠕变设计; 使用高密度聚乙烯, XLPE 或选择 UHMW 在需要时减少蠕变.
紫外线 / 氧化降解
- 不稳定的 PE 在紫外线和氧气下会降解: 表面粉化, 脆化和机械性能损失.
用紫外线吸收剂稳定, 炭黑色素沉着和抗氧化剂是户外应用的常规.
高温和尺寸限制下的低刚度
- PE的模量随温度下降; 对于接近使用温度限制的结构应用，选择具有更高刚度或交联的材料以提高热变形.
融合 / 焊接注意事项 (用于管道)
- HDPE 管道通常通过对接熔接或电熔连接; 焊接不良会导致接头薄弱和过早失效——焊接程序和操作员资格至关重要.
8. 环境的, 回收和可持续性方面
- 回收: PE高度可回收 (机械回收); HDPE 和 LDPE 通常被再加工成包装和非关键产品. PE 被指定回收代码: #2 (高密度聚乙烯) 和 #4 (低密度聚乙烯).
- 限制: 污染, 混合聚合物和添加剂使回收流程变得复杂. UHMWPE 和填充牌号更难再加工成高价值产品.
- 生物基选项: 乙烯可以由生物乙醇生产 (生物PE) 与化石基 PE 具有相同的特性.
- 生命终结: 焚烧并进行能量回收和化学品回收 (解聚) 是技术选项; 生命周期分析取决于应用率和回收率.
- 环境问题: 薄膜和磨损颗粒产生微塑料 (例如。, 从输送机衬里) 需要考虑.
9. 对比分析—— 聚乙烯 (PE) vs. 其他常用材料
下表比较 PE 一些材料工程师通常考虑作为零件的替代品, 电影, 管道或磨损部件.
| 性能特性 / 标准 | PE (低密度聚乙烯 / 高密度聚乙烯) | 聚丙烯 (聚丙烯) | PVC (死板的) | pom / 乙酸 | 尼龙 (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 |
| 抗拉强度 (MPA) | 8–37 (低密度→高清) | 30–40 | 35–60 | 50–75 | 50–90 |
| 杨氏模量 (GPA) | 0.2–1.5 | 1.0–1.8 | 2.7–3.5 | 2.8–3.5 | 2.5–3.5 |
| 融化 / 可用温度 (°C) | TM ~105–135 / 使用 ≈ 65–110 | TM ~160–170 / 使用 ≈ 90–120 | Tg/软化 ~75–80 / 使用 ≈ 40–60 | TM ~165–175 / 使用 ≈ 80–100 | TM ~215–265 / 使用 ≈ 80–120 |
| 耐化学性 | 出色的 (酸, 基地, 许多溶剂) | 非常好 (类似于PE) | 良好 (酸, 盐, 许多化学品) | 良好 (燃料, 油) | 良好 (碳氢化合物, 油) |
| 吸收水分 | 微不足道 | 微不足道 | 微不足道 | 〜0.2–0.3％ | 1–3％ (吸湿性的) |
穿 / 摩擦行为 |
良好 (HDPE 优于 LDPE) | 一般 | 一般 | 出色的 (低摩擦, 低磨损) | 良好 |
| 尺寸稳定性 | 一般 (负载蠕变) | 一般 | 良好 | 出色的 | 一般 (受湿气影响) |
| 紫外线阻力 (不稳定的) | 贫穷的 (需要稳定剂) | 贫穷的 | 更好的 (配方依赖) | 贫穷的 | 贫穷的 |
| 加工性 | 出色的 (挤压, 吹, 注射, 滚塑) | 出色的 | 良好 (但加工窗口窄) | 良好 (注射, 加工) | 良好 (成型前需要干燥) |
| 回收 | 非常好 (HDPE/LDPE 广泛回收利用) | 非常好 | 有限的 (氯含量) | 有限的 | 一般 |
| 典型的应用 | 电影, 瓶子, 管道, 坦克, 衬里 | 汽车装饰, 铰链, 容器 | 管道, 窗户型材, 配件 | 精密齿轮, 衬套, 阀 | 齿轮, 轴承, 住房, 管道 |
10. 结论
聚乙烯是一种多功能热塑性塑料系列，其不同等级涵盖了非常广泛的机械和加工行为.
PE 的优点是耐化学性, 加工性, 成本低，功能范围从柔性薄膜到超坚韧的滑动部件.
最常见的工程缺陷是环境应力开裂, 蠕变和紫外线降解——均可通过牌号选择来解决, 稳定性和设计.
对于大多数工业设计师来说, 当通过规范和测试了解并管理 PE 的局限性时，PE 仍然是一种经济且可靠的选择.
常见问题解答
LDPE和HDPE有什么区别?
LDPE有更多的链支化, 较低的结晶度和较低的密度 (约 0.91–0.925 克/立方厘米) → 更柔软, 更柔韧的薄膜.
HDPE 几乎没有支化, 更高的结晶度 (约 0.94–0.97 克/立方厘米) → 更硬, 更坚固的零件和管道.
为什么 PE 有时在温和化学品下会破裂?
那就是环境应力开裂 (ESC键): 某些表面活性剂和清洁剂会在拉应力下促进缓慢的裂纹扩展. 选择抗 ESC 牌号并降低应力集中可降低风险.
PE可以用于压力管道吗?
是 — HDPE 和 MDPE 广泛用于饮用水和天然气输送. 正确的熔焊和合格的材料/工艺至关重要.
我什么时候应该选择UHMWPE?
当耐磨性非常高时选择 UHMWPE, 需要低摩擦和冲击韧性 (输送机衬板, 穿垫子, 滑动轴承, 某些医疗植入物).
聚乙烯可以回收吗?
是的: HDPE 和 LDPE 是回收率最高的塑料之一, 但污染和混合聚合物会影响回收质量.
机械回收和新兴化学回收途径均被使用.
