پلی اتیلن

پلی‌اتیلن‌ها خانواده‌ای از گرمانرم‌ها می‌باشند که از طریق پلیمریزاسیون گاز اتیلن (C₂H₄) به‌دست می‌آیند. از طریق کاتالیست و روش پلیمریزاسیون این ماده می‌توان خواص مختلفی همچون چگالی، شاخص جریان مذاب (MFI)، بلورینگی، درجه شاخه‌ای و شبکه‌ای شدن، وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی را در آن‌ها کنترل کرد. پلیمرهای با وزن مولکولی پایین را به عنوان روان‌کننده (Lubricant) به‌کار می‌برند. پلیمرهای با وزن مولکولی متوسط واکس‌هایی امتزاج‌پذیر (مخلوط پذیر) با پارافین می‌باشند و نهایتاً پلیمرهایی با وزن مولکولی بالاتر از ۶۰۰۰ در صنعت پلاستیک بیشترین حجم مصرف را به خود اختصاص می‌دهند. پلی اتیلن شامل ساختار بسیار ساده‌ای است، به‌طوری‌که ساده‌تر از تمام پلیمرهای تجاری می‌باشد. یک مولکول پلی اتیلن زنجیر بلندی از اتم‌های کربن است که به هر اتم کربن دو اتم هیدروژن چسبیده‌است.

گاهی اوقات به جای اتم‌های هیدروژن در مولکول (پلی اتیلن)، یک زنجیر بلند از اتیلن به اتم‌های کربن متصل می‌شود که به آن‌ها پلی اتیلن شاخه‌ای یا پلی اتیلن سبک (LDPE) می‌گویند؛ چون چگالی آن به علت اشغال حجم بیشتر، کاهش یافته‌است. در این نوع پلی اتیلن مولکولهای اتیلن به شکل تصادفی به یکدیگر متصل می‌شوند و ریخت و شکل بسیار نامنظمی را ایجاد می‌کنند. چگالی آن بین ۹۱۰/۰ تا ۹۲۵/. است و تحت فشار و دمای بالا و اغلب با استفاده از پلیمریزاسیون رادیکال‌های آزاد وینیلی (Free radical polymerization) تولید می‌شود. البته برای تهیهٔ آن می‌توان از پلیمریزاسیون زیگلر ناتا (Ziegler-Natta polymerization)نیز استفاده کرد.

پلی اتیلن سبک (چگالی پایین) عموماً پلی اتیلنی نرم‌تر و دارای بلورینگی کم تری است. این پلیمر معمولاً به صورت گلوله‌ای شکل به بازار عرضه شده و به‌طوری وسیع در کاربردهایی مصرف می‌شود که در آن‌ها شفافیت، خنثی بودن، سهولت فرایند پذیری، پایداری و خواص خوب الکتریکی مد نظر است.

• وقتی هیچ شاخه‌ای در مولکول وجود نداشته باشد آن را پلی اتیلن خطی می‌نامند. پلی اتیلن خطی سخت‌تر از پلی اتیلن شاخه‌ای است اما پلی اتیلن شاخه‌ای آسانتر و ارزانتر ساخته می‌شود. ریخت و شکل این پلیمر بسیار کریستالی شکل است. پلی اتیلن خطی محصول نرمالی با وزن مولکولی ۲۰۰۰۰۰–۵۰۰۰۰۰ است که آن را تحت فشار و دماهای نسبتاً پائین پلیمریزه می‌کنند. چگالی آن بین ۹۴۱/۰ تا ۹۶۵/۰ است و آن را بیشتر به وسیلهٔ فرایند مشکلی که پلیمریزاسیون زیگلر ناتا نامیده می‌شود، تهیه می‌کنند. شکل این پلی اتیلن را در تصویر بالا می‌توانید مشاهده کنید.
• پلی اتیلنی نیز وجود دارد که چگالی آن مابین چگالی این دو پلیمر است یعنی در محدودهٔ ۹۲۶/۰ تا ۹۴۰/۰؛ و آن را پلی اتیلن نیمه سنگین یا پلی اتیلن متوسط می‌نامند.
• پلی اتیلن با وزن مولکولی بین ۳ تا ۶ میلیون را پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا یا UHMWPE می‌نامند و با پلیمریزاسیون کاتالیست متالوسن تولید می‌کنند. مادهٔ مزبور فرایندپذیری دشوارتری برخوردار بوده ولی خواص آن عالی است. هنگامی که از طریق تشعشع یا استفاده از مواد افزودنی شیمیایی، این پلیمر تماماً شبکه‌ای شود، پلی اتیلن یاد شده دیگر گرما نرم نخواهد بود. این ماده با پخت حین قالب‌گیری یا بعد از آن یک گرما سخت واقعی با استحکام کششی، خواص الکتریکی و استحکام ضربهٔ خوب در دامنهٔ وسیعی از دماها خواهد بود. از آن برای ساخت فیبرهای بسیار قوی استفاده می‌کنند تا جایگزین کولار (نوعی پلی آمید) در جلیقه‌های ضد گلوله کنند؛ و همچنین صفحات بزرگ آن را می‌توان به جای زمین‌های اسکیت یخی استفاده کرد.
• به وسیلهٔ کوپلیمریزاسیون مونومراتیلن با یک مونومر آلکیل شاخه دار، کوپلیمری با شاخه‌های هیدروکربن کوتاه بدست می‌آید که آن را پلی اتیلن خطی با چگالی کم یا LLDPE می‌نامند و از آن اغلب برای ساخت اشیاءای شبیه فیلم‌های پلاستیکی (کسیه فریزر) استفاده می‌کنند.

• پلی اتیلن در یک نگاه

  موارد استفاده: به صورت ترموپلاستیک، الیاف، لوله، فیلم و …

  مونومر: اتیلن

  روشهای پلیمریزاسیون: زنجیر رادیکالی آزاد

  ریخت‌شناسی: بسیار بلورین (پلی اتیلن خطی)، بی نظم (آمورف) با درصد تبلور پایین (پلی اتیلن شاخه‌ای)

  دمای ذوب: در حدود ۱۲۰–۱۳۰ درجه سانتیگراد

  دمای انتقال شیشه‌ای: در حدود ۸۰- درجه سانتیگراد (با توجه به درصد تبلور پلیمر تغییر می‌کند)

  انواع کلی پلی اتیلن

  ـ تقسیم‌بندی اساسی پلی اتیلن ▪ HDPE پلی اتیلن با دانسیته بالا ▪ LDPE پلی اتیلن با دانسیته پایین ▪ LLDPE پلی اتیلن سبک خطی ▪ VLDPE پلی اتیلن خیلی سبک ▪ UHMWPE پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (کاربردها: جلیقه ضد گلوله و ساخت مفاصل مصنوعی مانند تعویض مفصل زانو و تعویض مفصل ران ) ▪ COPOLYMERSکوپلیمرهای اتیلن -ونیل استر ▪ IONOMERS یونیمرها ▪ PEX پلی اتیلن با اتصالات عرض ▪ PERT پلی اتیلن مقاوم به گرما (کاربرد لوله‌های آب گرم)

  پلی اتیلن ها از دسته پلیمر های گرمانرم محسوب میشوند و به محض رسیدن به نقطه ذوب به مایع تبدیل میشوند و همچنین به محض رسیدن به نقطه انجماد فرایند منجمد شدن اتفاق می افتد. سنتز شیمیایی اتیلن که از نفت خام بدست می آید را میتوان پلی اتیلن نامید که به اختصار PE و یا polythene مینامند. وجود کاتالیست و پلیمریزاسیون سبب میشود که شاخص مشخصی از قلی شبکه ای شدن و وزن مولکولی و همینطور درجه شاخه ای در آن به طور دقیق کنترل شود. دو اتم هیدروژن در کنار دو کربن به صورت زنجیره ای قرار گرفته اند. لوله های LDPE دارای نیرو بین مولکولی هستند و استحکام کششی آنها کمتر است. روش تولید این نوع لوله ها پلیمریزاسیون رادیکالی بوده بنابر این این نوع لوله برای استفاده در مکان هایی که انعطاف پذیری مورد نیاز است استفاده میشود.

  گریدها

  هر یک از موارد بالا (اونواع کلی پلی اتیلن) خود شامل ده‌ها و بلکه صدها گونه مختلف می‌باشد که عبارت لاتین گرید برای آن‌ها استفاده می‌شود، مانند BL3، ۰۰۳۵، ۰۰۷۵، X3 و.. برای مثال BL3 جهت قالبگیری بادی مناسب می‌باشد.

  کاربرد

  
  نصب یک لوله از جنس پلی اتیلن سنگین برای یک پروژه جمع‌آوری فاضلاب در مکزیک

  پلی‌اتیلن کاربرد فراوانی در تولید انواع لوازم پلاستیکی مورد استفاده در آشپزخانه و صنایع غذایی دارد. از LDPE در تولید ظروف پلاستیکی سبک و همچنین کیسه‌های پلاستیکی استفاده می‌شود. HDPE، در تولید ظروف شیر و مایعات، انواع وسایل پلاستیکی آشپزخانه و مخازن آب پلی اتیلن کاربرد دارد. در تولید لوله‌های پلاستیکی و اتصالات لوله‌کشی معمولاً از MDPE استفاده می‌کنند.

  LLDPE به دلیل بالا بودن میزان انعطاف‌پذیری در تهیه انواع وسایل پلاستیکی انعطاف‌پذیر مانند لوله‌هایی با قابلیت خم شدن کاربرد دارد. اخیراً پژوهش‌های فراوانی در تولید پلی اتیلن‌هایی با زنجیر بلند و دارای شاخه‌های کوتاه انجام شده‌است. این پلی اتیلن‌ها در اصل HDPE با تعدادی شاخه‌های جانبی هستند. این پلی اتیلن‌ها ترکیبی، استحکام HDPE و انعطاف‌پذیری LDPE را دارند.

  برخی ویژگی‌های پلی اتیلن

  مهم‌ترین ویژگی‌های ذاتی پلی اتیلن‌های تجاری برای کاربردهای اصلی عبارت‌اند از:

  ۱) چگالی ۲) نمایهٔ مذاب ۳) توزیع وزن مولکولی

  مواد اولیه پلی اتیلن در تولید منهول‌های پلی اتیلن از مواد پلی اتیلن با گرید ۳۸۴۰ مخصوص روتاری مولدینگ از محصولات پتروشیمی تبریز می‌باشد. قیمت مواد پلی اتیلن تولیدی پالایشگاه تبریز دارای مواد افزودنی آنتی UV می‌باشند و نیازی به افزودن مواد مقاوم دیگر مانند کربن بلک را ندارند و در مقابل نور مستقیم آفتاب مقاومت لازم و مندرج در استاندارد را دارند. شاخص MFR يا همان شاخص جريان مذاب برابر با ۴ و چگالي اين نوع پلی‌اتيلن برابر با ۰٫۹۳۸ است.

  چگالی

  همان‌طور که قبلاً اشاره شد چگالی انواع پلی اتیلن‌ها در محدودهٔ ۰٫۹۱۰ تا ۰٫۹۶۵ دارد و علت اینکه آن را تا سه رقم اعشار ذکر می‌کنند این است که ۰٫۰۰۳ تغییر در چگالی باعث تغییر قابل توجه‌ای در ویژگی‌ها می‌شود. به‌طور کلی با افزایش چگالی، خطی بودن، سفتی، استحکام کششی، استحکام پارگی، دمای نرم شدن، شکنندگی، عمر خمشی، تمایل به ترک برداشتن افزایش می‌یابد. پلی اتیلن‌ها بسته به چگالی، به چهار گونه پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE)، پلی اتیلن با چگالی کم خطی (LLDPE)، پلی اتیلن با چگالی متوسط (MDPE) و پلی اتیلن با چگالی زیاد (HDPE) تقسیم می‌شوند.

  نمایه مذاب یا شاخص جریان مذاب Melt Flow Index) MFI)

  کاربردی‌ترین نشانهٔ ارتباط دهندهٔ ویژگی‌های پلی اتیلن به متوسط وزن مولکولی است. شاخص جریان مذاب، وزن پلی اتیلنی (بر حسب گرم) است که در عرض ده دقیقه از میان یک روزنهٔ (Die) با عرض و طول ثابت در دمای ۱۹۰ درجه سانتیگراد بیرون می‌آید، و این در حالی است که وزنهٔ استانداردی بر روی پیستون محفظهٔ رانش که حاوی حدود سه گرم پلی اتیلن است، قرار دارد. شاخص جریان مذاب تا حدودی (اما نه دقیق) نسبت معکوس با گرانروی مذاب دارد. بنا بر این با افزایش وزن مولکولی متوسط، کاهش می‌یابد. شاخص جریان مذاب بالاتر، نشان دهندهٔ روانی بیشتر در دماهای فرآورش است. این نماد در اصل برای نشان دادن ویژگی‌های سیلانی (روانی) به عنوان معیاری از قابلیت اکسترود شدن است. به‌طور کلی با افزایش شاخص جریان مذاب، استحکام کششی، مقاومت پارگی، دمای نرم شدن و چقرمگی پلی اتیلن کاهش می‌یابد.

  توزیع وزن مولکولی

  توزیع وزن مولکولی (Mw/Mn) نیز اثر بارزی بر روی ویژگی‌ها دارد. با افزایش نسبت Mw/Mn استحکام کششی، دمای نرم شدن و چقرمگی کاهش می‌یابد و شکنندگی و تمایل به ترک برداشتن افزایش می‌یابد.