从零开始 | 从原料到好管，全面了解聚乙烯(PE)材料

上期从零开始，我们介绍了PVC原料，了解到PVC材料因为有着诸多优点，成为了产量仅此于聚乙烯塑料的材料。作为世界上用量最多的材料，它有什么样独特的性能呢？。既然我们讲到了产量第二的材料，那么就不得不讲一下排在第一的聚乙烯（PE）。作为世界上用量最多的材料，今天我们就深入了解，揭开聚乙烯（PE）的神秘面纱。

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聚乙烯的定义

聚乙烯（polyethylene ，简称PE）是树脂分子中结构最为简单的一种，也是目前产量最大的树脂品种之一，用途极为广泛的一种颗粒，见图1。它是由单体乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂，分子无极性，在工业上，也包括乙烯与少量α-烯烃的共聚物。聚乙烯无臭，无毒，手感似蜡，具有优异的电绝缘性和化学稳定性，可耐大部分酸、碱、盐等介质的侵蚀，易于成型加工，并且品种较多，可满足不同的性能要求。

图1 聚乙烯原料颗粒

图2 聚乙烯分子的球棍模型

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聚乙烯的分类

从表面上看，聚乙烯分子是由碳、氢元素有序排列而成，实际上，由微观分子示意图可以看到，聚乙烯分子链并不完美。根据聚乙烯大分子链结构不同，我们可以将其分为低密度聚乙烯（LDPE）、线性低密度聚乙烯（LLDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）三种类型,见图4。

图4 不同结构的聚乙烯分子链

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三种类型聚乙烯原料的比对

我们可以通过下表对比三种类型的PE树脂的性能。

表1 三种不同类型的PE树脂物理化学性能比对

PE的力学性能、耐低温性能、耐环境应力开裂性能等均与密度、结晶度和相对分子量有关联。聚乙烯材料中结晶部分具有较高的强度，非结晶部分柔性和弹性较好，力学性能随相对分子量、密度和结晶度这三种集中指标的增大而提高，早期LDPE材料强度和刚性较低，经过几十年的发展，LDPE升级到LLDPE，材料在性能方面得到提升，使用LLDPE材料生产在管材具有耐蠕变、耐开裂等优良性能，至20世纪80年代末，运用PE100材料生产管材，管材具备耐快速开裂、耐蠕变性好等优异性能。

此外，材料的加工性能、力学性能与相对分子量密切相关，普通聚乙烯的相对分子量在1.5万～30万，而超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种极为坚韧的工程塑料，其相对分子量在150万以上。PE的耐热性不高但耐低温性能优异，脆性温度一般可达－50℃以下，并随相对分子质量的增大，最低可达－140℃。一般聚乙烯材料易产生环境应力开裂，但随着相对分子质量的提高，其耐环境应力开裂能力增强，所以管材生产中选择相对分子量较大的HDPE进行生产，可保证产品的优异性能。由此可见，聚乙烯树脂的相对分子量的大小尤其重要，在日常来料检测管控中，我们用熔体流动速率试验机测量PE树脂的熔体流动速率（MFR）来衡量PE树脂相对分子量的大小，以确认树脂质量符合产品生产要求。通过图5可以了解MFR与熔体黏度、成型加工的关系：

图5  MFR与熔体粘度、成型加工的关系图

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不同类型的聚乙烯树脂用途不同

聚乙烯的类型不同，其应用范围也不同，见表2及。

表2 三种PE树脂用途及比对

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PE成型加工特点

（1）PE为结晶性原料，吸湿性极小，不超过0.01%，因此在加工前无需进行干燥处理。

（2）PE分子链柔性好，键间作用力小，熔体粘性低，流动性极好，因此成型时无需太高压力就能成型出制品。

（3）PE的收缩率范围大，收缩值大，方向性明显，LDPE收缩率为1.22%左右，HDPE收缩率在1.5%左右。因此容易变形翘曲，模具冷却条件对收缩率的影响很大，故应该控制好模具温度，保持冷却均匀、稳定。

（4）PE的结晶能力高，模具的温度对塑件的结晶状况有很较大的影响。模温高，熔体冷却慢，塑件结晶度高，强度也就高。

（5）PE的熔点不高，但比热容较大，因此塑化时仍需要消耗较多的热量，故要求塑化装置要有较大的加热功率，以便提高生产效率。

（6）PE熔体的非牛顿性不明显，剪切速率的改变对粘度的影响较小，PE熔体粘度受温度的影响也较小。

（7）PE熔体的冷却速度较慢，因此必须充分冷却，模具应该有较好的冷却系统。

（8）PE的成型温度较宽，一般在200℃～250℃，在流动状态下，温度的少许波动对挤出及注塑成型没有影响。

（9）PE的热稳定性较好，一般在300℃以下无明显的分解现象，对质量无太大影响。

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PE在塑料管道中的应用

随着经济的发展和人民的生活水平不断提高，非金属管材正异军突起，PE材料广泛应用于各种给排水管道。PE管分为高密度聚乙烯管（HDPE）、中密度聚乙烯管（MDPE）和低密度聚乙烯管（LDPE），但在给排水领域中，应用最广泛的是高密度聚乙烯管。同钢管相比HDPE管的强度较低，但其断裂伸长率却非常高，延伸性好，这就意味着当地面不均匀沉降时，柔韧的HDPE管能够抗变形而不断裂。并且PE是一种无毒塑料，绿色环保。    

图6  PE管材生产工艺流程图

图7  PE管件生产工艺流程图

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PE管材的特点

（1）耐腐蚀：管道地下埋设不需要做防腐层，使用寿命长。

（2）无泄漏：可采用热熔连接，接口强度高。

（3）高韧性：PE管道的断裂伸长率一般超过500％，对地面沉降的适应能力非常强。

（4）重量轻：PE密度较小，管材整体重量轻，施工劳动强度降低。

（5）水阻小：管道内表面光滑，水流阻力小。