چگونه ساختار مولکولی HDPE در مقابل رزین LDPE بر خواص فیلم در ماشین‌های دمنده تأثیر می‌گذارد؟

به هر آزمایشگاه پلاستیک بروید و از یک تکنسین بپرسید که چرا فیلم HDPE اینقدر با فیلم LDPE متفاوت است و آنها احتمالاً شروع به صحبت در مورد انشعاب خواهند کرد. این مفهوم در نگاه اول شهودی‌ترین مفهوم نیست، اما وقتی فهمیدید که چگونه معماری مولکولی هر پلیمر رفتار فیزیکی آن را دیکته می‌کند - در اکسترودر، در قالب، از طریق منطقه خنک‌کننده، و در فیلم نهایی -، تفاوت‌های بین HDPE و LDPE دیگر دلخواه نیستند و شروع به ایجاد حس منطقی کامل می‌کنند.

این مقاله به ساختار مولکولی هر دو رزین می پردازد و توضیح می دهد که چگونه این ساختارها در طول انجام می شوندفیلم دمیده شدهپردازش، و آنها را به ویژگی های عملی فیلم که در دنیای واقعی مهم هستند متصل می کند.

بنیاد مولکولی: انشعاب همه چیز است

HDPE و LDPE هر دو پلی اتیلن هستند - هر دو از یک مونومر اتیلن (CH2=CH2) ساخته شده‌اند که در زنجیره‌های کربنی طولانی پلیمریزه شده‌اند. تفاوت اساسی در نحوه ساختار آن زنجیره ها نهفته است.

LDPE (پلی اتیلن با چگالی کم) با پلیمریزاسیون رادیکال آزاد-بالا- ساخته می‌شود. این فرآیند به خوبی مولکول ها را کنترل نمی کند. زنجیرهای پلیمری در حال رشد گاهی اوقات روی خود تا می شوند. یا رادیکال ها را به زنجیره های مجاور منتقل می کنند. این باعث ایجاد شاخه های زیادی می شود. LDPE هر دو شاخه‌های زنجیره‌ای بلند- دارد که از زنجیره اصلی بیرون می‌آیند و بسیاری از شاخه‌های زنجیره کوتاه-. بنابراین ساختار نهایی بسیار ناهموار و درهم است.

HDPE (پلی اتیلن با چگالی بالا) بوسیله پلیمریزاسیون هماهنگی فشار کم- ساخته می شود. این از کاتالیزورهای زیگلر-ناتا یا متالوسن استفاده می‌کند. این سیستم های کاتالیست رشد زنجیره را خیلی بهتر کنترل می کنند. بنابراین زنجیره های پلیمری عمدتاً خطوط مستقیم با انشعابات بسیار کم هستند. از آنجا که تقریباً هیچ شاخه ای وجود ندارد، زنجیره های HDPE می توانند به روشی منظم به هم نزدیک شوند.

این تفاوت ساختاری منفرد - شاخه‌دار در مقابل خطی - تقریباً هر تفاوت ویژگی بین دو پلیمر را هدایت می‌کند.

بلورینگی: پیامد مستقیم انشعاب

بلورینگی اساسی ترین خاصیت است که از ساختار مولکولی سرچشمه می گیرد و تقریباً زیربنای تمام تفاوت های دیگر بین HDPE و LDPE است.

در HDPE، زنجیره‌های خطی می‌توانند در کنار هم در نواحی کریستالی بسیار مرتب به نام لاملا قرار بگیرند. از آنجا که شاخه های کمی برای قطع این بسته بندی وجود دارد، HDPE به سطوح کریستالی 70 تا 90 درصد می رسد. 10 تا 30 درصد باقیمانده مواد بی شکل (بی نظم) در فصل مشترک بین نواحی کریستالی است.

در LDPE، شاخه ها از نظر فیزیکی از بسته شدن زنجیر جلوگیری می کنند. هر نقطه انشعاب، بخش های زنجیره اطراف را مجبور می کند که با زنجیره های مجاور هم تراز نشوند. نتیجه بلورینگی بسیار کمتر - معمولاً 40-55٪ - با کسر آمورف بسیار بزرگتر است.

کریستالینیتی مستقیماً به چگالی ترجمه می شود، که به معنای واقعی کلمه همان چیزی است که نام ها توصیف می کنند:

HDPE: چگالی 0.940-0.970 g/cm³

LDPE: چگالی 0.910-0.935 g/cm³

اما چگالی در واقع فقط یک پروکسی برای واقعیت ساختاری عمیق‌تر است - این تفاوت کریستالینی است که ویژگی‌های فیلم را هدایت می‌کند، نه خود عدد چگالی.

چگونه بلورینگی بر ویژگی های فیلم تأثیر می گذارد

سختی و استحکام کششی

نواحی کریستالی به عنوان پیوندهای متقاطع فیزیکی در ماتریس پلیمری عمل می کنند - در برابر تغییر شکل مقاومت می کنند، مواد را تحت تنش کنار هم نگه می دارند و بار را انتقال می دهند. بلورینگی بیشتر به معنای تعداد بیشتری از این معادل های پیوند متقابل در واحد حجم است.

فیلم HDPE به طور قابل توجهی سفت تر و قوی تر از فیلم LDPE در ضخامت معادل است. فیلم‌های HDPE معمولاً نشان می‌دهند:

فیلم HDPE دارای استحکام کششی است که سه تا پنج برابر بیشتر از فیلم های LDPE مشابه است. همچنین مدول بسیار بالاتری دارد. یعنی در مقابل کشش بهتر مقاومت می کند. در دماهای بالا نیز خواص مکانیکی خود را بهتر حفظ می کند. این تا نقطه ذوب نزدیک به 130 درجه دوام می آورد.

فیلم LDPE متفاوت است. بلورینگی کمتری دارد و قسمت آمورف بزرگی دارد. بنابراین بسیار نرمتر و انعطاف پذیرتر است. نواحی آمورف بیش از دمای انتقال شیشه ای خود لاستیکی هستند. برای پلی اتیلن، این دما بسیار کمتر از دمای اتاق است. این به LDPE احساس نرمی و خم شدن می دهد.

به همین دلیل HDPE برای مشاغلی که نیاز به قدرت دارند انتخاب شده است. این ابزارها شامل کیسه های مواد غذایی است که می توانند اجسام سنگین، آسترهای صنعتی و فیلم مالچ کشاورزی را در خود جای دهند. LDPE بیشتر برای مشاغلی استفاده می شود که در آن انعطاف پذیری و انعطاف پذیری بیشترین اهمیت را دارد. به عنوان مثال می توان به بسته بندی مواد غذایی، فیلم کششی و بسته بندی فشرده اشاره کرد.

خواص نوری: مه و شفافیت

اینجاست که رابطه بین ساختار مولکولی و ظاهر فیلم به طور خاص مستقیم می شود.

نواحی کریستالی و نواحی آمورف دارای ضریب شکست اندکی متفاوت هستند. هنگامی که نور از یک فیلم عبور می کند، در مرزهای بین این مناطق پراکنده می شود. اندازه حوزه‌های کریستالی نسبت به طول موج نور تعیین می‌کند که چقدر پراکندگی رخ می‌دهد و بنابراین چقدر مه‌آلود یا شفاف به نظر می‌رسد.

فیلم HDPE ذاتاً مات یا بسیار مه آلود است. بلورینگی زیاد، حوزه‌های کریستالی بزرگی را ایجاد می‌کند که نور را به‌شدت پراکنده می‌کنند. در حین پردازش، برای شفاف کردن فیلم HDPE از نظر نوری، کار بسیار کمی می توانید انجام دهید - ساختار پلیمر شفافیت را در فیلم استاندارد دمیده غیرممکن می کند.

فیلم LDPE به طور قابل توجهی شفاف تر است. بلورینگی کمتر به معنای مرزهای پراکندگی کمتر است و نواحی آمورف اجازه عبور نور را با تداخل کمتر می دهند. فیلم دمیده LDPE خوب-فرآوری شده می‌تواند شفافیت مناسبی برای بسته‌بندی مواد غذایی، کیسه‌های نمایشگر و سایر کاربردها در مواردی که دید محصول اهمیت دارد به دست آورد.

این تفاوت نوری اساسی توضیح می‌دهد که چرا HDPE هرگز برای بسته‌بندی شفاف استفاده نمی‌شود و چرا LDPE بر کاربردهای حساس{0}} شفافیت غالب است.

ویژگی های مانع

نواحی کریستالی در پلی اتیلن اساساً در برابر مولکول های گاز و رطوبت نفوذ ناپذیر هستند - بسته بندی مرتب شده هیچ فضایی برای مسیرهای انتشار باقی نمی گذارد. مناطق آمورف که بی نظم هستند، مسیرهایی را فراهم می کنند که از طریق آن گازها و رطوبت نفوذ می کنند.

فیلم HDPE به دلیل بلورینگی بالاتر، خواص بازدارندگی بهتری نسبت به فیلم LDPE دارد. پیچ خوردگی - مسیر پیچشی که یک مولکول در حال انتشار باید از موانع کریستالی عبور کند - در HDPE بسیار بیشتر است. این به صورت زیر ظاهر می شود:

نرخ انتقال بخار آب کمتر (WVTR)

HDPE مانع اکسیژن بهتری دارد. اما هیچ یک از پلی اتیلن ها وقتی که آنها را با مواد دیگر مقایسه می کنید، به عنوان ماده ای{1} با مانع بالا در نظر گرفته نمی شوند.

HDPE همچنین در برابر حلال های آلی بهتر مقاومت می کند.

فیلم LDPE دارای بخش آمورف بزرگ است. این بدان معناست که مسیرهای بازتری برای عبور گازها دارد. بنابراین از نفوذپذیری گاز و رطوبت بالاتری برخوردار است.

برای استفاده در بسته بندی که عملکرد مانع مهم است، ساختار مولکولی HDPE یک مزیت عملکردی واقعی نسبت به LDPE می دهد. این کاربردها شامل کیسه های تولید، نگهداری مواد غذایی و بسته بندی شیمیایی صنعتی است.

رفتار پردازش در ماشین فیلم دمنده

تفاوت‌های ساختاری بین HDPE و LDPE نه تنها در ویژگی‌های فیلم نهایی نشان داده می‌شود. آنها همچنین در نحوه رفتار هر پلاستیک در هنگام پردازش نشان می دهند. و این منجر به تفاوت های بزرگی در آنچه که یک دستگاه فیلم دمیده باید انجام دهد، می شود.

ویسکوزیته مذاب و رفتار جریان

شاخه‌های زنجیره بلند- LDPE تأثیر عمیقی بر رئولوژی مذاب دارند. شاخه‌های بلند از نظر فیزیکی با شاخه‌های زنجیره‌های مجاور درگیر می‌شوند و شبکه‌ای را ایجاد می‌کنند که به انرژی قابل توجهی برای جدا شدن در طول جریان نیاز دارد. این باعث ذوب LDPE می شود:

استحکام مذاب بالا - پلیمر مذاب در برابر تغییر شکل کششی مقاومت می کند، به این معنی که حباب بالای قالب پایدار و خود نگهدار است-

رفتار نازک شدن برشی که به شدت تحت تأثیر شبکه LCB است - LDPE به طور چشمگیری تحت برش نازک می شود و اکسترود کردن آن در فشارهای معقول را آسان می کند.

حافظه ویسکوالاستیک - مذاب تغییر شکل را "به یاد می آورد" و تا حدی بازیابی می کند و به تورم اکسترود در خروجی قالب کمک می کند.

زنجیره‌های خطی HDPE دارای درهم تنیدگی کمتری در واحد حجم هستند (زیرا شاخه‌های زنجیره بلند-برای ایجاد نقاط درهم تنیدگی اضافی وجود ندارد). این منجر به:

استحکام ذوب کمتر در مقایسه با LDPE - حباب‌های HDPE کمتر خود ساپورت می‌کنند-

ویسکوزیته مذاب بالاتر در سرعت های برشی پایین اما برش چشمگیر کمتر-رقیق شدن

یک پنجره پردازش باریکتر برای پایداری حباب

رفتار ذوب و تبلور

ساختار کریستالی تیز و منظم HDPE به این معنی است که انتقال ذوب تندتری نسبت به LDPE دارد. HDPE در یک محدوده دمایی نسبتاً باریک (معمولاً 125-135 درجه برای فاز کریستالی) ذوب می شود، در حالی که LDPE به تدریج در محدوده وسیع تری ذوب می شود.

این تاثیر می گذارد:

چگونه پیچ رزین را ذوب می‌کند - HDPE برای رسیدن به ذوب کامل به ورودی انرژی بیشتری در طول پیچ کوتاه‌تر نیاز دارد. LDPE به تدریج ذوب می شود

ارتفاع خط یخبندان - HDPE با سرد شدن حباب به سرعت متبلور می شود و یک خط یخبندان کاملاً مشخص و واضح ایجاد می کند. LDPE به دلیل انجماد تدریجی تر، خط یخبندان کمتری دارد

نرخ تبلور نیز متفاوت است. HDPE سریعتر از LDPE متبلور می شود زیرا زنجیره های خطی آن می توانند با کاهش دما به زیر نقطه تبلور سریعتر به صورت لاملا سازماندهی شوند. این تبلور سریع جهت گیری از کشش دو محوری در حباب را قفل می کند - یک عامل مهم برای توسعه خواص مکانیکی HDPE.

پایداری حباب و پارامترهای عملیاتی

این تفاوت‌های رئولوژیکی مستقیماً به نحوه پیکربندی دستگاه فیلم دمیده ترجمه می‌شود:

ماشین‌های LDPE از استحکام ذوب بالای LDPE بهره می‌برند - حباب ذاتاً پایدار است، نوسانات فرآیند را تحمل می‌کند و می‌تواند با نسبت‌های دمش نسبتاً بالا (3:1 تا 4:1 یا بالاتر) بدون فروپاشی کار کند. این یکی از دلایلی است که LDPE پلیمر اصلی فیلم دمیده غالب بود.

ماشین‌های HDPE باید استحکام ذوب پایین HDPE را با موارد زیر جبران کنند:

نسبت‌های ضربه-بالا - معمولاً 3:1 تا 4:1 است، اما با کنترل دقیق‌تری مورد نیاز است

قفس حبابی - راهنماهای فیزیکی را هدایت می‌کند که از افتادگی یا بال زدن حباب HDPE دیواره نازک‌تر- جلوگیری می‌کند.

حجم هوای خنک‌کننده بالاتر - برای محکم کردن سریع لایه HDPE بالای خط یخبندان، قفل شدن در شکل حباب قبل از اینکه بتواند ناپایدار شود.

برج های خنک کننده بلندتر - HDPE به فاصله عمودی بیشتری نیاز دارد تا حباب کاملاً جامد شود

جلوه های جهت گیری فیلم

هنگامی که حباب فیلم دمیده باد می‌شود (نسبت باد-بالا) و به سمت بالا کشیده می‌شود (نسبت کشیدن-پایین)، فیلم به صورت دو محوره - در جهت ماشین و جهت عرضی کشیده می‌شود. زنجیره های پلیمری تا حدی در این جهات با جامد شدن فیلم هماهنگ می شوند.

در HDPE، این جهت به دلیل تبلور سریع به طور موثر قفل شده است. زنجیره های جهت دار در ساختار کریستالی منجمد می شوند و فیلم جهت دو محوری قابل توجهی را حفظ می کند. این جهت گیری سهم عمده ای در استحکام کششی و سفتی بالای HDPE نسبت به ضخامت لایه آن دارد.

در LDPE، جهت گیری تا حدی حفظ می شود اما تا حدی آرام می شود زیرا زنجیره های شاخه دار آزادی بیشتری برای حرکت دارند قبل از اینکه ساختار کریستالی که به تدریج شکل می گیرد آنها را قفل کند. فیلم LDPE مقداری جهت گیری را حفظ می کند اما کمتر از HDPE در شرایط پردازش معادل.

مقایسه عملی خواص فیلم

LLDPE: زمین میانی ساختاری

هیچ بحثی در مورد HDPE در مقابل LDPE بدون تایید LLDPE (پلی اتیلن با چگالی کم{1} خطی)، که از نظر ساختاری موقعیت متوسطی را اشغال می کند، کامل نخواهد بود.

LLDPE با استفاده از کاتالیزورهای هماهنگی (شبیه به HDPE) اما با کومونومرها (هگزن، اکتن، یا بوتن) که در زنجیره گنجانده شده است، تولید می‌شود که فقط شاخه‌های زنجیره کوتاه - بدون شاخه‌های زنجیره بلند ایجاد می‌کند. این منجر به:

چگالی در محدوده LDPE (0.915-0.940 g/cm³) به دلیل اختلال کریستالی از شاخه ها

بدون-شاخه های زنجیره ای طولانی - بنابراین LLDPE فاقد استحکام ذوب بالا و پایداری حباب LDPE است.

مقاومت در برابر سوراخ شدن و مقاومت در برابر پارگی بهتر از HDPE یا LDPE - شاخه های کوتاه یک معماری مولکولی پیوندی خاص بین لاملاهای کریستالی ایجاد می کنند که در برابر انتشار ترک مقاومت می کند.

چالش‌های پردازش - استحکام ذوب پایین LLDPE به استراتژی‌های مدیریت حباب مشابه HDPE نیاز دارد.

LLDPE تا حد زیادی در بسیاری از کاربردهای فیلم دمیده جایگزین LDPE شده است، دقیقاً به این دلیل که مقاومت در برابر سوراخ شدن و پارگی آن، ناشی از ریزساختار منحصربه‌فرد-زنجیری-شاخه‌دار آن، عملکرد فیلم بهتری را در هر واحد ماده ارائه می‌دهد.

سوالات متداول

س: چرا در حالی که فیلم LDPE نسبتاً واضح است، فیلم HDPE دیده نمی شود؟
A: HDPE دارای بلورینگی زیادی است. این باعث ایجاد نواحی کریستالی بزرگ-می‌شود که نور را پراکنده می‌کنند. بنابراین فیلم مه آلود به نظر می رسد یا{3}}در آن دیده نمی شود. LDPE بلورینگی کمتر و مناطق کریستالی کوچکتری دارد. اینها نور کمتری را پراکنده می کنند، بنابراین فیلم واضح تر به نظر می رسد. این نتیجه مستقیم انشعاب زنجیره ای است. شاخه های LDPE از بسته شدن زنجیره ها جلوگیری می کند، بنابراین ساختارهای کریستالی بزرگ نمی توانند شکل بگیرند.

س: چرا فیلم HDPE سفت‌تر می‌شود و صدای چروکیدگی ایجاد می‌کند، در حالی که فیلم LDPE نرم و بی‌صدا است؟
ج: سفتی ناشی از بلورینگی است. تبلور بالای HDPE ساختاری سفت ایجاد می کند که در برابر خمش مقاومت می کند. همچنین وقتی آن را خم می کنید به شدت چروک می شود. LDPE قسمت آمورف بزرگی دارد. این باعث می شود فیلم نرم و انعطاف پذیر باشد. نواحی بی شکل لاستیکی نحوه احساس فیلم در دمای اتاق را کنترل می کنند.

س: آیا می توانید HDPE و LDPE را برای به دست آوردن خواص در این بین مخلوط کنید؟
پاسخ: بله، اختلاط آنها معمول است. مخلوط‌های HDPE/LDPE را می‌توان برای به دست آوردن سفتی، شفافیت و ویژگی‌های مانع تنظیم کرد. اما این دو پلاستیک در سطح مولکولی کاملاً با هم مخلوط نمی شوند. بنابراین خواص ترکیب صرفاً میانگین این دو نیست. کنترل نحوه تشکیل مخلوط در حین اختلاط و فرآوری تأثیر زیادی در نتیجه نهایی دارد.

س: چرا HDPE نسبت به LDPE به حرارت-درجه حرارت بالاتر نیاز دارد؟
A: آب بندی حرارتی با ذوب شدن سطح فیلم عمل می کند تا با هم ذوب شود. قطعات کریستالی HDPE در دماهای بالاتر، در حدود 125-135 درجه ذوب می شوند. قطعات کریستالی LDPE در حدود 100 تا 115 درجه ذوب می شوند. بنابراین HDPE برای ساختن مهر و موم به حرارت بیشتری نیاز دارد. این روی سرعت خط بسته‌بندی و کیفیت مهر و موم در دستگاه‌های مهر و موم فرم-پر- تأثیر می‌گذارد.

س: وزن مولکولی چگونه بر پردازش فیلم دمیده برای هر دو پلاستیک تأثیر می گذارد؟
A: وزن مولکولی بالاتر استحکام و ضخامت مذاب را برای HDPE و LDPE افزایش می دهد. این به طور کلی به حفظ ثبات بیشتر حباب کمک می کند. اما به فشار و دمای اکستروژن بالاتری نیز نیاز دارد. رزین‌های درجه فیلم معمولاً با وزن‌های مولکولی ساخته می‌شوند که آسانی پردازش آنها را با خواص مکانیکی مورد نیاز در فیلم نهایی متعادل می‌کند. گریدهای فیلم HDPE تمایل به توزیع وزن مولکولی وسیع تری دارند. این به جبران استحکام ذوب طبیعی کمتر HDPE کمک می کند.

س: آیا HDPE یا LDPE بازیافت آسان تر است؟
A: هر دو را می توان در جریان خود بازیافت کرد. HDPE کد رزین شماره 2 است. LDPE کد رزین شماره 4 است. آنها در یک جریان بازیافت سازگار نیستند. نقاط ذوب و ضخامت متفاوت آنها، اختلاط آنها را در حین بازیافت با مشکل مواجه می کند. در عمل، HDPE دارای سیستم بازیافت پیشرفته تری در بسیاری از بازارها است. این به دلیل تعداد زیاد ظروف سخت HDPE است. بازیافت فیلم LDPE در حال رشد است زیرا برنامه های بازیافت بیشتری شروع به پذیرش فیلم های انعطاف پذیر می کنند.

نتیجه گیری

تفاوت بین HDPE و LDPE در نهایت داستانی در مورد انشعاب - و چگونگی انتشار یک ویژگی ساختاری در مقیاس نانومتری از طریق بلورینگی، رئولوژی مذاب و خواص فیلم تا ویژگی‌های تجاری و قابل مشاهده محصول نهایی است.

زنجیرهای خطی HDPE در ساختارهای متراکم و بسیار کریستالی قرار می گیرند که سفتی، استحکام و عملکرد مانع را به قیمت شفافیت نوری و استحکام مذاب در طول پردازش ارائه می دهند. معماری شاخه‌ای LDPE بسته‌بندی کریستالی را مختل می‌کند و فیلمی نرم‌تر، شفاف‌تر و آسان‌تر پردازش می‌شود که عملکرد مانع و مقاومت مکانیکی کمتری دارد.

هیچ کدام برتری جهانی ندارند. آنها کاربردهای متفاوتی دارند زیرا معماری مولکولی آنها با نیازهای عملکردی متفاوت مطابقت دارد. درک این اتصال - از ساختار مولکولی به رفتار پردازش و عملکرد فیلم نهایی - چیزی است که پردازنده ای را که به طور سیستماتیک مشکلات را عیب یابی می کند از پردازنده ای که پارامترها را با آزمون و خطا تنظیم می کند جدا می کند.