Gęstość i właściwości fizyczne LDPE

Wartości gęstości i przeliczniki jednostek

Gatunki polietylenu klasyfikuje się głównie według gęstości, a granice są konwencjami, a nie stałymi fizycznymi. LDPE zajmuje 915–935 kg/m³. Poniżej mieści się VLDPE (bardzo niska gęstość, poniżej 915). Powyżej, LLDPE zachodzi na zakres 915–925 z inną architekturą łańcucha, MDPE mieści się w 926–940, a HDPE zajmuje 940–970.

Przeliczanie jednostek: podziel kg/m³ przez 1000, aby uzyskać g/cm³; pomnóż g/cm³ przez 62,428, aby uzyskać lb/ft³. Ciężar właściwy jest liczbowo identyczny z gęstością w g/cm³, ponieważ woda ma 1,000 g/cm³ w 4 °C. Ponieważ każdy gatunek polietylenu ma ciężar właściwy poniżej 1, wszystkie unoszą się na wodzie — co dokładnie wykorzystuje separacja flotacyjna w zakładach recyklingu.

Dlaczego LDPE ma niższą gęstość

Proces wysokociśnieniowej polimeryzacji rodnikowej, w którym powstaje LDPE, tworzy długie i krótkie rozgałęzienia wzdłuż szkieletu. Te rozgałęzienia fizycznie utrudniają krystalizację, więc tylko 45–55% polimeru tworzy uporządkowane obszary krystaliczne; reszta pozostaje amorficzna, z większą objętością swobodną między łańcuchami. Mniej efektywne upakowanie oznacza niższą masę na jednostkę objętości.

To samo rozgałęzienie tłumaczy resztę profilu właściwości. Niższa krystaliczność oznacza niższą temperaturę topnienia, niższą sztywność, wyższe wydłużenie, lepszą przejrzystość i lepsze właściwości zgrzewalne termicznie — dlatego LDPE dominuje w foliach, mimo że HDPE jest mechanicznie mocniejszy.

Co zmienia gęstość w praktyce

Trzy czynniki oddalają rzeczywisty materiał od wartości podręcznikowej.

• Zawartość komonomeru — więcej komonomeru oznacza więcej rozgałęzień, niższą krystaliczność, niższą gęstość.
• Wypełniacze — węglan wapnia, talk, szkło lub metal znacznie zwiększają gęstość, mniej więcej proporcjonalnie do udziału objętościowego.
• Zanieczyszczenie polimerowe w recyklacie — frakcje HDPE lub PP przesuwają zmierzoną gęstość w górę lub w dół w zależności od mieszanki.
• Puste przestrzenie i wilgoć w granulacie — wpływają na gęstość nasypową (inną niż gęstość materiału stałego, zwykle 500–600 kg/m³ dla granulatu).

Materiały recyklingowe na bazie LDPE

Pokonsumencki recyklingowy LDPE, który jest rzeczywiście pojedynczym polimerem, ma gęstość bliską wartościom pierwotnym, może nieco wyższą ze względu na pozostałe dodatki i pigmenty. Recyklaty wielopolimerowe różnią się bardziej: strumień niosący HDPE i PP da odczyt wyższy niż czysty LDPE, a strumień z wypełniaczem mineralnym jeszcze wyższy.

Recyklingowy granulat PolyAl z kartonów po napojach to wyraźny przykład: ≈66% LDPE, 18% HDPE i 6% PP plus około 10% aluminium wagowo, o gęstości 950–1050 kg/m³. Aluminium jest rozproszone jako drobne płatki i dodaje masy bez proporcjonalnego wzrostu objętości, co jest też powodem, dla którego materiał jest sztywniejszy i bardziej stabilny wymiarowo niż niewypełniony LDPE. Jego temperatura mięknienia wg Vicata wynosi 90–100 °C, a MFI 2–4 g/10 min.

Wykorzystanie gęstości przy doborze materiału

Gęstość jest wskaźnikiem zastępczym dla krystaliczności, a krystaliczność napędza większość zestawu właściwości mechanicznych. W praktyce polietylen o wyższej gęstości będzie sztywniejszy, mocniejszy, bardziej odporny chemicznie, mniej przepuszczalny i mniej przezroczysty; ten o niższej gęstości będzie bardziej elastyczny, wytrzymalszy w niskiej temperaturze, łatwiejszy do zgrzewania i bardziej przezroczysty.

Przy projektowaniu części gęstość ma też znaczenie handlowe: żywica jest sprzedawana na wagę, ale części projektowane są objętościowo. 10-procentowy wzrost gęstości oznacza 10% więcej kosztu materiału przy tej samej geometrii części — warto to sprawdzić, porównując wypełniony recyklat z niewypełnioną żywicą pierwotną wyłącznie na podstawie ceny za kilogram.