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Yury V Kissin

Polyethylene

End-Use Properties and their Physical Meaning

ISBN (Buch): 978-1-56990-520-3

ISBN (E-Book): 978-1-56990-521-0

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Table of Content

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX

1 Educational Minimum: Manufacture, Structure, and Mechanical Properties of Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . 1

1 .1 Classification and Applications of Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . 1

1 .2 Catalysts for Synthesis of Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1 .3 Industrial Processes for the Manufacture of Polyethylene Resins . . . . . . 6

1 .4 Chemistry of Ethylene Polymerization Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1 .5 Molecular Weight Distribution of Polymers and Methods of its Analysis 11

1 .6 Examples of Molecular Weight Distribution of Polyethylene Resins . . . . 14

1 .7 Copolymer Statistics and its Application to Description of LLDPE and VLDPE Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1 .8 Compositional Uniformity of Commercial Polyethylene Resins . . . . . . . . 22

1 .9 Morphology of Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1 .10 Mechanical Deformation of Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2 Melt Index and Melt Flow Ratio of Polyethylene Resin . . . . . . . . 352 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2 .2 Basics of Polymer Rheology; Melt Flow Through a Capillary . . . . . . . . . . 372 .2 .1 Flow of Polymer Melt Through a Cylindrical Capillary . . . . . . . . . 392 .2 .2 Melt Index of Newtonian Liquid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2 .3 Melt Flow of Monodisperse Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2 .4 Additivity Rules for Viscosity; Calculation of Melt Indexes and Melt Flow Ratios from Molecular Weight Distribution Data . . . . . . . . . . . 432 .4 .1 Additivity Rules for Zero-Shear Viscosity η0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 .4 .2 Additivity Rules for Effective Viscosity and General Expressions

for Flow of Non-Newtonian Multi-Component Melt . . . . . . . . . . . . 44

InhaltTable of Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IXEducational Minimum: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Manufacture, Structure, and Mechanical Properties of Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 .1  Classification and Applications of Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 .2  Catalysts for Synthesis of

Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 .3  Industrial Processes for the Manufacture of Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 .4  Chemistry of Ethylene Polymerization Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 .5  Molecular Weight Distribution of Polymers and Methods of its Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 .6  Examples of Molecular Weight Distribution of Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 .7  Copolymer Statistics and its Application to Description of LLDPE and VLDPE Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 .8  Compositional Uniformity of Commercial Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 .9 Morphology of Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 .10  Mechanical Deformation of Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Melt Index and Melt Flow Ratio of Polyethylene Resin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 .2  Basics of Polymer Rheology; Melt Flow Through a Capillary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 .2 .1 Flow of Polymer Melt Through a Cylindrical Capillary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 .2 .2 Melt Index of Newtonian Liquid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 .3  Melt Flow of Monodisperse Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 .4  Additivity Rules for Viscosity; Calculation of Melt Indexes and Melt Flow Ratios from Molecular Weight Distribution Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 .4 .1  Additivity Rules for Zero-Shear Viscosity η0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 .4 .2  Additivity Rules for Effective Viscosity and General Expressions for Flow of Non-Newtonian Multi-Component Melt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 .5  Examples of Melt Flow Rates and Melt Flow Ratios for Polyethylene Resins of Different Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 .5 .1 LLDPE Resins Produced with Supported Ziegler-Natta Catalysts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 .5 .2 HDPE Resins with Broad Molecular Weight Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512 .5 .3 Effect of Long-Chain Branching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Melting Point of Polyethylene Resin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573 .2 Melting Point of HDPE Resin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583 .3  DSC Melting Curves and Melting Points of LLDPE and VLDPE Resins Produced with Single-Site Catalysts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613 .3 .1  Crystallization Process of Compositionally Uniform Ethylene/

α-Olefin Copolymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .643 .3 .2 Model for Secondary Crystallization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653 .3 .3 Combined DSC Model for LLDPE and VLDPE Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663 .4  DSC Melting Curves and Melting Points of LLDPE Resins Produced with Multi-Site Ziegler-Natta Catalysts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Crystallinity Degree and Density of Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734 .1 Crystallinity Degree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734 .1 .1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Measurement Methods 734 .1 .2  Definition of Crystallinity Degree of LLDPE and VLDPE Resins Based on Copolymer Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754 .2 Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764 .2 .1 Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774 .2 .2 Physical Meaning of Polyethylene Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80End-Use Mechanical Properties of Polyethylene Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835 .1  Mechanical Properties of Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835 .1 .1 Effect of Testing Speed on Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845 .1 .2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Orientation in Polyethylene Film 855 .2 Dart Impact Strength of LLDPE Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875 .2 .1 Description of Dart Impact Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875 .2 .2 Model of Dart Impact Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895 .2 .2 .1 Effects of Mechanical Properties of Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925 .2 .2 .2  Comparison of Film Made from Ethylene/Butene

and Ethylene/Hexene Copolymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .935 .2 .2 .3 Effect of Copolymer Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945 .2 .2 .4 Compositionally Uniform and Compositionally Nonuniform Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955 .3 Tear Strength of LLDPE and LDPE Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975 .3 .1 Description of Tear Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975 .3 .2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Physical Details of Tear Test 975 .3 .3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Model of Tear Test 1025 .3 .3 .1 Effect of Pendulum Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075 .3 .3 .2 Effects of Mechanical Properties of Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075 .3 .3 .3 Effect of Film Orientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085 .3 .3 .4  Comparison of Tear Strength of Ethylene/Butene and

Ethylene/Hexene Copolymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1105 .3 .3 .5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Low Density Polyethylene 1105 .4  Comparison of Factors Determining Results of Tear Test and Dart Impact Test of LLDPE Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112End-Use Testing of High Molecular Weight HDPE and MDPE Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156 .1 Top Load Test of HDPE Containers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156 .1 .1 Mechanics of Top Load Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1166 .2  Dynamic Burst Test of HDPE Tubing and Pipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186 .3  Static Burst Test and Long-Term Fatigue in Polyethylene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1196 .3 .1 Principal Equation for Low-Stress Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1206 .3 .2 Physical Mechanism of Polymer Failure under Low Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1226 .4  Environmental Stress-Cracking Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1256 .4 .1 Description of ESCR Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1256 .4 .2 Physics of Environmental Stress Cracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266 .4 .3 Structural Parameters of HDPE Resins Affecting ESCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1276 .4 .4  Relationship between ESCR and Long-Term Fatigue in Polyethylene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1306 .4 .5 Mechanism of Environmental Stress Cracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

VI Table of Content

2 .5 Examples of Melt Flow Rates and Melt Flow Ratios for Polyethylene Resins of Different Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 .5 .1 LLDPE Resins Produced with Supported Ziegler-Natta Catalysts 482 .5 .2 HDPE Resins with Broad Molecular Weight Distributions . . . . . . 512 .5 .3 Effect of Long-Chain Branching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3 Melting Point of Polyethylene Resin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3 .2 Melting Point of HDPE Resin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3 .3 DSC Melting Curves and Melting Points of LLDPE and VLDPE Resins Produced with Single-Site Catalysts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613 .3 .1 Crystallization Process of Compositionally Uniform Ethylene/

α-Olefin Copolymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643 .3 .2 Model for Secondary Crystallization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653 .3 .3 Combined DSC Model for LLDPE and VLDPE Resins . . . . . . . . . . . 66

3 .4 DSC Melting Curves and Melting Points of LLDPE Resins Produced with Multi-Site Ziegler-Natta Catalysts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4 Crystallinity Degree and Density of Polyethylene Resins . . . . . . 734 .1 Crystallinity Degree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4 .1 .1 Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734 .1 .2 Definition of Crystallinity Degree of LLDPE and VLDPE Resins

Based on Copolymer Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4 .2 Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764 .2 .1 Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774 .2 .2 Physical Meaning of Polyethylene Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

5 End-Use Mechanical Properties of Polyethylene Film . . . . . . . . . 835 .1 Mechanical Properties of Polyethylene Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5 .1 .1 Effect of Testing Speed on Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . 845 .1 .2 Orientation in Polyethylene Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5 .2 Dart Impact Strength of LLDPE Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875 .2 .1 Description of Dart Impact Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875 .2 .2 Model of Dart Impact Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5 .2 .2 .1 Effects of Mechanical Properties of Resins . . . . . . . . . . . . 92

Table of Contents� VII

5 .2 .2 .2 Comparison of Film Made from Ethylene/Butene and Ethylene/Hexene Copolymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5 .2 .2 .3 Effect of Copolymer Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945 .2 .2 .4 Compositionally Uniform and Compositionally

Nonuniform Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5 .3 Tear Strength of LLDPE and LDPE Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975 .3 .1 Description of Tear Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975 .3 .2 Physical Details of Tear Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975 .3 .3 Model of Tear Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5 .3 .3 .1 Effect of Pendulum Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075 .3 .3 .2 Effects of Mechanical Properties of Resins . . . . . . . . . . . . 1075 .3 .3 .3 Effect of Film Orientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085 .3 .3 .4 Comparison of Tear Strength of Ethylene/Butene and

Ethylene/Hexene Copolymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1105 .3 .3 .5 Low Density Polyethylene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5 .4 Comparison of Factors Determining Results of Tear Test and Dart Impact Test of LLDPE Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

6 End-Use Testing of High Molecular Weight HDPE and MDPE Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6 .1 Top Load Test of HDPE Containers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156 .1 .1 Mechanics of Top Load Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6 .2 Dynamic Burst Test of HDPE Tubing and Pipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

6 .3 Static Burst Test and Long-Term Fatigue in Polyethylene . . . . . . . . . . . . . 1196 .3 .1 Principal Equation for Low-Stress Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1206 .3 .2 Physical Mechanism of Polymer Failure under Low Stress . . . . . . 122

6 .4 Environmental Stress-Cracking Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1256 .4 .1 Description of ESCR Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1256 .4 .2 Physics of Environmental Stress Cracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266 .4 .3 Structural Parameters of HDPE Resins Affecting ESCR . . . . . . . . . 1276 .4 .4 Relationship between ESCR and Long-Term Fatigue

in Polyethylene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1306 .4 .5 Mechanism of Environmental Stress Cracking . . . . . . . . . . . . . . . . 132

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139