高密度聚乙烯制备工艺及应用

高密度聚乙烯是一种物理性能良好、非极性的热塑性树脂，上世纪60年代Ziegler使用催化剂在低压下使聚乙烯聚合制成高密度聚乙烯（HDPE），到现在为止高密度聚乙烯已经发展近60多年，现在国内外主流的制备方法有三种，分别是淤浆法、溶液法和气相法生产。

高密度聚乙烯分子结晶度高、支链少。具有较强的硬度及耐化学腐蚀性，因此常被应用于管材、电缆覆盖层等领域。同时聚乙烯具有无毒、不吸水的特性，常被应用于食品包装行业中。由于其机械性能优良，也常用于汽车、化工等领域。本文主要阐述了三大制备工艺的研究现状及其高密度聚乙烯材料在我国的主要应用。

高密度聚乙烯制备工艺的技术发展

最早制备高密度聚乙烯的方法是使用TiCl4和AlEt3催化剂催化反应，在低压的条件下促使聚乙烯聚合反应生成聚乙烯。在1968年Montedision公司研发出了以MgCl2为载体的钛系、铬系催化剂。大大的提升了催化剂效率，提高生产效率。1977年UCC公司通过改进催化剂，提出采用甲硅烷酸酯催化剂，使得催化效率达到了1000kg PE/Cr。

我国主要是以TH系列为主的催化剂技术，这种催化剂具有良好的流动性和活性，聚合反应发生平稳，适用于高密度聚乙烯产品的制备。高密度聚乙烯制备技术的发展离不开催化剂技术的发展，通过几十年的发展，目前主要制备工艺为三种，即淤浆法、气相法和溶液法。

(1) 淤浆法制备高密度聚乙烯

淤浆法是一种将乙烯和脂肪烃类溶剂混合，添加钛系或者铬系催化剂，并在低压、低温的情况下使乙烯发生聚合反应的方法。这种方法出现的时间早，所以工艺相对来说比较成熟，得到了广泛的应用。根据反应器的不同反应形式可以将淤浆法分为搅拌釜式和环管反应器两种。搅拌釜式最早是由Hoechst公司发明的。采用双反应器，既可以并联使用，也可以串联使用。将氢气和乙烯、催化剂等放入反应器，使之发生聚合反应，聚合物以淤浆的形式存在于己烷当中，所以称为淤浆法制备工艺。

这种制备工艺流程简单、对原料纯度要求不高，可灵活采用串联或者并联的方式来生产单峰或者是双峰的高密度聚乙烯。可以快速完成产品牌号的切换，因此得到各大公司的青睐。

另一种工艺是环管反应器工艺。此工艺的典型代表是Philips公司的Philips工艺， 这种工艺是采用铬系催化剂，催化剂在使用前要先进行活化处理，然后将原料乙烯于氢气等混合注入反应器，在催化剂催化反映下生成聚乙烯。这种工艺的特点是成本比较低，流程也比较少，原料易于输送，但是对原料的纯度要求比较高。

(2) 气相聚合法

气相聚合法是利用低压气相流化反应器，采用铬系催化剂，使其在85-110摄氏度的情况下发生聚合反应。主要产品密度为0.915-0.970g/cm3。这种生产工艺主要特点是操作压力低，成本比较低并且设备易于维修。但是对于原料纯度要求比较高，所有原料都需要精制。

的优点就是转化率比较高，乙烯的单程转化率可以达到95%，总的利用率可以达到98.5%。并且未参加反应的乙烯还可以回收到精制设备中继续使用。和淤浆法相比，没有淤浆法的使用范围广，目前气相法生产的高密度聚乙烯产品主要是高强度薄膜和通讯电缆，但是在其他方面就不如淤浆法的应用范围广，淤浆法已经完全完成商业化生产，但是气相聚合法仍没有大范围的应用到商业化领域中。

(3) 溶液聚合法

溶液聚合法是将原料乙烯溶于溶剂中在160-200℃条件下通过催化剂产生聚合反应，产生的聚乙烯溶于溶剂当中。其主要催化剂为ZN系列的催化剂。这种生产工艺特点和淤浆法工艺类似，对原料的纯度要求不高，预料不需要特殊精制；并且由于在反应器的停留时间比较短，所以同样可以完成产品系列的切换。

高密度聚乙烯的主要应用

高密度聚乙烯具有多种优良的性能，因此广泛应用于食品包装、工业管材、汽车覆盖件等领域。在管材应用领域，目前最有前途的领域就是燃气管领域，据研究表明，国外的高密度聚乙烯材料管材市场占有率已经达到将近90%。高密度聚乙烯材料之所以能够得到广泛的应用，与其性能特点是密不可分的，首先就是耐腐蚀性，与传统的铸铁管相比，高密度聚乙烯管材没有电化学腐蚀，同样抗氧化腐蚀能力也比铸铁管优越，因此大大节约了燃气系统的维修成本。然后就是高密度聚乙烯材料管材的比重比铸铁件小的多，同样尺寸的管材，塑料管的质量要小得多，更加便于运输和安装工作。

最后就是高密度聚乙烯材料在拥有较强硬度的同时拥有较好的韧性，能够完成折弯、焊接等工艺，大大方便了管道的安装，节省了人力、财力。因此高密度聚乙烯材料在管材方面得到了广泛的应用。在我国高密度聚乙烯材料主要应用于注塑、中空吹塑及薄膜制品。

目前来看聚乙烯材料的消费领域是注塑料，注塑料的消费占据高密度聚乙烯材料消费的比例将近30%，主要产品为各种化工、建筑材料所用的包装桶、摩托配件、包装盖等；中空吹塑件相对于注塑件的使用量就相对少一点，但也能达到20%左右。中空吹塑件主要产品为中小型产品，被广泛的应用于汽车领域，例如汽车油箱、大型的座椅等产品。

在我国上海金菲公司就是主要做汽车和摩托油箱的产品；高分子薄膜制品是薄膜制品未来的发展方向，世界上领先的国家相继推出了不同的高密度聚乙烯薄膜制品，利用高密度聚乙烯材料制作的薄膜比普通的薄膜有着更加良好的机械性能，并且比普通薄膜的厚度要小，因此被广泛的应用于包装行业，但是从目前来看，薄膜制品仍旧依赖进口比较多，我国在高密度薄膜制品领域缺乏一定的竞争力，因此我国要大力发展薄膜制品业；另外高密度聚乙烯材料在防渗透膜方面有着巨大的应用，相比传统防渗透膜具有着更好的防腐蚀性能，作为渗透膜使用时埋在地下不易被破坏，使用寿命长，虽然前期投资大，但是环保效果显著，这也是未来的一个发展方向。

结语

高密度聚乙烯材料性能优良、应用广泛。我国应当加大对聚乙烯材料的进一步研究。综合来看，聚乙烯材料的发展离不开催化剂的发展，加强科学研究，开发出更加高效的催化剂是提升效率与产量的必经之路。在反应控制方面，应当通过改性实现材料的不同性能要求，增强材料的综合性能，使之应用范围更加广泛、性能更加优越。