あなたはそれを毎日使用します。しかし、ポリエチレンプラスチックとは何ですか？
このユビキタスな現代素材の101
ポリエチレンは、これまでで最も一般的なタイプの消費者向けプラスチックであり、多くの日常の材料に使用されています。これは熱可塑性製品です。つまり、溶融して液体にした後、冷却して固体に戻すことができます。処理条件が異なると、スペクトルの一方の端にある柔軟なラップから、もう一方の端にある硬いボラードポストカバーまで、非常に異なる目的に使用できるさまざまなグレードのポリエチレンが生成されます。
ポリエチレンの最も魅力的な特性の1つは、その耐久性です。退色や欠けに強いだけでなく、酸や苛性溶液などの多くの化学物質に対しても不浸透性です。ポリエチレンは優れた電気絶縁体です。非常に低温でもその特性を保持しますが、高温で溶ける可能性があります。
ポリエチレンプラスチック：炭素-水素分子
分子構造と一般的な特性
ポリエチレンは炭化水素鎖で構成されており、最も基本的な成分は2つの炭素原子と4つの水素原子からなるエチレン分子です。エチレン分子が直鎖または分岐鎖で結合すると、ポリエチレンが形成されます。このプロセスでは、2つの炭素原子間の二重結合を分割し、フリーラジカルを作成して次のエチレン分子に結合します。高分子は共有結合していませんが、分子間力によって結晶構造にまとめられています。側枝の数が少ないほど、結晶化度が低くなり、したがって、さまざまな種類のポリエチレンのさまざまな特性で観察できるように、密度が高くなります。
ポリエチレンは耐候性がありますが、日光に長時間さらされるともろくなる可能性があります。この制限は、UV安定剤を追加することで克服できます。発火する可能性があり、発火源を黄色の先端の青い炎で取り除いた後も燃え続け、プラスチックが滴り落ちる原因になります。ポリエチレンの表面特性は、前処理なしでポリエチレンがくっついたり、刻印されたりするのを防ぎます。ポリエチレンは、材料のグレード、製品の厚さ、添加剤の存在に応じて、透明、乳白色、不透明のいずれかになります。
ポリエチレンの分類
低密度ポリエチレン（LDPE） ポリマー鎖の長い枝と短い枝の両方で形成されます。これらの分岐の存在により、チェーンが密に詰まることを防ぎ、LDPEに柔軟性を与えて、ビニール袋、ワイヤー絶縁、ラップなどの用途に適したものにします。 LDPEは、酸、塩基、アルコール、アルデヒド、ケトン、植物油など、ほとんどの化学物質に対して高い耐性があります。また、吸水率が非常に低くなっています。
リニア低密度ポリエチレン（LLDPE） LDPEに似ていますが、多くの短い側枝を持つ主に線形のチェーンで構成されています。多くの場合、エチレンと1-ブテン、1-ヘキセン、1-オクテンなどのアルファオレフィンとの共重合を使用して製造されます。構成式を調整することで、完成品の特性を操作できます。
高密度ポリエチレン（HDPE） ほとんどの場合、分子間力によって結合された直鎖分子で構成されています。側枝がないため、チェーンがしっかりと圧縮されます。この高密度により、適度に硬い製品になり、まな板、ジュース容器、プラスチック製材、おもちゃなどの用途に適しています。 HDPEは優れた耐薬品性を備えており、非常に低い温度（華氏-76度）でも頑丈なままです。表面にワックス状の風合いがあり、耐候性があります。
超高分子量ポリエチレン（UWMPE） チェーンが非常に長く、鋼よりも引張強度の高い糸に紡ぐことができます。長い直線鎖間の分子間力の強さは、非常に高い衝撃強度を備えた頑丈な材料を作成します。防弾チョッキなどの用途に使用されます。他のポリエチレンタイプと同様に、UHMWPEは酸化性酸を除いてほとんどの化学薬品に耐性があります。また、吸湿性は低いですが、自己潤滑性があるため、耐摩耗性に優れています。
米国材料試験協会（ASTM）は、さまざまな用途の仕様を含む、さまざまなグレードのポリエチレンの仕様を決定しています。さまざまなグレードのポリエチレンの主な特性を次の表に示します。
LDPE
HDPE
UHMWPE
密度（lb / in3）
.035
.035
.034
吸水率、24時間（％）
<0.01
0
0
引張強度
1,800 – 2,200
4,600
3,100
ノッチ付き衝撃強度
休憩なし
3
休憩なし
線熱膨張係数（x10 ^ -5 in / in / deg F）
3
3
3
最大継続使用温度（def F）
160
180
180
約融解温度（華氏）
230
260
280
絶縁耐力（V / mil）短時間、厚さ1/8インチ
460-700
450〜500
900
LDPE
密度（lb / in3）
.035
吸水率、24時間（％）
<0.01
引張強度
1,800 – 2,200
ノッチ付き衝撃強度
休憩なし
線熱膨張係数（x10 ^ -5 in / in / deg F）
3
最大継続使用温度（def F）
160
約融解温度（華氏）
230
絶縁耐力（V / mil）短時間、厚さ1/8インチ
460-700
HDPE
密度（lb / in3）
.035
吸水率、24時間（％）
0
引張強度
4,600
ノッチ付き衝撃強度
3
線熱膨張係数（x10 ^ -5 in / in / deg F）
3
最大継続使用温度（def F）
180
約融解温度（華氏）
260
絶縁耐力（V / mil）短時間、厚さ1/8インチ
450〜500
UHMWPE
密度（lb / in3）
.034
吸水率、24時間（％）
0
引張強度
3,100
ノッチ付き衝撃強度
休憩なし
線熱膨張係数（x10 ^ -5 in / in / deg F）
3
最大継続使用温度（def F）
180
約融解温度（華氏）
280
絶縁耐力（V / mil）短時間、厚さ1/8インチ
900
ポリエチレンプラスチックはどのように作られていますか？
ポリエチレンの基本的な構成要素は、2つの炭素原子と4つの水素原子からなるエテン分子です。エテンは天然ガスに含まれており、原油の精製中にも生成されます。石油精製の第一段階の製品の1つはナフサです。ナフサは触媒クラッカーで処理され、より高オクタン価の材料を生成します。この分解プロセスではエテンも生成され、他の製品から分離されてさらにポリエチレンに加工されます。エテンはガスです。
生成する製品のグレードに応じて、ポリエチレンの処理方法は異なります。
LDPEは、エテンガスを50,000 psiの圧力に圧縮し、その後冷却して反応器に供給することによって製造されます。開始剤が反応器に添加され、それにより重合反応が起こる。反応器内の材料を絶えず攪拌することで、最大の変換率が保証されます。反応後、未使用のエテンは製品から分離され、コンプレッサーにリサイクルされます。ポリマーは押し出され、ペレットに切断され、貯蔵サイロに入る前に乾燥されます。ペレットは通常、顧客に発送するために袋に入れられ、そこで溶かされて最終的な消費者製品に加工されます。
HDPEは触媒プロセスで製造されているため、ポリエチレンの製造プロセスをより低い温度と圧力で行うことができます。チーグラー・ナッタ触媒とクロム触媒が初期に使用された触媒でしたが、製品の製造プロセスと特性を改善するために、新しいタイプの触媒が絶えず開発されています。一部のプロセスでは、さまざまな種類のポリエチレンを1つのバッチにブレンドし、異なる製品グレード間の境界線を曖昧にします。
LLDPEは、アルファオレフィン（ブタン、ヘキサン）などのコポリマーを添加した触媒プロセスでも製造されます。 LLDPEの分子構造は、多くの短い枝を持つ長鎖です。
UHMWPEはメタロセン触媒を使用して製造され、非常に長い炭化水素鎖（100,000を超えるモノマー成分分子）を生成します。ゲル紡糸と呼ばれる二次プロセスは、UHMWPEの加熱されたゲルを取り、紡糸口金を通してそれを押し出します。製品は水浴で冷却されます。この紡糸プロセスにより、高度な分子配向（95％）の繊維が得られ、これが非常に高い引張強度をもたらします。
ポリエチレンを使用したプラスチック成形
ポリエチレンは工場からペレットの形で出荷され、仕様に応じて等級分けされています。お客様は、これらのペレットを、熱と圧力を加えて溶融し、液体プラスチックを最終的な形に成形する独自の製造プロセスの原料として使用しています。ポリエチレンの成形方法は、原材料のグレードや必要な完成品の種類に応じてさまざまです。
- 射出成形
射出成形は、ポリエチレンから完成品を作成するための2つの最も一般的な方法の1つです。ペレットは加熱されたシリンダーに供給され、そこで回転するオーガーが溶融プラスチックをゲートから金型に押し込みます。一定量のポリエチレンが10,000〜30,000psiの高圧で注入されます。射出が完了すると、金型を冷却してから開き、完成品を取り出します。これは、バケツやボトルキャップなどの大量生産品を製造するために使用される典型的なプロセスです。 - ブロー成形
ブロー成形は、ボトルや注射器など、製品に空洞がある製品を作成するために使用されます。ブロー成形のプロセスでは、最初の段階では、標準の射出成形金型を使用してコアピンの周りにプリフォームを成形します。プリフォームが冷却されると、2番目の金型の中央に配置されます。プリフォームが再加熱され、圧縮空気がコアピンを介して供給され、溶融プラスチックが最終金型の内壁に吹き付けられ、内部キャビティが作成されます。冷却したら、ピンを取り外します。 - 圧縮成形
圧縮成形は、主に熱硬化性プラスチックに使用されます。熱硬化性プラスチックは、何度も再加熱および再成形できないプラスチックです。粉末やその他の材料をミックスに追加して、特別な特性を作成したり、最終製品を強化したりできます。このプロセスでは、プラスチックは、プラスチックに圧力を加える加熱プレートによって成形されます。このプロセスのサイクルタイムが短いため、自動車産業向けの部品などの大量のアプリケーションに魅力的です。 - トランスファー成形
トランスファー成形では、プラスチックを圧縮成形プロセスに移す前に、プラスチックを溶融状態に加熱します。小さな穴や金属インサートがたくさんある場合、位置合わせを妨げることなく、溶融プラスチックがこれらの周りに形成されやすくなります。 - フィルムインサート成形
このプロセスでは、プラスチックを射出する前に、フィルムまたは布地の材料を射出成形金型に挿入して、フィルムが完成品に取り込まれるようにします。 - 押し出し
射出成形と並んで、押出成形は、ポリエチレンを目的の形状に成形するための最も一般的な方法の1つです。ペレットはホッパーを介して加熱されたチャンバーに供給され、そこでオーガーが溶融プラスチックを前方に駆動します。加熱されたチャンバーの端にはダイがあり、プラスチックが大気中に放出されるときにプラスチックを成形します。このプロセスは、連続したシート、チューブ、ケーブル、配管などを作成するために使用されます。完成品はコンベヤーベルトに着陸し、そこで空冷されます（ブロワーによって補助されることもあります）。冷却プロセスをスピードアップするために、製品を水に挿入することもできます。 - ガス射出成形
ガス射出成形では、標準の射出成形プロセスが追加のステップによって強化されます。金型は必要な全溶融プラスチックの70％まで充填され、次にガスがチャンバーにポンプで送られ、プラスチックが金型の端に押し込まれます。正味の効果は、ガスの吹き付けにより最終製品の中心が中空になり、使用されるプラスチックが少なくなることです。 - 回転成形
粉末プラスチックを中空の型に入れ、回転ハブに固定します。ハブは炉内で2軸回転し、プラスチックを溶かして金型の内壁をコーティングします。ハブは冷却サイクルの間回転し続けます。これには、金型の外側に水を噴霧することが含まれることがよくあります。最後に、完成品が削除されます。この方法の利点は、金型が単純であること、必要な圧力がないこと、および完成品の溶接と接合がないことです。 - 構造用フォーム成形
溶融プラスチックは、圧縮ガスとともにアキュムレータに注入され、プラスチックに泡効果を生み出します。アキュムレータから、発泡プラスチックが金型に射出されます。アキュムレータから金型への圧力の低下により、プラスチックが膨張して金型に充填されます。冷却後の肌は滑らかですが、内部の芯が発泡し、完成品に高い剛性を与えています。 - 熱成形
熱成形と真空成形は、プラスチックシートを取り出し、柔らかくなるまで加熱してから、型に掛けることによって行われます。正の空気圧がかかる場合もあれば、プラスチックを金型に押し付けるために真空が発生する場合もあります。冷却後、完成品は排出されます。 - 反応射出成形
反応射出成形は、プラスチック製品を成形するための新しい技術です。プラスチックは、従来の射出成形よりも低い温度で他のコンポーネントと混合されます。金型内で発熱反応が起こり、プラスチックを加圧します。より低い温度と圧力が必要とされるため、製造コストが削減されます。ガラス繊維を混合物に加えて、完成品に強度を加えることもできます。
メンテナンス
ポリエチレンは非常に耐久性のある素材で、簡単に摩耗したり弱くなったりすることはありません。ただし、日光にさらされ続けると、時間の経過とともに製品がもろくなる可能性があります。要素にさらされているパイプラインまたはタンクの場合、脆性によるクモの巣や亀裂を特定するための検査サイクルをお勧めします。
ポリエチレン製品の寿命と耐久性は非常に優れているため、多くのメーカーがそれらをメンテナンスフリーと表現しています。
アプリケーション
ポリエチレンは、消費者製品に使用される熱可塑性プラスチックの最も一般的な形態であり、さまざまな用途があります。以下は、より一般的な使用法の一部です。
- 食品包装材料： ポリエチレンは吸水や化学的損傷に非常に耐性があるため、食品包装用途に安全に使用できることが証明されています。
- 医療用チューブ： ポリエチレンは多孔性がないため、汚染に強いため、カテーテルやその他の医療製品に使用するのに理想的な材料です。
- バケツ、ボトル、ビン： プラスチックの硬度と応力下での耐久性により、消費者製品に適しています。
- 防弾チョッキ： UHMWPE繊維は高い引張強度を備えていますが、非常に軽量であるため、安全用途に最適です。
- 高張力ケーブル： 軽量で設置が簡単ですが、丈夫なので、複雑な産業用アプリケーションで役立ちます。
リサイクル
プラスチック製品は、環境への影響について多くの悪い報道を受けていますが、ほとんどの潜在的な汚染物質と同様に、環境へのダメージにつながるのは製品自体ではなく、人間の行動です。ポリエチレンは生分解性ではないため、埋め立て地で処分するには不適切な材料です。
ただし、ポリエチレンの特性により、溶融して別の製品に再成形できるため、リサイクルに最適です。さらに、化学的汚染や液体の吸収に対する耐性があるため、リサイクル製品には多くの不純物が含まれていません。時には、リサイクルされた材料と未使用の材料が、完成した消費者製品の形成プロセスで一緒に混合されます。リサイクル番号＃2はHDPEに適用され、＃4はLDPEに適用されます。多くのリサイクル施設では、これらのグレードの両方を処理して再利用できます。
人々が持続可能なライフスタイルに移行し、リサイクル技術が発展するにつれて、以前は環境ハザードと見なされていた多くの材料（ゴムなど）がより高い割合でリサイクルされています。
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ソース
- BPF。 「プラスチックプロセス」
- プラスチック産業。 「プラスチックの加工方法」
- ポリマーデータベース。 「ポリオレフィン」
- アメリカ化学評議会。 「プラスチック製品のライフサイクル」
- ECI。 「ポリエチレン」
- ブリタニカ。 「ポリエチレン」
金属