聚乙烯材料的特点分析及几种改性方法的介绍

聚乙烯材料的特点分析及几种改性方法

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聚乙烯材料的特点分析及几种改性方法的介绍

当今世界是材料的世界，任何行业任何领域的工作都要用到材料。什么是材料呢？课本告诉我们具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质称为材料。材料的分类有很多种，最为广泛应用的是按化学组成分类，它把材料分为金属材料、无机材料和有机（高分子材料）材料三类。今天我们主要讨论有机材料即高分子材料。

高分子材料（macromolecular material），以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶黏剂和高分子基复合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合。高分子材料按来源分为天然、半合成（改性天然高分子材料）和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料，并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织物，用木材、棉、麻造纸等。19世纪30年代末期，进入天然高分子化学改性阶段，出现半合成高分子材料。1907年出现合成高分子酚醛树脂，标志着人类应用合成高分子材料的开始。现代，高分子材料已与金属材料、无机非金属材料相同，成为科学技术、经济建设中的重要材料。

生产和科学技术的发展不断对材料提出了各种各样的新的要求。高分子材料科学顺应着这些要求不断向高性能化、高功能化、复合化、精细化和智能化方向发展。高分子材料科学的发展历程可以简单分为三个阶段。第一阶段是天然高分子的利用与加工，第二阶段为天然高分子材料的改性和加工工艺，人们已不满足于简单的天然高分子的功能，改性成为一个重点的研究课题，这一阶段，最具有代表性的是19世纪中叶，德国人用硝酸溶解纤维素，然后纺织成丝或制成膜，并利用其易燃的特性制成炸药，但是硝化纤维素难于加工成型，因此人们在其中加入樟脑，使其易于加工成型，做成了称为“赛璐珞”的塑料材料。从二十世纪初开始，高分子材料科学也就进入了第三阶段的发展，合成高分子的工业生产，目前进入二十一世纪，高分子材料正向功能化、智能化、精细化方向发展，使其由结构材料向具有光、电、声、磁、生物医学、仿生、催化、物质分离及能量转

换等效应的功能材料方向发展，分离材料，智能材料，贮能材料，光导材料，纳米材料，电子信息材料等的发展表明了这种发展趋势。因此可见，无论使高分子材料具备什么功能，改性是其最基本的思想。

在这里我就对高分子材料中最为常见的聚乙烯材料作为例子，简单分析一下其特点及改性方法。

聚乙烯--简称PE 英文名称：Polyethylene 聚乙烯(PE)是五大合成树脂之一，是我国合成树脂中产能最大、进口量最多的品种。聚乙烯主要分为线性低密度聚乙烯 (LLDPE )、低密度聚乙烯 (LDPE )、高密度聚乙烯 (HDPE )三大类。

聚乙烯的性能特点：

（1）常温下聚乙烯不溶于任何已知溶剂中，仅矿物油、凡士林、植物油、脂肪等能使其溶胀并使其物性产生永久性局部变化。

（2）具有优异的化学稳定性。室温下耐盐酸、氢氟酸、磷酸、甲酸、氨、胺类、过氧化氢、氢氧化钠、氢氧化钠、稀硫酸和稀硝酸。

（3）聚乙烯容易光氧化、热氧化、臭氧分解。在紫外线作用下容易发生光降解。（4）聚乙烯具有优异的力学性能。结晶部分使其具有较高的强度，非结晶部分使其具有良好的柔性和弹性。

优异的性能使其广泛应用于日常生活的每个领域，可以说聚乙烯是“平民材料”，比如保鲜膜、背心式塑料袋、塑料食品袋、奶瓶、提桶、水壶等。但是“物无完物”聚乙烯材料也有其不可避免的缺点，比如其对于环境应力(化学与机械作用)是很敏感的，耐热老化性差。

导致其应用范围受限，所以聚乙烯的改性势在必行。

通过查阅资料得知目前应用最为广泛的聚乙烯改性的品种有四种：氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯、交联聚乙烯和共混改性品种。

一、氯化聚乙烯

氯化聚乙烯(简称 CPE)是由聚乙烯经氯化改性而制得的高分子合成材料，按含氯量不同，可分为塑性CPE(含氯量15%)、弹性CPE(16%-20%)、弹性体

CPE(25%-50%)、硬质CPE(51%-60%)和高弹性CPE。商品CPE 的含氯量一般在30%-40%，其性能类似于橡胶；如果含氯量低于30%，其性能接近聚乙烯；如果含氯量高于40%，其性能接近聚氯乙烯。

氯化聚乙烯由于其分子中不含不饱和键，呈线型无规则结构，具有耐热、耐

油、耐臭氧、耐老化、阻燃、耐化学药品、绝缘性好等优点。氯化聚乙烯单用或经掺合、接枝共聚，广泛地应用于树脂改性、橡胶加工、涂料、粘合剂、工程塑料等方面。

目前，CPE主要合成方法有三种，即溶剂法、固相法和悬浮法。比较三种方法的特点目前应用最为广泛的方法是悬浮法。

悬浮聚合法简介：悬浮聚合是单体小液滴悬浮在水中的聚合方法。单体中溶有引发剂，一个小液滴就相当于一个小本体聚合单元，反应机理、动力学与本体聚合相同。体系一般由单体、油溶性引发剂、水、分散剂四个基本组分构成。悬浮法分为水相法和盐酸相法两种，水相法氯气利用率高，产品含氯量稳定，但存在设备腐蚀严重，三废量大等缺点；盐酸相法是当前世界上最先进的生产方法，流程短，产品质量稳定，且废水排放减到最低，另外采用了特殊的通氯方法，设备腐蚀低，但该法也存在对后处理设备要求高的缺点。

（一）水相悬浮法

水相悬浮法是将聚乙烯粉末悬浮于水相介质中进行氯化的方法。该工艺反应比较稳定，容易控制，所得的产品通常为白色粉末，便于储存运输和使用，因而是目前工业化生产中最主要的方法。

现介绍一种水相悬浮聚合的方法：将1 份粒径为0.1-30μm 或30-300μm 的低压聚乙烯粉料加至3-30 份的水里，连续过量地通入高压氯气进行水相悬浮，并根据需要加入适当的乳化剂或催化剂。反应在100-110℃时终止，所得到的粉状产物氯含量超过70%，其中除晶体外还含有无定型体和弹性体。为了保证聚合物的溶胀性和氧化的均匀性，可以在溶剂中加入氯化亚砜（德国赫斯特公司的专利）。

（二）固相悬浮法

固相氯化法就是将粉末聚乙烯及各种助剂于常压下与氯气在反应器内直接

反应生产CPE 的方法。该法一般在流化床中进行。高密度聚乙烯可不经处理进行固相氯化，低密度聚乙烯则需要溶胀后才能氯化。由于反应过程处于干燥状态，设备腐蚀较小，所得产品较纯净，是当前较受重视的方法，但由于固相氯化存在产物的晶区和非晶区氯化程度不同及高温所带来的一系列问题，目前还没有建成较具规模的工业化装置。

现介绍一种固相悬浮聚合的方法：美国陶氏化学公司的专利提出的方法分四步进行：首先，将氯气通入有孔的细微分散的聚乙烯活性体和自由基引发剂的混