PE cú tớnh chất cơ, lý, hoỏ tốt, vỡ vậy chỳng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật cũng như trong đời sống, như: chai, lọ, màng mỏng bao bỡ, ống dẫn nước, bồn tắm, cỏc chi tiết xe hơi…
PE cũng được dựng nhiều cho cỏc sản phẩm bền với dung mụi và dầu nhớt như: thựng chứa dung mụi, chai lọ, màng mỏng, bao bỡ.
Do cú tớnh chất cỏch điện tốt nờn PE được dựng nhiều trong ngành kỹ thuật điện để sản xuất dõy cỏch điện, vật liệu điện làm việc ở tần số cao như: dõy và bọc dõy cỏp điện, băng cỏch điện. Dõy cỏp bọc bằng PE cú ưu điểm hơn so với dõy cỏp bọc bằng cao su vỡ nhẹ hơn, dễ uốn hơn và cú hiệu điện thế đỏnh thủng cao hơn.
1.2.3. Tớnh chất của PE
1.2.3.1 Cấu trỳc phõn tử và hỡnh thỏi học
Cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu cho thấy, PE cú cấu trỳc kết tinh như parafin nhưng độ kết tinh khụng bao giờ đạt 100% vỡ trong quỏ trỡnh sản xuất PE luụn cú sự xen lẫn giữa cỏc pha kết tinh và pha vụ định hỡnh. Tinh thể hoàn hảo nhất cũng chứa 5 10% vụ định hỡnh .
Cỏc mắt xớch của PE ngắn, cỡ khoảng 2,33 Ao nờn PE cú khả năng kết tinh nhanh. Ở điều kiện nhiệt độ thường, độ kết tinh của PE ảnh hưởng trực tiếp đến cỏc tớnh chất của PE như: tỷ trọng, độ cứng, modun đàn hồi uốn, độ bền đứt, độ trương và khả năng hoà tan trong cỏc dung mụi hữu cơ. Dựa vào trọng lượng phõn tử, tỷ trọng, độ kết tinh và cấu trỳc, PE được phõn loại như sau:
- LDPE (PE tỷ trọng thấp): PE cú cấu trỳc mạch nhỏnh, tỷ trọng: 0,910- 0,925 g/cm3, nhiệt độ núng chảy: 108-115 oC, nhiệt độ hoỏ thuỷ tinh Tg -110oC, độ kết tinh: 55-65%.
- LLDPE (PE tỷ trọng thấp mạch thẳng): là sản phẩm đồng trựng hợp của ethylen với alpha-olefin cú mạch cacbon dài hơn như: buten, hexen hoặc octen.
LLDPE cú trọng lượng phõn tử cao và khụng đồng nhất về mặt hoỏ học, cú thể bao gồm cả HDPE, tỷ trọng: 0,915-0,925 g/cm3.
- HDPE (PE tỷ trọng cao): PE cú mạch thẳng dài, hàm lượng kết tinh cao: 74- 95%, nhiệt độ núng chảy: 130-135oC, tỷ trọng: 0,941-0,965 g/cm3
.
Hỡnh 1.6. Cấu trỳc của 3 loại PE [19]
Ngoài ra cũn cú một số loại khỏc PE khỏc với cụng nghệ sản xuất phức tạp hơn và ớt thụng dụng hơn, như:
-VLDPE (PE tỷ trọng rất thấp): là loại PE chủ yếu là mạch thẳng, cũn cỏc mạch nhỏnh rất ớt, tỷ trọng: 0,880- 0,915 g/cm3
.
-MDPE (PE tỷ trọng trung bỡnh): tỷ trọng của PE này khoảng: 0,926- 0,940 g/cm3.
-UHMWPE (PE cú khối lượng phõn tử rất cao): là loại PE cú khối lượng phõn tử trung bỡnh số từ 3,1 đến 5,67 triệu. Loại PE này rất cứng nờn được dựng làm sợi và lớp lút thựng đạn. Tỷ trọng: 0,930- 0,935 g/cm3, nhiệt độ núng chảy Tnc
1.2.3.2. Tớnh chất của PE
LDPE và LLDPE là những chất rắn khỏ trong và mềm dẻo, cũn HDPE lại là chất rắn cú màu trắng đục và cứng. PE là loại polyme khụng bị hoà tan trong bất cứ loại dung mụi nào ở nhiệt độ thường. Tuy nhiờn khi ngõm trong cỏc hydrocacbon thơm, hydrocacbon clo hoỏ, dầu khoỏng và parafin trong một thời gian dài thỡ PE bị trương lờn và giảm độ bền cơ học. Tớnh chất cơ học của PE phụ thuộc vào trọng lượng phõn tử và độ kết tinh của nú. Ngoài ra nú cũn phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ cũng làm thay đổi một số tớnh chất cơ lý của sản phẩm như: kớch thước và độ cứng. PE cũng rất nhạy cảm với bức xạ tử ngoại. Hiện tượng này chớnh là sự phõn huỷ quang PE. Tương tự như parafin, PE bắt chỏy chậm, chỏy khụng khúi. Trong mụi trường khụng cú oxi PE bền tới 290oC. Ở nhiệt độ khoảng: 290 350 oC PE bị phõn huỷ thành sản phẩm phõn tử khối nhỏ, bề ngoài tương tự như sỏp. Ở nhiệt độ trờn 350oC sản phẩm phõn huỷ là polyme dạng lỏng và cỏc sản phẩm khỏc như: buten, etylen,etan, hydro, oxit cacbon, khớ cacbonnic và cỏc chất khỏc [12].
1.2.3.3. Độ hoà tan
PE cú năng lượng bề mặt thấp nờn khụng thấm nước và cỏc dung mụi phõn cực. Độ bỏm dớnh và khả năng hấp phụ của PE thấp, chớnh vỡ vậy, PE khú nhuộm mầu, khú kết dớnh bằng cỏc chất kết dớnh phõn cực. Ở nhiệt độ thường, PE khụng hoà tan trong bất cứ dung mụi nào, nhưng khi tiếp xỳc lõu với dung mụi mạch thẳng, vũng thơm hoặc hiđrocacbon clorua nú bị trương. Ở nhiệt độ khoảng 70o
C PE tan một phần trong một số dung mụi ( vớ dụ: trong xylen).
Bảng 1.1. Sự phụ thuộc độ hoà tan của PE vào nhiệt độ trong xylen
Ngoài ra, độ hoà tan của PE cũn phụ thuộc rất mạnh vào trọng lượng phõn tử.
Bảng 1.2. Sự phụ thuộc độ hoà tan của PE vào trọng lượng phõn tử trong xylen ở 70 o
C
Trọng lượng phõn tử Độ hoà tan (%)
9.400 12,0 11.000 10,0 13.000 2,0 16.000 0,3 31.000 0,05 40.000 0,01 1.2.4. Cỏc phương phỏp khõu mạch PE
Trờn thế giới, PE khõu mạch đó được ứng dụng nhiều để chế tạo cỏc sản phẩm phục vụ trong cụng nghiệp, cũng như trong đời sống. Ở Chõu Âu, ống polyetylen khõu mạch (PEX) được đưa ra thị trường vào những năm 70 của thế kỷ XX. Vật liệu PEX rất mềm dẻo và dễ lắp đặt, khú bị rạn bị nứt dưới tỏc động của ngoại lực và bền ở nhiệt độ cao. Vỡ những ưu điểm trờn nờn cỏc ống PEX rất được ưa chuộng và thõm
Nhiệt độ (o C) Độ hoà tan (%) 20 0,008 58,5 0,25 69 0,98 78 10,2
To
nhập thị trường nhanh chúng. Tuy nhiờn, cú một vấn đề được đặt ra và gõy tranh cói là: ụxy cú thể khuếch tỏn qua cỏc ống PEX hay khụng? Chớnh vấn đề đú làm chậm lại quỏ trỡnh phỏt triển của PEX. Vấn đề này cũng được giải quyết bằng cỏch sử dụng lớp ngăn cỏch trong ống PEX và số lượng sản phẩm này tăng 20%/năm ở chõu Âu. Tại Mỹ, việc sử dụng cỏc ống PEX cho cỏc hệ thống đốt núng bắt đầu vào những năm 80. Tuy nhiờn, chỉ đến giữa và cuối những năm 80 khi tiờu chuẩn ASTM được cụng bố (1984) thỡ mới cú sự bựng nổ về số lượng sản phẩm. Cú nhiều phương phỏp khõu mạch PE đó được sử dụng: khõu mạch bằng peoxit, khõu mạch bằng tia bức xạ beta và khõu mạch bằng cỏc hợp chất silan.
1.2.4.1. Khõu mạch bằng peoxit
Trong phương phỏp này, PE được trộn lẫn với peoxit hữu cơ như: dicumyl peoxit (DCP), benzoyl peoxit (BP), chất chống oxi hoỏ và một số phụ gia khỏc, sau đú hỗn hợp trờn được đưa vào thiết bị trộn núng chảy (kớn hoặc hở) hoặc trờn thiết bị đựn. Nhiệt độ và thời gian phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ núng chảy của PE, cũng như nhiệt độ và thời gian phõn huỷ của peoxit [14]. Phản ứng xảy ra theo cơ chế:
a. Phản ứng phõn huỷ của peoxit: dưới tỏc động của nhiệt độ peoxit phõn huỷ thành cỏc gốc tự do.
R-O-O-R 2 RO.
Hai loại peoxit hay được sử dụng là DCP và BP, trong đú nhiệt độ phõn huỷ của DCP khoảng 160oC và của BP khoảng 130o
C [47]. Vỡ vậy, 2 loại peoxit này thường được sử dụng để khõu mạch PE.
b. Phản ứng khơi mào: phản ứng xảy ra khi gốc tự do của peoxit bứt 1 nguyờn tử H trong PE để tạo ra gốc polyme P.
.
RO. + P-H R-O-H + P.
c. Phản ứng khõu mạch: phản ứng xảy ra khi hai gốc P.
kết hợp với nhau tạo ra PE khõu mạch.
Bảng 1.3. Một số loại peoxit thụng dụng và thời gian bỏn phõn huỷ của chỳng
Loại peoxit Khối lượng
phõn tử Nhiệt độ bỏn phõn huỷ (o
C) 6 phỳt 1 giờ 10 giờ
t-butyl peoxyisopropyl cacbonat 176,2 137 114 94
2,2-di-t,butyl peoxybutan 234,3 138 114 92
t-butyl peoxy stearyl cacbonat 386,6 138 114 93
t-butyl peoxy axetat 132,2 141 117 95
t-butyl peoxy benzoat 194,2 146 122 101
Dicumyl peoxit 270,4 155 128 104
2,5-dimetyl-2-5-t-butyl-peoxy hexan 290,4 159 132 108
t-butyl cumyl peoxit 208,3 160 131 106
Bis(t,butyl peoxy isopropyl) benzen 338,51 160 133 110
di-decanoyl peoxit 342,5 99 79 60 di-octanoyl peoxit 286,4 100 79 61 di-lauryl peoxit 398,6 62 80 62 t-butylpeoxy2-etylhexanoat 216,3 111 90 70 t-butylpeoxy dietylaxetat 188,3 112 86 68 dibenzoyl peoxit 242,2 116 92 71