通用塑料是指產量大、用途廣、成型性好、價格便宜、力學性能一般、主要作為非結構材料使用的一類塑料,其產量和用量占全部塑料的80%以上。本章將對通用塑料的五大品種,即聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物進行介紹。
聚乙烯(Polyethylene,簡寫為PE)是由乙烯(CH2CH2)聚合而成的聚合物,結構式為CH2—CH2n。作為高分子材料使用時,其平均相對分子質量要在1萬以上。
PE的化學組成和分子結構最為簡單,是目前世界塑料中產量最大、應用最廣的品種。隨著合成技術的不斷進步。其中既有均聚物也有共聚物,既有線形聚乙烯也有支鏈型聚乙烯等。乙烯共聚物一般由乙烯與α-烯烴或與具有極性基團的單體共聚而成。
5.1.1聚乙烯的結構特征
PE是僅含有C、H兩種元素的長鏈脂肪烴化合物,一般為線形聚合物,分子對稱,分子鏈的空間排列呈平麵鋸齒形,無極性基團結構,分子間作用力小,分子鏈堆砌的緊密程度較低,所以熔點低、力學性能不高、印刷性不好、與其他材料的黏結性差。
PE的結構取決於它的聚合方式。在較低壓力(0.1~0.5MPa)、Ziegler-Natta催化劑作用下聚合而成的是高密度聚乙烯(HDPE,密度一般為0.94~0.97g/cm3)。HDPE分子為線形結構,且分子鏈很長,相對分子質量高達幾十萬。如果是在高壓力(100~300MPa)、高溫(190~210℃)、過氧化物催化條件下進行自由基聚合,生產出的則是具有支化結構的低密度聚乙烯(LDPE,密度一般為0.91~0.93g/cm3)。
由於聚合反應的複雜性,即使是所謂的線形聚乙烯,其分子鏈上也會含有少量的支鏈結構。例如,每1000個碳原子中,HDPE含5~7個短支鏈,LLDPE為含10~20個短支鏈,而LDPE的支鏈較長。支鏈多,支鏈長時,會造成材料的結晶度低,密度低,但也使其柔韌性提高;另外,支鏈越多其耐光降解和抗氧化能力越差。不同品種PE上支鏈數目的大小依次為LDPE>LLDPE>HDPE。
高壓法獲得的LDPE支化度高,長短支鏈不規整,呈樹枝狀。相對分子質量低,相對分子質量分布寬,所以結晶度低、密度低、製品柔軟,透氣性、透明度高,而熔點低、力學性能低。
低壓法獲得的HDPE支化度低,呈線形結構,相對分子質量高,相對分子質量分布窄,故結晶度高、密度高,製品的耐熱性高,力學性能比LDPE高。
LLDPE由於具有規整的短支鏈結構,雖然結晶度和密度與LDPE相似,但由於分子間力加大,使其熔點與HDPE相似,但抗撕裂性和耐應力開裂性比LDPE和HDPE都高。
PE的結構規整、線性度高,具有良好的柔性,因而易於結晶,晶型屬斜方晶係。不同類型PE由於其分子鏈的支化程度不同,其結晶度也不同,LDPE為65%左右,HDPE為80%~90%,LLDPE為65%~75%。結晶度直接影響PE的性能。隨結晶度的提高,PE製品的密度、剛性、硬度和強度等性能提高,但其衝擊性能下降。
5.1.2聚乙烯的性能
PE樹脂為無味、無毒的白色粉末或顆粒,外觀呈乳白色,有似蠟的手感,吸水率低(小於 0.01%)。PE的耐水性較好,製品表麵無極性,難以黏合和印刷,經表麵處理才可改善。
PE的力學性能一般,其拉伸強度較低,抗蠕變性不好,隻有耐衝擊性能較好。三種PE比較而言,衝擊強度 LDPE>LLDPE>HDPE,其他力學性能 LDPE<LLDPE<HDPE。PE的力學性能受密度、結晶度和相對分子質量的影響大。一般而言,密度大、結晶度高和相對分子質量大的樹脂,其力學性能較高。普通PE的相對分子質量為4萬~12萬,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的相對分子質量為100萬~400萬。由於UHMWPE巨大的相對分子質量,增大了大分子間的纏結程度,雖然結晶度、密度介於LDPE與HDPE之間,但衝擊強度和拉伸強度都成倍地增加,並具有高的耐磨、自潤滑性,使用溫度在100℃以上,但加工性能變差。此外,PE的耐穿刺性好,並以LLDPE最好。
PE的耐熱性不高,但隨相對分子質量和結晶度的提高而改善。一般使用溫度在80~100℃以下,不同 PE的耐熱性順序為 HDPE>LLDPE>LDPE 。PE的耐低溫性好,脆化溫度在-50℃以下,不同 PE的耐低溫性順序為 LDPE>LLDPE>HDPE。PE的熱收縮率大,最高可達1%~2%。PE的熱導率屬塑料中較高者,不同 PE的熱導率順序為 HDPE>LLDPE>LDPE。