聚乙烯（Polyethylene ，簡稱PE）是乙烯單體經聚合反應製得的一種熱塑性樹脂。在工業上，也包括乙烯與少量a-烯烴的共聚物。聚乙烯無臭，無毒，手感似蠟，具有優良的耐低溫性能（最低使用溫度可達-100~-70°C）。化學穩定性好，因聚合物分子內通過碳-碳單鍵相連，能耐大多數酸鹼的侵蝕（不耐具有氧化性質的酸）。常溫下不溶於一般溶劑，吸水性小，電絕緣性優良。
聚乙烯對於環境應力（化學與機械作用）是很敏感的，可用一般熱塑性塑膠的成型方法加工。聚乙烯用途十分廣泛，主要用來製造薄膜、包裝材料、容器、管道、單絲、電線電纜、日用品等，並可作為電視、雷達等的高頻絕緣材料。隨著石油化工的發展，聚乙烯生產得到迅速發展，產量約占塑膠總產量的1/4。截至2021年，世界總產能為13300萬噸，預計到2023年底世界產能將達15702萬噸。
2017年10月27日，世界衛生組織國際癌症研究機構公布的致癌物清單初步整理參考，聚乙烯在3類致癌物清單中。
基本介紹
- 中文名：聚乙烯
- 外文名：polyethylene
- 化學式：(C2H4)n
- CAS登錄號：9002-88-4
- EINECS登錄號：618-339-3
- 熔點：85 至 136 ℃
- 水溶性：不溶
- 密度：0.91 至 0.96 g/cm
- 外觀：低分子量為無色液體，高分子量為無色乳白色蠟狀顆粒或粉末
- 閃點：270 ℃
- 安全性描述：S22；S24/25
- 縮寫：PE
研究歷史,分類,LDPE,LLDPE,HDPE,UHMWPE,性能,一般特性,化學特性,力學特性,熱學特性,電學特性,環境特性,加工特性,改性,生產工藝,高壓法,低壓法,中壓法,茂金屬聚乙烯技術,聚乙烯分子量的測定方法,套用,
研究歷史
聚乙烯於1922年由英國ICI公司首次合成。1933年，英國卜內門化學工業公司發現乙烯在高壓下可聚合生成聚乙烯。此法於1939年工業化，通稱為高壓法。1953年聯邦德國K.齊格勒發現以TiCl4-Al(C2H5)3為催化劑，乙烯在較低壓力下也可聚合。此法由聯邦德國赫斯特公司於1955年投入工業化生產，通稱為低壓法聚乙烯。50年代初期，Phillips石油公司和Mobil石油公司分別用氧化鉻和氧化鉬催化劑，在相對較低的溫度、較低壓力下製得高密度聚乙烯，並於1957年實現工業化生產。60年代，加拿大杜邦公司開始以乙烯和a-烯烴用溶液法製成低密度聚乙烯。1977年，美國聯合碳化物公司和陶氏化學公司先後採用低壓法製成低密度聚乙烯，稱作線型低密度聚乙烯，其中以聯合碳化物公司的氣相法最為重要。線型低密度聚乙烯性能與低密度聚乙烯相似，而又兼有高密度聚乙烯的若干特性，加之生產中能量消耗低，因此發展極為迅速，成為最令人注目的新合成樹脂之一。
低壓法的核心技術在於催化劑。德國齊格勒發明的TiCl4-Al(C2H5)3為聚烯烴的第一代催化劑，催化效率較低，每克鈦約得數千克聚乙烯。1963年比利時索爾維公司首創以鎂化合物為載體的第二代催化劑，催化效率達每克鈦得數萬至數十萬克聚乙烯。採用第二代催化劑還可省去脫除催化劑殘渣的後處理工序。以後又發展了氣相法高效催化劑。1975年，義大利蒙特愛迪生集團公司研製成可省去造粒而直接生產球狀聚乙烯的催化劑，被稱作第三代催化劑，是高密度聚乙烯生產的又一變革。
分類
聚乙烯依聚合方法、分子量高低、鏈結構之不同，可分為高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）及線性低密度聚乙烯（LLDPE）和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。
LDPE
性質：無味、無臭、無毒、表面無光澤、乳白色蠟狀顆粒，密度約0.920 g/cm，熔點108℃～126℃。不溶於水，微溶於烴類等。能耐大多數酸鹼的侵蝕，吸水性小，在低溫時仍能保持柔軟性，電絕緣性高。
生產工藝：主要有高壓管式法和釜式法兩種。為降低反應溫度和壓力，管式法工藝普遍採用低溫高活性引發劑引發聚合體系，以高純度乙烯為主要原料，以丙烯、丙烷等為密度調整劑，使用高活性引發劑在約200℃～330℃、150～300MPa條件下進行聚合反應。乙烯與低壓循環氣在前段渦輪壓縮機壓縮至25-30 MPa，再經後段往復超高壓壓縮機壓縮至反應壓力（250-320 MPa），並預熱至150-200℃後送入管式反應器。在管式反應器中，以空氣、氧氣或有機過氧化物為引發劑進行聚合反應，冷卻後抽出反應產物，在高壓分離器中分離出聚合物和未反應的乙烯。
用途：主要用作農膜、工業用包裝膜、藥品與食品包裝薄膜、機械零件、日用品、建築材料、電線、電纜絕緣、塗層和合成紙等。
LLDPE
性質：由於LLDPE和LDPE的分子結構明顯不同，性能也有所不同。與LDPE相比，LLDPE具有優異的耐環境應力開裂性能和電絕緣性，較高的耐熱性能、抗衝擊和耐穿刺性能等。生產工藝：LLDPE樹脂主要利用全密度聚乙烯裝置生產，代表性的生產工藝為Innovene工藝和UCC的Unipol工藝。
用途：可用於生產薄膜、日用品、管材、電線電纜等。
HDPE
性質：本色、圓柱狀或扁圓狀顆粒，顆粒光潔，粒子的尺寸在任意方向上應為2~5 mm，無機械雜質，具熱塑性。粉料為白色粉末，合格品允許有微黃色。常溫下不溶於一般溶劑，但在脂肪烴、芳香烴和鹵代烴中長時間接觸時能溶脹，在70℃以上時稍溶於甲苯、乙酸戊酯中。在空氣中加熱和受日光影響發生氧化作用。能耐大多數酸鹼的侵蝕。吸水性小，在低溫時仍能保持柔軟性，電絕緣性高。
生產工藝：採用氣相法和淤漿法兩二種生產工藝。
用途：可用於生產薄膜製品、日用品及工業用的各種大小中空容器、管材、包裝用的壓延帶和結紮帶、繩纜、漁網和編織用纖維、電線電纜等。
UHMWPE
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是指分子量 100 萬以上聚乙烯的統稱，主要用於塑膠改性、管材、高強度板、纖維等高端領域。超高分子量聚乙烯是由乙烯聚合而成，生產過程與普通淤漿高密度聚乙烯的生產過程相類似，都是採用齊格勒催化劑在一定條件下使乙烯聚合，即乙烯聚合、分離、乾燥。
性能
一般特性
聚乙烯樹脂為無毒、無味的白色粉末或顆粒，外觀呈乳白色，有似蠟的手感，吸水率低，小於0.01%。聚乙烯膜透明，並隨結晶度的提高而降低。聚乙烯膜的透水率低但透氣性較大，不適於保鮮包裝而適於防潮包裝。易燃、氧指數為17.4，燃燒時低煙，有少量熔融落滴，火焰上黃下藍，有石蠟氣味。聚乙烯的耐水性較好。製品表面無極性，難以粘合和印刷，經表面處理有所改善。支鏈多，使其耐光降解和耐氧化能力差。
聚乙烯分子量在1萬~10萬範圍內，分子量超過10萬的為超高分子量聚乙烯。分子量越高，其物理力學性能越好，越接近工程材料的要求。但分子量越高，其加工的難度也隨之增大。聚乙烯熔點為100~130℃，其耐低溫性能優良。在-60℃下仍可保持良好的力學性能，使用溫度在80~110℃。
常溫下不溶於任何已知溶劑中，70℃以上可少量溶解於甲苯、乙酸戊酯、三氯乙烯等溶劑中。
化學特性
聚乙烯化學穩定性較好，室溫下可耐稀硝酸、稀硫酸和任何濃度的鹽酸、氫氟酸、磷酸、甲酸、氨水、胺類、過氧化氫、氫氧化鈉、氫氧化鉀等溶液。但不耐強氧化性酸的腐蝕，如發煙硫酸、濃硝酸、鉻酸與硫酸的混合液，在室溫下會對聚乙烯產生緩慢的侵蝕作用。在90~100℃下，濃硫酸和濃硝酸會快速地侵蝕聚乙烯，使其破壞或分解。聚乙烯容易光氧化、熱氧化、臭氧分解，在紫外線作用下容易發生降解，炭黑對聚乙烯有優異的光禁止作用。受輻射後還可發生交聯、斷鏈、形成不飽和基團等反應。
力學特性
聚乙烯的力學性能一般，拉伸強度較低，抗蠕變性不好，耐衝擊性好。衝擊強度LDPE>LLDPE>HDPE，其他力學性能LDPE<LLDPE<HDPE。主要受密度、結晶度和相對分子質量的影響，隨著這幾項指標的提高，其力學性能增大。耐環境應力開裂性不好，但當相對分子質量增加時，有所改善。耐穿刺性好，其中LLDPE最好。
熱學特性
聚乙烯的耐熱性不高，隨相對分子質量和結晶度的提高有所改善。耐低溫性能好，脆性溫度一般可達-50℃以下；並隨相對分子質量的增大，最低可達-140℃。聚乙烯的線膨脹係數大，最高可達(20～24)×10/K。熱導率較高。
電學特性
因聚乙烯無極性，所以具有介電損耗低、介電強度大的電性能優異，即可以做調頻絕緣材料、耐電暈性塑膠，又可以做高壓絕緣材料。
環境特性
聚乙烯屬於烷烴惰性聚合物，具有良好的化學穩定性。在常溫下耐酸、鹼、鹽類水溶液的腐蝕，但不耐強氧化劑如發煙硫酸、濃硝酸和鉻酸等。聚乙烯在60℃以下不溶於一般溶劑，但與脂肪烴、芳香烴、鹵代烴等長期接觸會溶脹或龜裂。溫度超過70℃後，可少量溶於甲苯、乙酸戊酯、三氯乙烯、松節油、礦物油及石蠟中。
由於聚乙烯分子中含有少量雙鍵和醚鍵，日曬、雨淋都會引起老化，需要加入抗氧劑和光穩定劑改善。
加工特性
因LDPE、HDPE的流動性好，加工溫度低，粘度大小適中，分解溫度低，在惰性氣體中高溫300℃不分解，所以是一種加工性能很好的塑膠。但LLDPE的粘度稍高，需要增加電機功率20~30%；易發生熔體破裂，需增加口模間隙和加入加工助劑；加工溫度稍高，可達200~215℃。聚乙烯的吸水率低，加工前不需要乾燥處理。
聚乙烯熔體屬於非牛頓流體，粘度隨溫度的變化波動較小，而隨剪下速率的增加下降快，並呈線性關係，其中以LLDPE的下降最慢。
聚乙烯製品在冷卻過程中容易結晶，因此，在加工過程中應注意模具溫度。以控制製品的結晶度，使之具有不同的性能。聚乙烯的成型收縮率大，在設計模具時一定要考慮。
改性
氯化聚乙烯：以氯部分取代聚乙烯中的氫原子而得到的無規氯化物。氯化是在光或過氧化物的引發下進行的，工業上主要採用水相懸浮法來生產。由於原料聚乙烯的分子量及其分布、支化度及氯化後的氯化度、氯原子分布和殘存結晶度的不同，可得到從橡膠狀到硬質塑膠狀的氯化聚乙烯。主要用途是作聚氯乙烯的改性劑，以改善聚氯乙烯抗衝擊性能。氯化聚乙烯本身還可作為電絕緣材料和地面材料。
氯磺化聚乙烯：當聚乙烯與含有二氧化硫的氯作用時，分子中的部分氫原子被氯和少量的磺醯氯基團取代，就得到氯磺化聚乙烯。主要的工業製法為懸浮法。氯磺化聚乙烯耐臭氧、耐化學腐蝕、耐油、耐熱、耐光、耐磨和抗拉強度較好，是一種綜合性能良好的彈性體，可用以製作接觸食品的設備部件。
交聯聚乙烯：採用輻射法（X射線、電子射線或紫外線照射等）或化學法（過氧化物或有機矽交聯）使線型聚乙烯成為網狀或體型的交聯聚乙烯。其中有機矽交聯法工藝簡單，操作費用低，且成型與交聯可分步進行，宜採用吹塑和注射成型。交聯聚乙烯的耐熱性、耐環境應力開裂性及機械性能均比聚乙烯有較大提高，適於作大型管材、電纜電線以及滾塑製品等。
聚乙烯的共混改性：將線型低密度聚乙烯和低密度聚乙烯摻混後，就可用於加工薄膜及其他製品，產品性能比低密度聚乙烯好。聚乙烯和乙丙橡膠共混可製得用途廣泛的熱塑性彈性體。
生產工藝
聚乙烯按聚合壓力可以分為高壓法、中壓法、低壓法。
高壓法用來生產低密度聚乙烯，這種方法開發得早，用此法生產的聚乙烯至今約占聚乙烯總產量的2/3，但隨著生產技術和催化劑的發展，其增長速度已大大落後於低壓法。低壓法就其實施方法來說，有淤漿法、溶液法和氣相法。淤漿法主要用於生產高密度聚乙烯，而溶液法和氣相法不僅可以生產高密度聚乙烯，還可通過加共聚單體，生產中、低密度聚乙烯，也稱為線型低密度聚乙烯。各種低壓法工藝發展很快。
高壓法
用氧或過氧化物等作引發劑，使乙烯聚合為低密度聚乙烯的方法。乙烯經二級壓縮後進入反應器，在壓力100~300 MPa、溫度200~300℃及引發劑作用下聚合為聚乙烯，反應物經減壓分離，使未反應的乙烯回收後循環使用，熔融狀的聚乙烯在加入塑膠助劑後擠出造粒。
所用聚合反應器有管式反應器（管長可達 2000 m）和釜式反應器兩種。管式法流程的單程轉化率20~34%，單線年生產能力100 kt。釜式法流程的單程轉化率20~25%，單線年生產能力180 kt。
低壓法
①淤漿法：生成的聚乙烯不溶於溶劑而呈淤漿狀。淤漿法聚合條件溫和，易於操作，常用烷基鋁作活化劑，氫氣作分子量調節劑，多採用釜式反應器。由聚合釜出來的聚合物淤漿經閃蒸釜、氣液分離器到粉料乾燥機，然後去造粒。生產過程中還包括溶劑回收、溶劑精製等步驟。採用不同的聚合釜串聯或並聯的組合方式，可以得到不同分子量分布的產品。
②溶液法：聚合在溶劑中進行，但乙烯和聚乙烯均溶於溶劑中，反應體系為均相溶液。反應溫度（≥140℃）、壓力（4～5MPa）較高。特點是聚合時間短，生產強度大，可兼產高、中、低三種密度的聚乙烯，能較好地控制產品的性質；但溶液法所得聚合物分子量較低，分子量分布窄，固體物含量較低。
③氣相法：乙烯在氣態下聚合， 一般採用流化床反應器。催化劑有鉻系和鈦系兩種，由貯罐定量加入到床層內，用高速乙烯循環以維持床層流態化，並排除聚合反應熱。生成的聚乙烯從反應器底部出料。反應器的壓力約2 MPa，溫度85～100℃。氣相法是生產線型低密度聚乙烯最主要的方法，氣相法省去了溶劑回收和聚合物乾燥等工序，且比溶液法節省投資15%和操作成本10%。為傳統高壓法投資的30%，操作費的1/6。因而得到了迅速發展。但氣相法在產品質量及品種上有待進一步改進。
中壓法
用負載於矽膠上的鉻系催化劑，在環管反應器中，使乙烯在中壓下聚合，生產高密度聚乙烯。
加工和套用：可用吹塑、擠出、注射成型等方法加工，廣泛套用於製造薄膜、中空製品、纖維和日用雜品等。在實際生產中，為了提高聚乙烯對紫外線和氧化作用的穩定性，改善加工及使用性能，需加入少量塑膠助劑。常用的紫外線吸收劑為鄰羥基二苯甲酮或其烷氧基衍生物等，炭黑是優良的紫外線禁止劑。此外，還加入抗氧劑、潤滑劑、著色劑等，使聚乙烯的套用範圍更加擴大。
茂金屬聚乙烯技術
茂金屬聚乙烯技術是利用目前聚乙烯工藝使用茂金屬催化劑或非茂金屬催化劑生產分子量分布窄的聚乙烯產品，國外生產企業有陶氏、埃克森、LG、三井，國內裝置有齊魯、大慶、獨山子，目前廣州石化、揚子石化、茂名石化也都在積極開展茂金屬產品的開發工作。
茂金屬聚乙烯產品光學性能優, 高透; 剛性/韌性平衡，利於減薄和樹脂簡化，耐穿刺性和抗拉強度優，在低溫和收縮膜、管材料上有很大優勢。
聚乙烯分子量的測定方法
高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（LDPE）的分子量和分子量分布主要由凝膠色譜（GPC）測得。而對於超高分子量聚乙烯（UHMWPE）來說，普通的 GPC測試方法存在著一定的困難，色譜柱不合適、標樣分子量有限以及樣品溶解困難，導致測試精度和重複性均不能滿足要求。目前UHMWPE樣品的分子量主要通過粘度法測得。
不同分子量聚乙烯的表征方法
套用
高壓聚乙烯：一半以上用於薄膜製品，其次是管材、注射成型製品、電線包裹層等。
中低壓聚乙烯：以注射成型製品及中空製品為主。
超高壓聚乙烯：由於超高分子聚乙烯優異的綜合性能，可作為工程塑膠使用。
