매일 사용합니다. 그러나 폴리에틸렌 플라스틱이란 무엇입니까?

이 유비쿼터스 현대 소재의 101

폴리에틸렌은 지금까지 가장 일반적인 소비자 플라스틱 유형이며 많은 일상 재료에 사용됩니다. 이것은 열가소성 제품입니다. 즉, 액체로 녹았다가 다시 냉각되어 고체로 여러 번 반복될 수 있습니다. 다양한 가공 조건으로 인해 스펙트럼의 한쪽 끝에 있는 유연한 접착 랩에서 다른 쪽 끝에 있는 단단한 기둥 기둥 덮개에 이르기까지 매우 다양한 용도로 사용할 수 있는 다양한 등급의 폴리에틸렌이 생성됩니다.

폴리에틸렌의 가장 매력적인 특성 중 하나는 내구성입니다. 변색 및 치핑에 강하며 산 및 부식성 용액과 같은 많은 화학 물질에 영향을 받지 않습니다. 폴리에틸렌은 우수한 전기 절연체입니다. 극도로 추운 조건에서도 특성을 유지하지만 고온에서는 녹을 수 있습니다.

폴리에틸렌 플라스틱:탄소-수소 분자

분자 구조 및 일반 특성

폴리에틸렌은 2개의 탄소 원자와 4개의 수소 원자로 구성된 에틸렌 분자가 가장 기본적인 구성 요소인 탄화수소 사슬로 구성됩니다. 에틸렌 분자가 직쇄 또는 분기 사슬로 결합되면 폴리에틸렌이 형성됩니다. 이 과정은 2개의 탄소 원자 사이의 이중 결합을 분리하고 다음 에틸렌 분자에 결합하기 위해 자유 라디칼을 생성하는 것을 포함합니다. 거대 분자는 공유 결합되어 있지 않지만 분자간 힘을 통해 결정 구조로 함께 유지됩니다. 측면 가지 수가 적을수록 결정화도가 낮아지고 밀도가 높아집니다. 폴리에틸렌의 다른 유형에 대한 다양한 특성에서 관찰할 수 있습니다.

폴리에틸렌은 내후성이 있지만 장기간 햇빛에 노출되면 부서지기 쉽습니다. 이 한계는 UV 안정제를 추가하여 극복할 수 있습니다. 그것은 점화될 수 있으며 플라스틱이 떨어지는 원인이 되는 노란색 끝이 파란색 불꽃으로 점화원이 제거된 후에도 계속 연소됩니다. 폴리에틸렌의 표면 특성은 전처리 없이 서로 달라붙거나 각인되는 것을 방지합니다. 폴리에틸렌은 재료의 등급, 제품의 두께, 첨가제의 유무에 따라 투명, 유백색 또는 불투명할 수 있습니다.

폴리에틸렌의 분류

저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 폴리머 사슬에 긴 가지와 짧은 가지가 모두 형성됩니다. 이러한 가지가 있으면 사슬이 너무 촘촘하게 묶이지 않도록 하여 LDPE에 유연성을 부여하여 비닐 봉지, 전선 절연 및 플라스틱 랩과 같은 응용 분야에 적합합니다. LDPE는 산, 염기, 알코올, 알데히드, 케톤 및 식물성 기름을 포함한 대부분의 화학 물질에 대한 내성이 높습니다. 또한 수분 흡수율이 매우 낮습니다.

선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) LDPE와 유사하지만 짧은 측면 가지가 많은 선형 체인으로 구성됩니다. 그것은 종종 에틸렌과 1-부텐, 1-헥센 및 1-옥텐과 같은 알파 올레핀의 공중합을 사용하여 생산됩니다. 구성식을 조절하여 완성품의 특성을 조작할 수 있습니다.

고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 분자간 힘에 의해 함께 유지되는 대부분의 직쇄 분자로 구성됩니다. 측면 가지가 없으면 체인이 함께 단단히 압축됩니다. 이 고밀도로 인해 제품이 적당히 단단해져서 도마, 주스 용기, 플라스틱 목재 및 장난감과 같은 용도에 적합합니다. HDPE는 내화학성이 우수하며 매우 낮은 온도(화씨 -76도)에서도 견고합니다. 그것은 비바람에 견디는 왁스 같은 표면 질감을 가지고 있습니다.

초고분자량 폴리에틸렌(UWMPE) 매우 긴 사슬을 가지고 있으며 강철보다 인장 강도가 더 높은 나사산으로 회전할 수 있습니다. 긴 직선 사슬 사이의 분자간 힘의 강도는 매우 높은 충격 강도를 가진 견고한 소재를 만듭니다. 방탄 조끼와 같은 용도에 사용됩니다. 다른 폴리에틸렌 유형과 마찬가지로 UHMWPE는 산화성 산을 제외하고 대부분의 화학 물질에 내성이 있습니다. 또한 수분 흡수율이 낮지만 자체 윤활 특성으로 인해 내마모성이 매우 뛰어납니다.

ASTM(American Society for Testing and Measurement)은 다양한 응용 분야에 대한 사양을 포함하여 다양한 등급의 폴리에틸렌에 대한 사양을 결정합니다. 다양한 등급의 폴리에틸렌의 주요 특성은 다음 표에 나와 있습니다.

LDPE

HDPE

UHMWPE

밀도(lb/in3)

.035

.034

흡수, 24시간(%)

<0.01

인장 강도

1,800 – 2,200

4,600

3,100

노치 충격 강도

휴식 없음

선형 열팽창 계수(x10^-5 in/in/deg F)

최대 연속 사용 온도(def F)

160

180

약. 용융 온도(섭씨 화씨)

230

260

280

단시간 절연 강도(V/mil), 두께 1/8″

460-700

450-500

900

LDPE

밀도(lb/in3)

.035

흡수, 24시간(%)

<0.01

인장 강도

1,800 – 2,200

노치 충격 강도

휴식 없음

선형 열팽창 계수(x10^-5 in/in/deg F)

최대 연속 사용 온도(def F)

160

약. 용융 온도(섭씨 화씨)

230

단시간 절연 강도(V/mil), 두께 1/8″

460-700

HDPE

밀도(lb/in3)

.035

흡수, 24시간(%)

인장 강도

4,600

노치 충격 강도

선형 열팽창 계수(x10^-5 in/in/deg F)

최대 연속 사용 온도(def F)

180

약. 용융 온도(섭씨 화씨)

260

단시간 절연 강도(V/mil), 두께 1/8″

450-500

UHMWPE

밀도(lb/in3)

.034

흡수, 24시간(%)

인장 강도

3,100

노치 충격 강도

휴식 없음

선형 열팽창 계수(x10^-5 in/in/deg F)

최대 연속 사용 온도(def F)

180

약. 용융 온도(섭씨 화씨)

280

단시간 절연 강도(V/mil), 두께 1/8″

900

폴리에틸렌 플라스틱은 어떻게 만들어지나요?

폴리에틸렌의 기본 빌딩 블록은 2개의 탄소 원자와 4개의 수소 원자로 구성된 에텐 분자입니다. 에텐은 천연 가스에서 발견되며 원유 정제 과정에서도 생성됩니다. 정유 1단계의 제품 중 하나는 촉매 분해기를 통해 처리되어 옥탄가가 높은 물질을 생산하는 나프타입니다. 이 분해 공정은 또한 폴리에틸렌으로 추가 처리하기 위해 다른 제품에서 분리되는 에텐을 생성합니다. 에텐은 기체입니다.

폴리에틸렌은 생성되는 제품의 등급에 따라 가공 방법이 다릅니다.

LDPE는 에텐 가스를 50,000psi의 압력으로 압축하여 만든 후 냉각되어 반응기에 공급됩니다. 개시제가 반응기에 첨가되어 중합 반응이 일어납니다. 반응기에서 물질을 지속적으로 교반하면 최대 전환율이 보장됩니다. 반응 후 사용하지 않은 에텐은 제품에서 분리되어 압축기로 다시 재활용됩니다. 폴리머는 압출되어 펠릿으로 절단되고 저장 사일로에 들어가기 전에 건조됩니다. 펠렛은 일반적으로 고객에게 발송하기 위해 포장되어 최종 소비자 제품으로 가공됩니다.

HDPE는 촉매 공정으로 만들어지기 때문에 폴리에틸렌의 제조 공정이 더 낮은 온도와 압력에서 일어날 수 있습니다. 초기에는 Ziegler-Natta 및 크롬 촉매가 사용되었지만 생산 공정 및 제품 특성을 개선하기 위해 새로운 유형의 촉매가 지속적으로 개발되고 있습니다. 일부 공정에서는 서로 다른 유형의 폴리에틸렌을 하나의 배치로 혼합하여 서로 다른 제품 등급 간의 경계를 모호하게 만들기도 합니다.

LLDPE는 또한 알파 올레핀(부탄, 헥산)과 같은 공중합체를 첨가하여 촉매 공정에서 생산됩니다. LLDPE의 분자 구조는 짧은 가지가 많은 긴 사슬입니다.

UHMWPE는 메탈로센 촉매를 사용하여 생산되므로 탄화수소 사슬이 매우 길어집니다(단량체 성분 분자 100,000개 이상). 겔 방사라고 하는 2차 공정은 가열된 UHMWPE 겔을 사용하여 방사구를 통해 압출합니다. 제품은 수조에서 냉각됩니다. 이 방적 공정을 통해 높은 수준의 분자 배향(95%)을 갖는 섬유가 생성되어 매우 높은 인장 강도를 제공합니다.

폴리에틸렌을 사용한 플라스틱 성형

폴리에틸렌은 공장에서 펠렛 형태로 생산되며 사양에 따라 등급이 매겨집니다. 고객들은 이 펠릿을 열과 압력을 가해 녹인 다음 액체 플라스틱을 최종 형태로 성형하는 자체 제조 공정에서 원료로 사용합니다. 폴리에틸렌은 원료의 등급과 필요한 완제품의 종류에 따라 다양한 성형 방법이 있습니다.

사출 성형
사출 성형은 폴리에틸렌으로 완제품을 만드는 가장 일반적인 두 가지 방법 중 하나입니다. 펠렛은 회전하는 오거가 게이트를 통해 금형으로 용융 플라스틱을 밀어 넣는 가열된 실린더에 공급됩니다. 10,000~30,000psi의 고압으로 폴리에틸렌을 일정량 주입합니다. 사출이 완료되면 금형을 열기 전에 금형을 냉각하고 완제품을 꺼냅니다. 양동이, 병뚜껑과 같은 대량 생산 제품을 제조하는 데 사용되는 일반적인 공정입니다.
중공 성형
중공 성형은 제품에 공동이 있는 병 및 주사기와 같은 제품을 만드는 데 사용됩니다. 블로우 성형 공정에서 첫 번째 단계는 표준 사출 금형을 사용하여 코어 핀 주위에 프리폼을 성형하는 것입니다. 프리폼이 냉각되면 두 번째 금형의 중앙에 배치됩니다. 프리폼은 재가열되고 압축 공기는 코어 핀을 통해 공급되어 용융 플라스틱을 최종 몰드의 내벽에 불어넣어 내부 캐비티를 생성합니다. 냉각되면 핀이 제거됩니다.
압축 성형
압축 성형은 주로 여러 번 재가열 및 재성형할 수 없는 플라스틱인 열경화성 플라스틱에 사용됩니다. 분말 및 기타 재료를 혼합물에 추가하여 특수 특성을 생성하거나 최종 제품을 강화할 수 있습니다. 이 과정에서 플라스틱은 플라스틱에 압력을 가하는 가열된 판으로 성형됩니다. 이 공정의 짧은 주기는 자동차 산업 부품과 같은 대량 응용 분야에 매력적입니다.
트랜스퍼 몰딩
이송 성형은 플라스틱을 압축 성형 공정으로 옮기기 전에 용융 상태로 가열하는 것입니다. 작은 구멍이나 금속 인서트가 많은 경우 용융된 플라스틱이 정렬을 방해하지 않으면서 이들 주위에 더 쉽게 형성됩니다.
필름 인서트 성형
이 공정은 플라스틱을 사출하기 전에 사출 금형에 필름이나 직물 재료를 삽입하여 필름이 완제품 내에 포착되도록 하는 과정입니다.
압출
압출은 사출 성형과 함께 폴리에틸렌을 원하는 모양으로 만드는 가장 보편적인 방법 중 하나입니다. 펠렛은 호퍼를 통해 가열된 챔버로 공급되며, 여기에서 오거는 용융 플라스틱을 앞으로 밀어냅니다. 가열된 챔버의 끝에는 플라스틱이 대기 중으로 나올 때 모양을 만드는 다이가 있습니다. 이 프로세스는 연속 시트, 튜브, 케이블, 파이프 등을 만드는 데 사용됩니다. 완제품은 공냉식 컨베이어 벨트에 놓입니다(때로는 송풍기 지원). 냉각 과정을 가속화하기 위해 제품을 물에 넣을 수도 있습니다.
가스 사출 성형
가스 사출 성형에서 표준 사출 성형 공정은 추가 단계를 통해 향상됩니다. 금형은 필요한 총 용융 플라스틱의 70%까지 채워진 다음 가스를 챔버로 펌핑하여 플라스틱을 금형 끝으로 밀어 넣습니다. 최종 제품은 가스 분사로 인해 중앙이 비어 있고 플라스틱 사용량이 적습니다.
회전 성형
플라스틱 분말을 중공 금형에 넣고 회전 허브에 고정합니다. 허브는 용광로 내부의 2축에서 회전하여 플라스틱이 녹아서 금형의 내부 벽을 코팅합니다. 허브는 종종 금형 외부에 물을 분사하는 냉각 주기를 통해 계속 회전합니다. 마지막으로 완제품이 제거됩니다. 이 방법의 장점은 금형의 단순성, 필요한 압력의 부족, 완제품의 용접 및 접합의 부족입니다.
구조적 발포 성형
용융된 플라스틱을 압축 가스와 함께 어큐뮬레이터에 주입하여 플라스틱에 거품 효과를 냅니다. 어큐뮬레이터에서 발포 플라스틱이 금형에 주입됩니다. 어큐뮬레이터에서 금형으로의 압력 강하는 플라스틱이 팽창하여 금형을 채우도록 합니다. 쿨링 후에는 피부가 매끄럽지만 내부 코어가 발포되어 완성품에 높은 강성을 부여합니다.
열성형
열성형 및 진공 성형은 플라스틱 시트를 가져와 부드러워질 때까지 가열한 다음 금형 위에 드레이프하여 수행합니다. 어떤 경우에는 양의 기압이 가해지고 다른 경우에는 금형에 대해 플라스틱을 누르기 위해 진공이 생성됩니다. 냉각 후 완제품을 배출합니다.
반응 사출 성형
반응 사출 성형은 플라스틱 제품을 성형하는 새로운 기술입니다. 플라스틱은 기존 사출 성형보다 낮은 온도에서 다른 구성 요소와 혼합됩니다. 플라스틱에 압력을 가하기 위해 금형 내부에서 발열 반응이 발생합니다. 더 낮은 온도와 압력이 필요하므로 생산 비용이 절감됩니다. 유리 섬유를 혼합물에 첨가하여 완제품에 강도를 더할 수도 있습니다.

유지 관리

폴리에틸렌은 내구성이 매우 뛰어난 소재로 쉽게 마모되거나 약해지지 않습니다. 그러나 햇빛에 계속 노출되면 시간이 지남에 따라 제품이 부서질 수 있습니다. 요소에 노출된 파이프라인 또는 탱크의 경우, 거미줄 또는 취성으로 인한 균열을 식별하기 위해 검사 주기를 권장합니다.

폴리에틸렌 제품의 수명과 내구성은 너무 좋아서 많은 제조업체에서 유지 보수가 필요 없다고 설명합니다.

응용 프로그램

폴리에틸렌은 소비재에 사용되는 열가소성 수지의 가장 일반적인 형태이며 다양한 용도로 사용됩니다. 다음은 보다 일반적인 용도 중 일부입니다.

식품 포장재: 폴리에틸렌은 수분 흡수 및 화학적 손상에 매우 강하기 때문에 식품 포장 용도로 사용하기에 안전한 것으로 인증되었습니다.
의료용 튜브: 폴리에틸렌은 다공성이 없기 때문에 오염에 대한 내성이 있어 카테터 및 기타 의료 제품에 사용하기에 이상적인 소재입니다.
물통, 병 및 쓰레기통: 플라스틱의 경도와 응력에 대한 내구성으로 인해 소비재에 적합합니다.
방탄 조끼: UHMWPE 섬유는 인장 강도가 높으면서도 매우 가벼워서 안전 용도에 이상적입니다.
고장력 케이블: 가벼우므로 설치가 쉽지만 강하기 때문에 복잡한 산업 응용 분야에 유용합니다.

재활용

플라스틱 제품은 환경에 미치는 영향으로 인해 많은 나쁜 언론을 받았지만 대부분의 잠재적 오염 물질과 마찬가지로 환경 손상을 초래하는 것은 제품 자체가 아니라 인간의 행동입니다. 폴리에틸렌은 생분해되지 않아 매립지를 통해 처분하기에 부적합한 물질입니다.

그러나 폴리에틸렌의 특성은 녹여서 다른 제품으로 재성형할 수 있기 때문에 재활용에 이상적입니다. 또한 화학적 오염 및 액체 흡수에 대한 내성은 재활용 제품에 많은 불순물이 포함되어 있지 않음을 의미합니다. 때로는 재활용품과 미사용 재료가 최종 소비자 제품의 형성 과정에서 함께 혼합됩니다. 재활용 번호 #2는 HDPE에 적용되고 #4는 LDPE에 적용됩니다. 많은 재활용 시설에서 재사용을 위해 이 두 등급을 모두 처리할 수 있습니다.

사람들이 지속 가능한 라이프스타일을 지향하고 재활용 기술이 발전함에 따라 이전에 환경적 위험 요소로 간주되었던 많은 재료(예: 고무)가 더 빠른 속도로 재활용되고 있습니다.