高密度聚乙烯制備工藝及應用研究

呼嘉楠，徐錦權，薛彬彬

（陜西延長中煤榆林能源化工有限公司，陜西延安 717100）

隨著乙烯聚合制成高密度聚乙烯（HDPE）在20世紀60年代的出現，高密度聚乙烯研制工作已經獲得一定的進步，結合當前應用實際情況，主要是淤漿法、溶液法和氣相法等三種制備工藝技術。高密度聚乙烯分子由于具有良好的耐化學腐蝕、硬度較強等特點，特別適用于電纜覆蓋層、管材等領域，同時，聚乙烯所呈現出不吸水、無毒等性質，也被應用在食品包裝領域中。本文結合高密度聚乙烯制備發展情況的論述，探討了其在我國的主要應用情況。

1 高密度聚乙烯制備工藝的技術

1.1 氣相聚合法制備高密度聚乙烯

在采用氣相聚合法制備高密度聚乙烯的過程中，是借助于低壓氣相流化反應器，選擇鉻系催化劑，能滿足在85～110℃的工況環境下進行相應的聚合反應。從這個角度來看，這項工藝技術主要體現出壓力較低、成本較低、便于維護等特點。缺點則是對于原料純度往往有著較高的要求，則應通過精制相關的原料。優勢則具有較高的轉化率，適應于工業生產的要求，能實現相應的總利用率超過98.5%。同時，這種工藝下，還能進行回收未參加反應的乙烯而進行下步使用。相比而言，其并沒有淤漿法應用廣泛，主要應用的領域則是涉及相應的通訊電纜及高強度薄膜等范圍。在今后的工藝研發中，則應致力于大規模的商業化應用。

1.2 淤漿法制備高密度聚乙烯

淤漿法則是體現出乙烯和脂肪烴類溶劑混合的特點，并能選擇鈦系或者鉻系催化劑，選擇在工況為低溫、低壓狀況的聚合反應。這方面的工藝技術較為成熟，并且具有最為廣泛的應用空間。結合相應的反應器的情況，可以涉及環管反應器、攪拌釜式反應器等類型。其中，后者是Hoechst公司發明并優化，能有效實現并聯化的雙反應期，也能結合實際需求來進行串聯應用，其中，第一反應器中涉及催化器、氫氣和乙烯，并要求能滿足聚合反應的條件，這樣就可以實現通過淤漿的形式在己烷中，所以稱為淤漿法制備工藝。其特點主要表現在對于原料純度要求不高，流程較為簡單，可結合實際需求來選擇相應的串聯及并聯方式，這樣能滿足相應的單峰或者是雙峰高密度聚乙烯的生產要求，同時，能有效結合實際需求來進行產品牌號的切換處理。另外一種則是環管反應器工藝，其中最為典型的代表則是Philips工藝，借助于鉻系催化劑的作用，再進行必要的活化處理，方可實現原料乙烯于氫氣等混合注入反應器的過程，經過必要的催化作用，而從實現聚乙烯的生成。這種方式體現出成本較低，流程較為簡單，容易進行輸送，但往往對原料純度有較高的要求。

1.3 溶液聚合法制備高密度聚乙烯

在應用溶液聚合法的過程中，則是能夠在160～200℃工況的溶劑中進行乙烯的溶解，并借助于催化劑來實現聚合反應。其中，主要選擇ZN系列的催化劑。相比于淤漿法來說，體現出較為相似的工藝特點，并沒有太高要求的原料純度，不需要特殊精制預料情況。考慮到反應器停留時間較短，能有效實現產品系列的切換要求。

2 典型公司的高密度聚乙烯生產工藝分析

2.1 Univation研發Unipol 聚乙烯工藝

Unipol 聚乙烯工藝屬于氣相流動床反應器的范疇，是Univation公司所提出，借助于冷凝技術的優勢滿足實現高中低密度聚乙烯的生產要求。具體來說，其工藝方法具有較為全面的靈活性。同時，考慮到工藝流程往往較為簡潔，這樣并沒有涉及相應的溶劑脫除等內容，往往能體現出一定的優勢，所涉及的投資成本也較低。隨著不斷的發展，公司正在重點進行雙峰產品的開發，并逐步將相應的系列化產品應用在實踐中。

2.2 INEOS研發Innovene S工藝

對于Innovene S工藝屬于雙環管反應器的范疇，在不同產品的情況下，應考慮到反應器的不同存在著形式的差異化問題。針對單峰類普通產品來說，往往都是在第一環管后并沒有通過處理，這樣就能夠實現滿足第二環管反應器內繼續反應的要求。結合雙峰類產品的特點，相比而言其應重視第一環管中的處理，并通過有效的中央處理方式來保障滿足第二環管內的反應要求。在此環節，相應的物料的循環動力則是借助于軸流泵的作用，這種方式往往電能消耗較低，但依然在稀釋劑的分離及回收方面存在著不足之處。所以，這種方式往往意味著更多的蒸汽量的損耗。總體來看，這種工藝在相關的雙峰產品具有明顯的優勢。

2.3 BASELL研發的低壓淤漿法赫斯特工藝

針對赫斯特工藝來說，其屬于攪拌釜式反應器的范疇，這種的方式中不同產品，則應結合實際的反應釜操作方式予以必要的優化調整。其中，單峰普通產品的運行，選擇兩臺反應釜并聯與串聯的運行方案；通過并聯或者串聯等方式都可以適用于單峰寬分子量產品；通過兩臺反應器串聯的方式來生產雙峰產品。針對排放氣來說，則進一步利用壓縮進行去火炬。這種工藝措施總體的壓力、溫度等參數較低，工藝實現條件較為容易滿足。其中，具體來看，合成溫度控制在85℃，反應壓力則是為1 000kPa，所涉及的生產操作往往較為容易，投資成本也能有效降低。主要是充分利用所研發的連續攪拌釜淤漿聚合工藝，主要涉及外循環、兩個反應器等，能滿足相應的合成雙峰產品的要求。相應的合成產品具有較高的質量性能，符合相應的管材標準要求。其相應的分子質量分布及共聚物分布則能保障滿足有效的配合，并能體現出較好的性能指標。但在具體的應用實踐中，應注意反應中存在蠟沉浮在反應器器壁的問題。如果不加以重視，則會造成其長時間運行存在困難。

2.4 三種工藝對比分析

2.4.1 原料對比

針對上述三種工藝方式進行對比分析，從原料的角度來看，特別是從原料純度的角度分析，Hostalen工藝對其具有最低的要求，其他兩種工藝措施往往具有較高的要求。從這個方面分析，Hostalen工藝技術并沒有涉及原料精制等問題，具有比較低的成本。其他兩種工藝技術則涉及己烯-1 生產高附加值的產品。從這個角度分析，經過對比，Hostalen則具有較低的成本。

2.4.2 工藝參數對比

經過相應的工藝參數的對比分析，其中，Unipol工藝僅僅采用1 個反應器，這樣往往就會涉及比較低的催化劑應用效率；而在其他兩種工藝技術環節所涉及的共聚單體則是丁烯和己烯，原料成本往往比較低；總體來看，三種工藝參數較為溫和，總體上的Unipol工藝具有比較廣的產品密度，滿足系列化的不同規格產品要求，體現出較強的市場適應性。

2.4.3 單耗、能耗對比

通過上述三種工藝技術方法的對比分析，這三種工藝的能耗中，Hostalen工藝最高，Innovene S的單耗最低。從這個角度來看，主要是考慮到Innovene S選擇雙環管工藝，所涉及的反應器體積比較小，這樣在較短的運行環節則會存在著較少的過渡料，而對于Hostalen工藝來說，由于過程中存在著蠟產生的問題，定期清理則意味著較高的單耗。從系統能耗來看，Innovene S工藝大型設備較少，相應的精制單元并沒有太多設備，這樣整體的系統能耗較低；Hostalen工藝則涉及周期化的停工問題，造成總體能耗偏高。

3 高密度聚乙烯的主要應用

考慮到高密度聚乙烯在應用實踐中體現出較好的性能，在工業管材、食品包裝以及汽車構件方面有著一定的應用。

結合具體的管材應用方面，則是在燃氣管領域應用中有著廣闊的前景。從這個角度來看，正是由于高密度聚乙烯材料具有良好的性能特點，從而在相關涉及的領域具有廣泛的應用。首先，其具有較強的耐腐蝕性，相比而言，高密度聚乙烯管材不存在著傳統鑄鐵管的電化學腐蝕問題，其具有比較好的抗氧化腐蝕能力，這樣就可以全面有效控制燃氣系統的維修成本。同時，其質量較輕，這樣能更好地適應于相應的工程項目的實際要求，能有效控制運輸及安裝成本。

結合當前的應用情況來看，高密度聚乙烯往往具有較為廣泛的應用規模，能符合注塑、中空吹塑及薄膜制品的要求。當前，其最大的發展領域集中于注塑料方面，大約占到高密度聚乙烯消費三成左右的比例，特別是涉及化工行業、包裝行業、建筑行業的配件、包裝蓋、包裝桶等方面應用；另外，中空吹塑件也大約具有20%左右的應用量。其中，在進行中空吹塑件的分析過程中，大部分集中于中小型產品，其能適用于汽車領域范圍，相應的大型座椅、汽車油箱等范圍。比如，上海金菲公司則是滿足于摩托油箱、汽車油箱的產品開發，并能獲得良好的應用效果。薄膜制品在發展過程中，則更加重視高分子薄膜制品的開發，并經過技術的發展而提出了不同的高密度聚乙烯薄膜制品的方案，借助于高密度聚乙烯材料的薄膜比來說，相比而言，其具有更加優異的性能，且結構厚度比較小，適用于相應的包裝行業中。結合實際來看，薄膜制品大都是通過進口渠道，總體上我國高密度薄膜制品行業的競爭力偏低，這也是意味著應加強這方面的科研投入，以便更好地促進薄膜制品業的健康發展。同時，高密度聚乙烯應用在防滲透膜的領域中也具有一定的有效性，其最為主要的優勢主要體現防腐蝕性能強，這樣在地下則不會被破壞，具有比較長的使用壽命。可能盡管前期具有比較大投資，但能體現出良好的環保效果，這是其發展的必然趨勢所在。

4 結語

結合當前高密度聚乙烯的應用情況，其具有較為優異的性能，在諸多工業領域中有著較為廣泛的應用。結合高密度聚乙烯制備工藝的技術進行全方位的論述，可以重點對于其所涉及的催化劑進行研究，并能加強相應的工藝技術優化。針對這項工藝的反應控制來說，則應結合改性實現材料不同性能的實際情況，旨在全面提升材料的綜合性能水平，從而保障高密度聚乙烯具有更為廣泛的應用空間，更好地符合時代發展的要求。