材料性能学

材料性能学题目：聚乙烯的分子结构对氯化聚乙烯性能的影响专业：材料科学与工程姓名：周志阳学号：2014116摘要：阐述了聚乙烯的分子量、分子量分布、结晶度、密度、颗粒形状、粒径大小对氯化聚乙烯性能的影响。关键词：分子量结晶度粒径大小残留结晶度熔体流动速率1.概述聚乙烯(Po1yethylene，PE)是一个由多种工艺方法生产的具有多种结构和特性的系列品种，聚乙烯按其生产方法可以分为低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)及一些具有特殊性能的品种、如超高相对分于质量聚乙烯、低相对分于质量聚乙烯、高相对分于质量高密度聚乙烯、极低密度聚乙烯、交联聚乙烯、氯化聚乙烯和多种乙烯共聚物。2006年我国聚乙烯产量601.31万吨。可满足注塑、挤出、吹膜、中空成型和涂层等多种加工方法的要求，适合多方面的应用。聚乙烯的结构：—CH2—CH2—n。聚乙烯大分子的几何形状，即指单个大分子链在空间所处的形态。如图所示，最典型的是低压聚乙烯（HDPE），仅有少数短支链，此种形态的聚乙烯系线型大分子，大分子链之间没有键连接。因此柔软而富有弹性。另一种高压聚乙烯（LDPE）则为有长、短链支的线型大分子，形似“树枝”状链，支链使大分子链间距离增大，大分子堆砌松散、密度低、结晶度也低，更柔软。因而LDPE的硬度、强度和耐热性等都随之下降。1933年英国ICI公司首先发现聚乙烯，1937年就得了高压聚乙烯的专利权，1939年开始了聚乙烯的工业生产。由于聚乙烯具有优良的抗化学性和电绝缘性能，使聚乙烯的应用越来越广和产量剧增，世界各国都迅速发展高压聚乙烯。1952年德国齐格勒(KarlZiegler)发现低压聚乙烯，1957年才正式在世界各国工业化生产。1965年以来，聚乙烯树脂已成为塑料工业中五大品种之一。70年代末期后，低压气相法LLDPE实现了工业化，不少人认为，这将是LDPE停止发展的信号。然而20年过去了，从全世界看，三种聚乙烯中获利最好的仍是LDPE，而且LLDPE占整个低密度聚乙烯(LDPE/LLDPE)的市场份额也只有35％。从经济方面看，尽管建设一个新装置的投资对LLDPE有利，但实际操作成本和装置运转年限、规模、原材料来源、产品牌号及产品应用价值等诸多因素有关。这些因素综合作用的结果使许多LDPE装置的效益常常比LLDPE装置的效益好。从技术方面看，LDPE生产公司也在开发一些新技术，使LDPE在整体成本上可以和一个新建的LLDPE装置竞争。2006年我国聚乙烯产能682万吨，产量601万吨。水相法氯化聚乙烯(CPE)的生产方法在国内已有20多年的历史了,发展至今无论在生产设备、生产工艺还是产品质量都有很大程度的提高。水相法氯化聚乙烯的产品性质主要取决于下列三个因素:一是原料聚乙烯的分子量、分子量分布、结晶度、密度、颗粒形状、粒径大小等,直接影响着氯化聚乙烯的热稳定性、强度和伸长率。二是氯化程度(氯化率),氯化聚乙烯的含氯量32±2、35±2、40±2)决定了它的物理性能,如难燃性、耐油性、耐热老化和耐寒性等。三是氯化反应的技术、氯化深度,即氯化反应过程中温度、压力、通氯量三者的关系决定了CPE产品的结构特点(残留结晶度)和物理性能。氯化聚乙烯的分子结构与原料聚乙烯具有相同的主链结构,只是主链碳原子上的部分氢原子被氯原子取代,氯化聚乙烯分子的聚集态随氯化程度的提高而逐渐变化,极性氯原子的引入破坏了聚乙烯结构的规整性,聚乙烯由高度结晶的塑料转变为松散无定形的橡胶。按照氯原子在主链上的分布状况,氯化聚乙烯有两种典型结构:一种是氯原子在分子链上无规则均匀分布为无定形弹性体(残留结晶度近似为0);另一种是氯原子呈无规则不均匀的嵌段分布为硬质塑料(保留一定的残留结晶度)。介于这两种典型结构之间是一系列不同性质的氯化聚乙烯而原料聚乙烯的分子结构直接影响着这些氯化聚乙烯的性质。2.聚乙烯分子结构对氯化聚乙烯性能的影响2.1聚乙烯分子量对氯化聚乙烯的影响氯化聚乙烯的分子量对其物理性质有着重大影响,如材料的强度、硬度、韧性、耐老化稳定性、流动性等。需要较高分子量才能使制品具有足够的强度,但是分子量过大,导致粘度太大,难于加工。经氯化聚乙烯改性的聚氯乙烯在加工成型时都是基于在粘流态下物料流动进行的。成型温度和粘流温度密切相关,而粘流温度又受分子量影响,这样成型温度与分子量有依赖关系。通常从成型加工的角度来看,成型温度过高,不但给加工过程带来困难,也给产品本身的质量带来不良影响。如聚氯乙烯的塑钢门窗的角强度、挤出速度、挤出表面光洁度、耐低温冲击性等。因此,要保证制品的物理性能,并不要求聚乙烯分子量过高。通常把氯化聚乙烯的专用原料聚乙烯的分子量控制在10～15万之间。以聚乙烯的熔体流动速率作为表征聚乙烯分子量的大小,熔体流动速率与分子量成反比。北京助剂二厂把生产氯化聚乙烯的专用原料,按熔体流动速率分为三级,0.05～0.1、0.1～0.15、0.15～0.2g/10min(190℃,2.16kg)。辽阳化工三厂专用料牌号L0555P,熔体流动速率0.5g/10min(190℃,5kg)。LG公司CE6040基本也在此范围。2.2聚乙烯分子量分布对氯化聚乙烯的性能影响聚乙烯的物理机械性能,不但与分子量有密切的关系,而且与分子量的分布有关。分子量分布越宽,在高剪切力下越容易流动,在成型加工时挤出机的模头压力降低,成型物的外观就好,但冲击强度和耐应力开裂性降低。聚乙烯的性能,如强度和熔体粘度主要决定于分子量较大的分子。所以对于某一特定用途,不仅要求有一定的分子量,而且要有一确定的分子量分布。聚乙烯树脂中蜡含量超过一定数值时,会对其材料的强度、脆性及应力开裂等带来不良影响,也同样给氯化聚乙烯的产品在抗拉强度、伸长率、永久变形等方面带来不利,甚至无法生产合格的氯化聚乙烯产品,或者在生产过程中出现结釜事故。2.3聚乙烯结晶度、密度对氯化聚乙烯性能的影响短支链和长支链是LDPE主要特点之一。这是LDPE区别于HDPE的主要特点之一。支链度增大,结晶度降低密度也降低。结晶度和密度成直线关系。高压聚乙烯每100个碳原子约有两个支链,结晶度约50%左右,密度和熔点分别0.915～0.925g/cm3和112℃左右。低压聚乙烯每100个碳原子约有0.5个到几乎零个支链,因此结晶度有75%～85%左右,密度和熔点分别提高到0.94g/cm3以上和136℃左右。所以说聚乙烯的密度间接反映了它的结晶度。通常参考结晶度,不如参考它的密度要来的方便和直接。氯化聚乙烯就是用氯原子打破聚乙烯的结晶,而形成一系列不同性质的产品。以残留结晶度来衡量氯化聚乙烯产品的性能。其残留结晶度小于2%,该产品为高弹性、高伸长率、较低的强度、制作橡胶类产品,如电线、电缆、防水材料等。其残留结晶度小于10%,该产品按其性能虽属于弹性体,但包含塑料的性质,表现为高强度、较高硬度和适中的弹性,这类产品主要用作塑料改性剂。其残留结晶度大于10%的产品,主要用作要求加工流动性好的塑料改性剂。2.4聚乙烯粒径对氯化聚乙烯性能的影响氯化聚乙烯的水相悬浮氯化反应是一种非均相反应,聚乙烯粉末粒径大小对氯化的均匀性有明显的影响。如粒径小则颗粒的比表面积大,氯原子向颗粒内部的渗透容易,氯化较均匀。但是颗粒太细,颗粒表面的自由能增大,颗粒凝结的倾向增大,对分散体系要求要高。如颗粒太粗,则氯向颗粒内部的渗透困难,氯化较不均匀。实验表明:聚乙烯原料的颗粒至少应该过60目(280μm)标准筛才能保证产品质量。美国道化学公司CPE专用料要求过80目(180μm)筛。聚乙烯粒径对氯化反应的速度也有影响。如完全通过20～40目标准筛的聚乙烯,氯化反应周期如需要5.45小时;则过80～100目时要4.2小时;过100目只要3.5小时。当然影响反应速度的因素很多,粒径并不是影响氯化时间的关键因素。参考文献[1]R.A.V.L拉夫.聚乙烯,化学工业出版社[2]P.工坎特雷诺.聚乙烯的衍生物[3]周达飞、唐颂超.高分子材料成型加工,中国轻工业出版社[4]潘才元.高分子化学,中国科学技术大学出版社[5]安徽化工.氯化聚乙烯资料汇编,1991◆