Partea 1 din 6: Noțiuni fundamentale despre polietilenă

Polietena este disponibilă în comerț de 80 de ani. Cu tot acest timp pentru a acumula experiență, v-ați putea aștepta ca noi să fi învățat tot ceea ce este de știut despre această familie de materiale. Cu toate acestea, judecând după conversațiile pe care le am cu oamenii despre selectarea PE corect pentru o aplicație, industria mai are multe de învățat.

Polietilena este considerată un material „de bază”, o denumire care dă impresia că nu trebuie să se gândească prea mult la alegerea gradului corect de material. Dar PE poate fi remarcabil de complicat pur și simplu pentru că este singurul polimer care este disponibil într-o gamă largă de densități.

Densitatea este, de obicei, o proprietate inerentă. Toți policarbonații au o densitate de 1,19-1,20 g/cm3, toate polipropilenele acoperă o gamă foarte îngustă de la 0,898-0,905 g/cm3, iar densitatea poliesterului PBT este de 1,31 g/cm3. Este posibil să se modifice densitatea oricărui material, dar aceste ajustări implică modificări ale compoziției. Adăugarea de plastifianți va reduce densitatea PVC-ului, majoritatea modificatorilor de impact vor reduce densitatea rășinii de bază la care sunt adăugați, iar umpluturile și armăturile vor crește de obicei densitatea unui material.

Dar PE poate fi fabricat la densități care acoperă un interval de 0,86-0,97 g/cm3 fără a modifica câtuși de puțin compoziția moleculară. Iar în acest interval, polimerul poate prezenta o gamă largă de proprietăți.

Nu a fost întotdeauna așa. Polietilena, la fel ca mulți polimeri pe care ne bazăm în prezent din punct de vedere comercial, a fost creată din întâmplare. Cercetătorii care experimentau cu gaze la presiune ridicată au descoperit că, atunci când au efectuat experimente cu gaz etilenă, au obținut un compus solid care era rezultatul polimerizării moleculei de etilenă. A fost nevoie de aproximativ șase ani pentru a comercializa acest material, iar după standardele de astăzi, procesul de polimerizare era rudimentar și producea o gamă foarte restrânsă de produse.

Astăzi numim aceste materiale polietilenă de joasă densitate (LDPE). Dar această nomenclatură nu exista la acea vreme, deoarece nu exista polietilenă de înaltă densitate și nici nu se înțelegea că un astfel de material ar putea fi posibil. Am înțeles de ceva timp că LDPE este alcătuit din lanțuri care conțin o cantitate semnificativă de ramificații. Aceste ramificații lungi împiedică strângerea strânsă a coloanelor vertebrale ale lanțului. Acest lucru limitează capacitatea materialului de a se cristaliza și reduce atracțiile intermoleculare care sunt responsabile pentru asigurarea proprietăților portante, cum ar fi rezistența și rigiditatea.

Dezvoltările continue ale PE au permis procesatorilor să creeze pelicule mai subțiri și mai rezistente ca niciodată. (Sursa: Reifenhauser)

Utilizarea inițială a PE a fost ca izolație pentru fire și cabluri, astfel încât flexibilitatea LDPE a fost un atribut pozitiv. Cu toate acestea, dacă am încerca să fabricăm un produs, cum ar fi o găleată de 5 galoane din LDPE, să o umplem cu 40-60 lb de conținut și apoi să stivuim recipientele pline la trei sau patru înălțimi, acestea s-ar prăbuși rapid. Prin urmare, este de înțeles că aplicațiile PE au fost oarecum limitate în anii 1940 și până la mijlocul anilor 1950.

Intrați Karl Ziegler și Guilio Natta. În 1954, lucrând independent și oarecum în competiție, au descoperit catalizatori care au permis polimerizarea etilenei să aibă loc fără temperaturile și presiunile extreme necesare anterior. Mai important, molecula rezultată era în mare parte lipsită de ramificațiile care caracterizau rezultatele proceselor de înaltă presiune. Aceste molecule liniare se puteau împacheta mai aproape unele de altele, creând un set foarte diferit de proprietăți. Polietilena de înaltă densitate (HDPE) era mai rezistentă, mai rigidă și mai dură, toate acestea fiind consecințe ale gradului mai ridicat de cristalinitate care a apărut din aranjamentul mai regulat al lanțurilor polimerice liniare. De asemenea, era mai puțin rezistent la impact, în special la temperaturi scăzute. Dar rezistența și rigiditatea sporită a materialului au făcut posibile produse precum acele găleți de 5 galoane.

Doi cercetători de la Phillips Petroleum descoperiseră un procedeu similar cu aproximativ un an înaintea lui Ziegler și Natta, iar acest sistem de polimerizare a PE este cunoscut și astăzi sub numele de procedeul Phillips. Cu toate acestea, realizarea tehnică a devenit subiectul unui litigiu lung și îndelungat care nu a fost soluționat până în anii 1980, iar până atunci denumirea Ziegler-Natta s-a înrădăcinat ferm și au împărțit Premiul Nobel pentru Chimie în 1963 pentru realizarea lor.

După ce acești catalizatori cu metale de tranziție au devenit cunoscuți, lumea polietilenei s-a extins rapid. A putut fi fabricată o gamă largă de densități de la 0,91-0,97 g/cm3, cu o gamă largă corespunzătoare de proprietăți. Progrese suplimentare au produs polietilena liniară de joasă densitate (LLDPE) la sfârșitul anilor 1970. Acest material a introdus ramificarea într-un mod mai controlat decât a fost posibil în LDPE-ul tradițional.

Cam în aceeași perioadă abia începea o nouă revoluție în domeniul catalizatorilor, care avea să aibă consecințe de anvergură pentru polietilenă. În 1977, Walter Kaminsky de la Universitatea din Hamburg a demonstrat utilitatea catalizatorilor metaloceni în polimerizarea PE. A fost un drum lung și sinuos de dezvoltare pentru aceste materiale, dar până la sfârșitul anilor 1990 și în primele două decenii ale noului mileniu, PE-urile fabricate cu aceste noi sisteme de catalizatori au adăugat forme ale materialului care anterior erau imposibile. LLDPE catalizat cu metallocene este mai dificil de prelucrat decât LLDPE-ul Ziegler-Natta, la fel cum primele versiuni de LLDPE au fost mai dificile decât LDPE-ul tradițional. Dar, pe măsură ce procesatorii au prins din urmă aceste materiale, îmbunătățirile în materie de performanță au devenit evidente. Filmele au putut fi reduse substanțial, producând în același timp structuri cu performanțe echivalente. Claritatea, rezistența la impact cu săgeți și rezistența la rupere au fost îmbunătățite.

Nivelul sporit de control asupra polimerizării permis de acești catalizatori a dus la un nou set de materiale de polietilenă cu densități de până la 0,86 g/cm3. Nivelurile scăzute de cristalinitate au produs o familie de materiale denumite plastomeri: materiale flexibile și rezistente care puteau duplica proprietățile unor materiale precum copolimerul etilenă-acetat de vinil (EVA) la densități mult mai mici și cu niveluri îmbunătățite de stabilitate termică în topitură.

Cu toată această dezvoltare, sarcina de a selecta PE-ul potrivit pentru o aplicație a devenit din ce în ce mai complicată. Selectarea gradului potrivit de PE a fost întotdeauna mai dificilă decât selectarea altor rășini, tocmai din cauza versatilității neobișnuite a polimerului. În majoritatea familiilor de polimeri, gradele nemodificate și nemodificate se disting în primul rând prin greutatea lor moleculară. Gradele cu greutate moleculară mai mare au performanțe mai bune, dar sunt mai dificil de prelucrat din cauza vâscozității lor de topire mai mari. În general, greutatea moleculară a PE este cuprinsă în specificația privind viteza de curgere în topitură sau indicele de topire.

Dar în cazul PE există o altă proprietate care trebuie luată în considerare atunci când se definește performanța materialului: densitatea. Capacitatea de a specifica două proprietăți în loc de una oferă o varietate mai mare, dar face, de asemenea, mai dificilă ajungerea la o selecție adecvată. Persoana care selectează materialul trebuie să înțeleagă cum se schimbă proprietățile în funcție atât de greutatea moleculară, cât și de densitate. (Distribuția greutății moleculare este încă un alt factor care trebuie luat în considerare, dar ne vom ocupa de acesta mai târziu).

În următoarea rubrică vom defini interacțiunea dintre greutatea moleculară și densitate și apoi vom ilustra importanța de a ști cum să selectăm gradele de PE pe baza acestor doi parametri interrelaționați, dar în cele din urmă independenți.