HDPE 樹脂とLDPE 樹脂の分子構造は、ブロー機のフィルム特性にどのような影響を及ぼしますか?

プラスチック研究所に行って、HDPE フィルムの感触がLDPE フィルムと大きく異なる理由を技術者に尋ねれば、おそらく分岐について話し始めるでしょう。一見すると最も直観的な概念ではありませんが、各ポリマーの分子構造が押出機内、ダイ、冷却ゾーンを通って、完成したフィルム内での物理的挙動をどのように決定するかを理解すると、-、HDPE とLDPE の違いは恣意的なものではなくなり、完全に論理的に意味を持ち始めます。

この記事では、両方の樹脂の分子構造について詳しく説明し、これらの構造が製造中にどのように作用するかを説明します。吹き飛ばされたフィルム処理し、それらを現実世界で重要な実際のフィルム特性に結び付けます。

分子基盤: 分岐がすべて

HDPE とLDPE はどちらもポリエチレンです-。どちらも同じエチレン モノマー（CH₂=CH₂）を重合させて長い炭素鎖を形成して作られています。決定的な違いは、それらのチェーンがどのように構造化されているかにあります。

LDPE（低密度ポリエチレン）は、高圧-フリー-ラジカル重合によって製造されます。このプロセスでは分子はあまりうまく制御されません。成長するポリマー鎖は時々折り畳まれます。あるいは、近くのチェーンにラジカルを渡します。これにより、多くの分岐が作成されます。 LDPE には、主鎖から突き出た長鎖の分岐と、多数の短鎖の分岐の両方があります。-そのため、最終的な構造は非常に不均一で絡み合ったものになります。

HDPE（高密度ポリエチレン）は、低圧配位重合によって作られます。-これには、Ziegler-Natta またはメタロセン触媒が使用されます。これらの触媒システムは、鎖の成長をより適切に制御します。したがって、ポリマー鎖はほとんどが直線であり、分岐はほとんどありません。分岐がほとんどないため、HDPE チェーンは規則正しい方法で密に詰め込むことができます。

この 1 つの構造の違い - と直鎖状の - が、2 つのポリマー間のほぼすべての特性の違いを引き起こします。

結晶化度: 分岐の直接的な結果

結晶化度は分子構造に由来する最も基本的な特性であり、HDPE とLDPE の他のほぼすべての違いを支えています。

HDPE では、直鎖はラメラと呼ばれる高度に秩序化された結晶領域内に並んで整列します。この充填を妨げる分岐がほとんどないため、HDPE は 70 ～ 90% の結晶化度レベルに達します。残りの 10 ～ 30% は、結晶領域間の界面にある非晶質 (無秩序な) 物質です。

LDPE では、ブランチによってチェーンが密に詰め込まれるのが物理的に妨げられます。すべての分岐点により、周囲のチェーン セグメントが隣接するチェーンとの位置合わせが強制的に外れます。その結果、結晶化度ははるかに低くなり、通常は 40 ～ 55% の - となり、非晶質部分がはるかに多くなります。

結晶化度は密度に直接変換され、文字通りその名前が表すとおりです。

HDPE: 密度 0.940 ～ 0.970 g/cm3

LDPE: 密度 0.910 ～ 0.935 g/cm3

しかし、密度は実際には、より深い構造的現実の代理にすぎません - 膜の特性を左右するのは結晶化度の違いであり、密度の数値そのものではありません。

結晶化度がフィルムの特性に与える影響

剛性と引張強さ

結晶領域はポリマー マトリックス内で物理的架橋として機能します - 変形に抵抗し、応力下で材料を保持し、荷重を伝達します。結晶化度が高いということは、単位体積あたりの架橋等価物の量が多いことを意味します。

HDPE フィルムは、同等の厚さのLDPE フィルムよりも大幅に硬く、強度があります。 HDPE フィルムは通常、次のような症状を示します。

HDPE フィルムは、同様のLDPE フィルムよりも 3 ～ 5 倍高い引張強度を持っています。また、弾性率もはるかに高くなります。つまり、伸びに対する耐性が向上します。高温でも機械的特性をより良く保ちます。これは 130 度付近の融点まで持続します。

ＬＤＰＥフィルムは異なります。結晶性が低く、非晶質部分が多い。そのため、より柔らかく、より柔軟です。非晶質領域は、ガラス転移温度を超えるとゴム状になります。ポリエチレンの場合、この温度は室温よりかなり低くなります。これにより、LDPE に柔らかく曲げやすい感触が与えられます。

そのため、強度が必要な作業に HDPE が選ばれています。このツールには、重い物体を入れることができる食料品バッグ、工業用ライニング、農業用マルチフィルムなどが含まれます。 LDPE は、柔軟性と柔軟性が最も重要な仕事に主に使用されます。例としては、食品ラップ、ストレッチフィルム、絞り可能な包装などが挙げられます。

光学特性: ヘイズと透明度

ここで、分子構造とフィルムの外観の関係が特に直接的になります。

結晶領域と非晶質領域では屈折率がわずかに異なります。光がフィルムを通過すると、これらの領域間の境界で散乱します。光の波長に対する結晶ドメインのサイズによって、どの程度の散乱が発生するかが決まり、したがってフィルムがどの程度曇るか透明に見えるかが決まります。

HDPE フィルムは本質的に不透明、または非常に曇っています。高い結晶性により、光を広範囲に散乱させる多数の大きな結晶ドメインが形成されます。 HDPE フィルムを光学的に透明にするために加工中にできることはほとんどありません - ポリマーの構造により、標準的なインフレーション フィルムでは透明性が本質的に不可能になります。

ＬＤＰＥフィルムはかなり透明度が高い。結晶化度が低いということは、散乱境界が少なく、非晶質領域により干渉が少なく光が通過できることを意味します。 -適切に処理されたLDPEインフレーションフィルムは、食品包装、陳列袋、および製品の視認性が重要なその他の用途に適した良好な透明度を実現します。

この基本的な光学的な違いにより、HDPE が透明なパッケージングに決して使用されない理由と、透明度を重視する用途ではLDPE が主流となる理由が説明されます。{0}}

バリア特性

ポリエチレンの結晶領域は本質的にガスや水分分子に対して不透過性です - 規則正しい充填により拡散経路の余地がありません。無秩序な非晶質領域は、ガスや水分が透過する経路を提供します。

HDPE フィルムは結晶化度が高いため、LDPE フィルムよりも実質的に優れたバリア特性を持っています。曲がりくねり - 拡散分子が結晶性の障害物を通過しなければならない曲がりくねった経路 - は、HDPE でははるかに大きくなります。これは次のように現れます。

低い水蒸気透過率 (WVTR)

HDPE はより優れた酸素バリア性を持っています。しかし、他の材料と比較した場合、どちらのタイプのポリエチレンも高バリア材料とはみなされません。-

HDPE は有機溶剤に対する耐性も優れています。

LDPEフィルムにはアモルファス部分が多く存在します。これは、ガスが通過するためのより多くの開いた経路があることを意味します。そのため、ガスや透湿性が高くなります。

バリア性能が重要な包装用途では、HDPE の分子構造により、LDPE に比べて実際の機能上の利点が得られます。これらの用途には、青果袋、食品保管、工業用化学薬品の包装などが含まれます。

インフレーションフィルム機における加工動作

HDPE とLDPE の構造的な違いは、完成したフィルムの特性だけではありません。それらは、各プラスチックが加工中にどのように動作するかにも現れます。そしてこれは、インフレーションフィルム機械が何をする必要があるかに大きな違いをもたらします。

溶融粘度と流動挙動

LDPE の長鎖分岐はメルト レオロジーに大きな影響を与えます。-長い枝は隣接する鎖の枝と物理的に絡み合い、流れの際に絡みを解くのに多大なエネルギーを必要とするネットワークを形成します。これにより、LDPE メルトが得られます。

高い溶融強度 - 溶融ポリマーは伸張変形に耐えます。つまり、ダイ上の気泡は安定しており、自立しています。-

せん断{0}}LCB ネットワークに強く影響されるせん断減粘挙動 -LDPE はせん断下で劇的に薄くなるため、適切な圧力での押し出しが容易になります

粘弾性記憶 - 溶融物は変形を「記憶」し、部分的に回復し、ダイ出口での押出物の膨潤に寄与します

HDPE の直鎖は、単位体積あたりの絡み合いが少なくなります（追加の絡み合い点を作成するための長い鎖の分岐がないためです）。-その結果、次のような結果が得られます。

LDPE と比較して溶融強度が低い - HDPE の気泡は自己支持性が低い-

低いせん断速度では溶融粘度が高くなりますが、劇的なせん断減粘は少なくなります-

気泡の安定性を高めるための狭い処理ウィンドウ

融解と結晶化の挙動

HDPE のシャープで高度に規則正しい結晶構造は、LDPE よりもシャープな溶融転移を示します。 HDPE は比較的狭い温度範囲 (通常、結晶相では 125 ～ 135 度) で溶融しますが、LDPE はより広い範囲にわたって徐々に溶融します。

これは以下に影響します。

スクリューが樹脂を溶かす仕組み - HDPE が完全に溶融するには、スクリューの長さが短いほど、より多くのエネルギーを投入する必要があります。 LDPE はより進行的に溶解します

フロスト ラインの高さ - HDPE は気泡が冷えると急速に結晶化し、明確に定義された鮮明に見えるフロスト ラインを作成します。 LDPE はより緩やかに凝固するため、フロスト ラインがあまりはっきりしません。

結晶化率も違います。 HDPE は、温度が結晶化点を下回ると直鎖がより早くラメラに組織化されるため、LDPE よりも早く結晶化します。この急速な結晶化により、気泡内での二軸延伸による配向が固定されます -。これは、HDPE の機械的特性の発現にとって重要な要素です。

気泡の安定性と動作パラメータ

これらのレオロジーの違いは、インフレーションフィルム製造機の構成方法に直接影響します。

LDPE 機械は、LDPE の高い溶融強度の恩恵を受けています。-気泡は本質的に安定しており、プロセスの変動に耐え、比較的高いブローアップ比（3:1 ～ 4:1 以上）でも崩壊することなく稼働できます。-これが、LDPE が当初の主要なインフレーションフィルムポリマーであった理由の 1 つです。

HDPE 機械は、HDPE の低い溶融強度を次の方法で補う必要があります。

低いブローアップ比- -は通常 3:1 ～ 4:1 ですが、より厳密な制御が必要です

バブル ケージ ガイド - 薄壁の HDPE バブルのたわみやはためきを防ぐ物理的なガイド-

より高い冷却空気量 - により、HDPE フィルムがフロスト ラインより上で急速に凝固し、不安定になる前に気泡の形状を固定します。

より高い冷却塔 - HDPE は気泡が完全に固まるまでにより多くの垂直距離を必要とします

フィルム配向効果

インフレーションフィルムの気泡が膨張し（膨張率-）、上方に引き込まれる（-下降率）と、フィルムは二軸配向され、縦方向と横方向の両方に延伸されます。-。フィルムが固化するにつれて、ポリマー鎖は部分的にこれらの方向に整列します。

HDPE では、結晶化が速いため、この配向は効果的に固定されます。配向された鎖は結晶構造内で凝固し、フィルムは重要な二軸配向を保持します。この配向は、フィルムの厚さに比べて HDPE の高い引張強度と剛性に大きく貢献しています。

LDPE では、配向は部分的に保持されますが、部分的に緩和されます。これは、徐々に形成される結晶構造によって分枝鎖が固定される前に、分枝鎖がより自由に移動できるためです。LDPE フィルムはある程度の配向を保持しますが、同等の処理条件下では HDPE よりも劣ります。

実用的なフィルム特性の比較

LLDPE: 構造的な中間点

HDPE とLDPE の議論は、構造的に中間の位置を占める LLDPE (直鎖状低密度ポリエチレン) を認識することなく完了することはできません。

LLDPE は配位触媒 (HDPE と同様) を使用して製造されますが、コモノマー (ヘキセン、オクテン、またはブテン) が鎖に組み込まれているため、短鎖分岐のみが生成されます。-長鎖分岐は生成されません。-その結果、次のような結果が得られます。

枝からの結晶化度の破壊によるLDPE範囲の密度（0.915〜0.940 g/cm3）

長い-鎖分岐-がないため、LLDPEにはLDPEの特徴である高い溶融強度と気泡安定性がありません

HDPE やLDPE よりも優れた耐穿刺性と引裂き性 - 短い枝が結晶ラメラ間に特定の結合分子構造を形成し、亀裂の伝播を防止します。-

加工上の課題 - LLDPE の低溶融強度には、HDPE と同様の気泡管理戦略が必要です

LLDPE は、多くのインフレーション フィルム用途において、LDPE に大きく取って代わりました。その理由はまさに、その独自の短{0}}分岐状微細構造に由来する耐突刺性および引裂き性があり、材料単位あたりのフィルム性能が優れているからです。

よくある質問

Q:LDPE フィルムはかなり透明であるのに、HDPE フィルムは透けないのはなぜですか?{0}}
A: HDPE は結晶化度が高くなります。これにより、光を散乱させる大きくてよく組織された結晶領域が作成されます。-そのため、フィルムがかすんで見えたり、透けて見えなかったりします。- LDPE は結晶化度が低く、結晶領域が小さくなります。これらは光の散乱が少ないため、フィルムがより鮮明に見えます。これはチェーン分岐の直接の結果です。 LDPE の分岐は鎖の密集を妨げるため、大きな結晶構造は形成できません。

Q: 扱うときに HDPE フィルムは硬く感じられ、しわくちゃ音がするのに対し、LDPE フィルムは柔らかく静かな感じがするのはなぜですか?
A: 剛性は結晶性に由来します。 HDPE は結晶化度が高いため、曲げに耐える硬い構造を実現します。また、曲げるとギシギシ音が大きくなります。 ＬＤＰＥは非晶質部分が大きい。これにより、フィルムが柔らかくなり、柔軟性が高まります。ゴム状の非晶質領域は、室温でのフィルムの感触を制御します。

Q: HDPE とLDPE を混合して、その間の特性を得ることができますか?
A: はい、混合するのが一般的です。 HDPE/LDPE ブレンドは、中程度の剛性、透明性、バリア特性を得るために調整できます。しかし、これら 2 つのプラスチックは分子レベルで完全に混合するわけではありません。したがって、ブレンドの特性は単に 2 つの特性の平均ではありません。混合および加工中にブレンドがどのように形成されるかを制御することは、最終結果に大きな影響を与えます。

Q: HDPE はLDPE よりも高いヒートシール温度を必要とするのはなぜですか?{0}}
A: ヒートシールはフィルム表面を溶かして融着させます。 HDPE の結晶部分は、約 125 ～ 135 度の高温で溶けます。 LDPE の結晶部分は約 100 ～ 115 度で溶けます。したがって、HDPE はシールを作成するためにより多くの熱を必要とします。これは、成形{8}}充填-シール機の包装ライン速度とシール品質に影響します。

Q: 分子量は両方のプラスチックのインフレーションフィルム加工にどのような影響を与えますか?
A: 分子量が高くなると、HDPE とLDPE の両方の溶融強度と厚さが増加します。これは通常、バブルをより安定に保つのに役立ちます。ただし、より高い押出圧力と温度も必要です。フィルムグレードの樹脂は通常、加工のしやすさと最終フィルムに必要な機械的特性のバランスがとれた分子量で作られます。 HDPE フィルムグレードは、分子量分布が広い傾向があります。これは、HDPE の本来低い溶融強度を補うのに役立ちます。

Q: HDPE とLDPE はどちらがリサイクルしやすいですか?
A: どちらも独自のストリームでリサイクルできます。 HDPE は樹脂コード #2 です。 ＬＤＰＥは樹脂コード＃４である。同じリサイクルの流れでは互換性がありません。融点と厚さが異なるため、リサイクル時に混合することが問題になります。実際、HDPE は多くの市場でより発達したリサイクル システムを備えています。これは、多数の硬い HDPE コンテナが原因です。より多くのリサイクル プログラムがフレキシブル フィルムを受け入れ始めたため、LDPE フィルムのリサイクルは増加しています。

結論

HDPE とLDPE の違いは、最終的には分岐 - と、ナノメートルスケールの構造的特徴が結晶化度、溶融レオロジー、フィルム特性を通じて最終製品の観察可能な商業的特性に至るまでどのように伝播するかという話です。

HDPE の直鎖は高密度で結晶性の高い構造に詰め込まれており、加工中の光学的透明性と溶融強度を犠牲にして剛性、強度、バリア性能を実現します。 LDPE の分岐構造は結晶パッキングを破壊し、バリア性能と機械的強度が低い、より柔らかく透明で加工が容易なフィルムを生成します。

どちらも普遍的に優れているわけではありません。これらは、分子構造が異なる機能要件に適合するため、さまざまな用途に役立ちます。分子構造から処理挙動、完成したフィルムの性能までの関連性 - を理解することによって、体系的に問題のトラブルシューティングを行う処理業者と、試行錯誤によってパラメータを調整する処理業者とを分けることができます。