پلی اتیلن ها گروهی از خانوادۀ بزرگ تر پلی الفین ها هستند که به لحاظ تولید و مصرف در میان پلیمرها در بالاترین رتبه بوده و از پلیمریزاسیون مونومرهای خطی حاوی گروه هاي وینیلی تولید می شوند. سه نوع اصلی آن ها عبارتند از:
- پلی اتیلن سنگین (HDPE)
- پلی اتیلن سبک خطی (LLDPE)
- پلی اتیلن سبک (LDPE)
تاریخچه
اولین محصول تجاری پلی اتیلن در سال ۱۹۴۰ از نفت خام یا گاز طبیعی تهیه شده است. این ماده ترموپلاستیک است که بسته به ساختار مولکولی از نوعی به نوع دیگر متفاوت است. در حقیقت، با تغییر وزن مولکولی (طول زنجیر)، تبلور (وضعیت زنجیر) و خواص شاخۀ آن (پیوند شیمیایی بین زنجیرهای مجاور) می توان محصولات متنوعی تولید کرد. دمای انتقال شیشه‌ای در حدود 80- درجۀ سانتیگراد است و با توجه به درصد تبلور پلیمر تغییر می‌کند. ساختار این پلیمر در شکل 1 مشاهده می شود:
شکل 1: ساختار مولکولی پلی اتیلن
خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی انواع پلی اتیلن ها: خواص پلی اتیلن ها تا حد زیادی به یکدیگر وابسته اند و در جدول 1 نشان داده شده اند:
جدول 1: خواص فیزیکی انواع پلی اتیلن ها
| خواص فیزیکی | HDPE | LLDPE | LDPE |
| شاخص/سرعت جریان مذاب MFI/MFR [gr/10Min] | 0.25 تا 20 | 0.9 تا 50 | 0.2 تا 30 |
| چگالی [gr/cm³] | 0.945 تا 0.960 | 0.918 تا 0.936 | 0.917 تا 0.922 |
| درصد کریستالیتی [%] | 70 تا 80 | 35 تا 60 | 35 تا 55 |
| جرم مولکولی × 103 | 96 تا 500 | 96 تا 500 | 28 تا 87 |
| نفوذپذیری اکسیژن × 1016 [cm³.cm/cm2.s.Pa] | 625 | 1920 | 2082 |
| نفوذپذیری رطوبت × 1011 [cm³.cm/cm2.s.Pa] | 1.37 | 4.06 | 4.37 |
| دمای نرم شدگی Vicat [°C] | 120.6 تا 130 | 86.1 تا 120.6 | 80.6 تا 102.2 |
| دمای ذوب [°C] | 134 | 116 | 113 |
| مقاومت شیمیایی | خوب | خوب | خوب |
در شکل 2 تفاوت شکل ظاهری انواع گریدهای پلی اتیلن مشاهده می شود:
 |
 |
 |
| پلي اتيلن با دانسيته بالا (HDPE) | پلي اتيلن سبك خطي (LLDPE) | پلي اتيلن با دانسيته پايين (LDPE) |
شکل 2: تفاوت شکل ظاهری گریدهای مختلف پلی اتیلن
همان طور که در جدول 2 مشاهده می شود، خواص مکانیکی پلی اتیلن ها با بالارفتن میزان شاخه ای شدن، کاهش می یابد:
جدول 2: خواص مکانیکی انواع پلی اتیلن ها
| خواص مکانیکی | HDPE | LLDPE | LDPE |
| استحکام کششی نقطۀ تسلیم [Kg/cm²] | 172.3 تا 323.4 | 75.9 تا 218 | 64.3 تا 142 |
| ازدیاد طول در نقطۀ شکست [%] | 4 تا 1000 | 350 تا 910 | 87 تا 710 |
| پایداری محیطی [hr] | 48 | بیش از 1000 | 4.5 |
| سختی | 59 تا 71 | 49 تا 62 | 40 تا 56 |
| استحکام ضربه به روش Izod [kg.cm/cm] | 0.1 تا 51.7 | 24.5 تا 54.4 | 35.9 تا 44.6 |
در نهایت، مهمترین خواص شیمیایی این پلیمرها عبارتند از:
– هیدروکربن غیرقطبی و اشباع با جرم مولکولی بالا دارای خواص شیمیایی مشابه پارافین
– شکل بلورین به دلیل تقارن ساختاری؛ افزایش چگالی و پایداری مکانیکی و شیمیایی با افزایش بلورینگی
– پایداری شیمیایی بالا
– حلالیت در هیدروکربن های آروماتیک مانند تولوئن و زایلن یا حلال های کلرینه مانند تری کلرواتان یا تری کلروبنزن در دمای بالاتر از دمای محیط
– عدم جذب آب
– نفوذپذیری کم گازهای قطبی و بخار آب و عبورپذیری بالای اکسیژن و دی اکسیدکربن
– شکننده شدن در صورت قرار گرفتن در معرض تابش نور خورشید؛ استفاده از کربن بلک به عنوان پایدارکنندۀ اشعۀ ماوراء بنفش
– سوختن آرام با شعلۀ آبی و بوی پارافین
– چاپ پذیری تنها در صورت اصلاح
فرآیند تولید و فرآوری: از طریق استفاده از کاتالیست و تغییر 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 در آن ها را کنترل کرد. با استفاده از اکسترودر، فرآوری و شکل دهی پلیمرها انجام می گردد. قسمت های مختلف اکسترودر در شکل 3 مشخص شده اند:
شکل 3: اکسترودر و اجزای مختلف آن
انواع پلی اتیلن: یکی از مهم ترین خواص پلی اتیلن ها چگالی آن ها است که با توجه به آن، مطابق شکل 4 طبقه بندی می شود:
شکل 4: انواع پلی اتیلن
- با وزن مولکولی بسیار بالا :(UHMWPE) پلی اتیلن خطی زنجیره های خطی طولانی، مقاومت ضربه، سایش، سختی و شکست فشاری بالایی دارند و برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر سایش دارند به کار می رود. فرآیند پذیری این پلیمر گرمانرم دشوار است و از آن برای ساخت فیبرهای بسیار قوی استفاده می‌کنند تا بتواند جایگزین کولار (نوعی پلی آمید) در جلیقه‌های ضد گلوله شود. همچنین صفحات بزرگ آن را می‌توان به عنوان جایگزین زمین‌های اسکیت یخی استفاده کرد.
- با دانسيتۀ بالا :(HDPE) پلی اتیلن خطی سخت تر از پلی اتیلن شاخه‌ای است و استحکام کششی بالایی دارد اما پلی اتیلن شاخه‌ای آسان تر و ارزان تر ساخته میشود. پلیمریزاسیون این پلی اتیلن خطی در فشار و دماهای نسبتاً پائین انجام می گردد و تنها اکسید کننده های قوی به طور محسوس در محدوده دمایی مشخص به این پلیمر حمله خواهند کرد. خواص مکانیکی این ماده، استفاده از آن ها را در شکل های بزرگ تر و کاربردهایی نظیر مواد ورقه ای در داخل مخازن، به عنوان عایق کاری در ستون‌ها گسترش داده است. در این ماده از جوش حرارتی می توان استفاده کرد.
- با اتصالات عرضی (PEX یا XLPE): پلی اتیلن با اتصالات عرضی است که از طریق ایجاد پیوندهای عرضی در ساختار پلیمر، آن را گرماسخت کرده و چگالی آن را افزایش می دهند. خواص این پلیمر در دمای بالا افزایش یافته، جریان پذیری آن کاهش و مقاومت شیمیایی آن بهبود می یابد. PEX در لوله کشی آب آشامیدنی به کار می رود؛ به این صورت که با انبساط دهی می توان آن را روی اتصالات فلزی کشید. با گذشت زمان و برگشت آن به حالت اولیه، یک اتصال دائمی ایجاد می شود. این پلیمر همچنین برای عایق بندی کابل الکتریکی با ولتاژ متوسط یا بالا، لوله های آب گرم و قطعات قالب گیری شده به کار می رود.
- متوسط :(MDPE) این نوع پلی اتیلن مقاومت ضربۀ خوبی دارد و مقاومت تنش-کرنش آن بیش از نوع HDPE است. این پلیمر بالاترین مقاومت شیمی را دارد و به طور معمول در لوله های گاز و اتصالات، بسته بندی، کیسه های حامل و درب های بطری استفاده می گردد.
- سبك خطي :(LLDPE) این پلیمر از طریق کوپلیمریزاسیون مونومر اتیلن با α-اولفینهای کوتاه زنجیر مانند 1-بوتن یا 1-هگزن با 1-اوکتن، کوپلیمری با شاخه‌های هیدروکربن کوتاه به دست می‌آید و از آن اغلب برای ساخت اشیایی شبیه فیلم‌های پلاستیکی (کیسه فریزر) استفاده می‌کنند. مقاومت کششی، ضربه و سوراخ شدگی آن بیشتر از نوع LDPE است و در مقایسه با آن، امکان ساخت فیلم دمشی با ضخامت کمتر با مقاومت تنش-شکست محیطی بهتر وجود دارد اما فرآوری آن آسان نیست.
- سبک با دانسيتۀ پايين :(LDPE) در این نوع پلیاتیلن مولکولهای اتیلن به شکل تصادفی به یکدیگر متصل می‌شوند و شکل بسیار نامنظمی را ایجاد می‌کنند. تولید آن تحت فشار و دمای بالا و اغلب با استفاده از پلیمریزاسیون رادیکال‌های آزاد وینیلی و پلیمریزاسیون زیگلر-ناتا است. LDPE دارای سختی، مقاومت فشاری، شفافیت، انعطاف پذیری و خاصیت انبساطپذیری است؛ از این رو برای لوله کشی و بسته‌بندی‌ها استفاده میشود. مقاومت شیمیایی آن به اندازۀ HDPE و پلی پروپیلن نیست، اما در مقابل بسیاری از اسیدهای معدنی (HCl و HF) و قلیاها (NH4OH، KOH و NaOH) مقاوم بوده اما باید از تماس آن با آلکانها، هیدروکربنهای آروماتیک، هیدروکربنهای کلرینه و اکسیدکننده‌های قوی (HNO3) اجتناب کرد. اتصال قسمتهای مختلف از جنس پلیاتیلن با استفاده از جوش ذوبی انجام میگردد. به این ترتیب، انجام لوله کشی به این شکل ارزان بوده و نسبت به دیگر مواد موجود، برای خطوط آب و فاضلاب و دیگر سرویس هایی که در معرض فشارها و یا درجه حرارت های بالا قرار نمی گیرند، بهترین انتخاب است.
- خيلي سبك (VLDPE): پلی اتیلن با ساختار خطی دارای سطوح بالای شاخه های کوتاه-زنجیره را پلی اتیلن VLDPE می‌گویند. این پلیمر از طریق کوپلیمریزاسیون اتیلن با α-اولفین های کوتاه زنجیره یا بهره گیری از کاتالیست های متالوسنی تولید می گردد و در تولید شلنگ و لوله، کیسه های یخ و موادغذایی یخ زده، بسته بندی مواد غذایی و همچنین اصلاح کننده های ضربه (از طریق ترکیب با پلیمرهای دیگر) استفاده می شود.
ساختار مولکولی انواع پلی اتیلن: ساختار مولکولی انواع مختلف پلی اتیلن بر رفتار آن ها موثر است و با کاهش شاخه ای شدن زنجیره های پلیمری و جرم مولکولی، بلورینگی آنها افزایش می یابد. چگالی و بلورینگی با یکدیگر رابطۀ مستقیم دارند. . چگالی و بلورینگی با یکدیگر رابطۀ مستقیم دارند و درجۀ شاخه ای شدن انواع پلی اتیلن به طور مقایسه ای در شکل 5 مشاهده می شود:
شکل 5: ساختار انواع پلی اتیلن
شاخه های زنجیره: میزان شاخه های جانبی پلی اتیلن به فرآیند تولید آن بستگی دارد و نوع و تعداد شاخه ها خواص را تحت تاثیر قرار میدهد. پلی اتیلن سبک با دانسيتۀ پايين از طریق فرآیند فشار بالا با پلیمریزاسیون رادیکالی انجام می گیرد که هم زمان با آن تعدادی شاخۀ کوتاه زنجیر نیز شکل می گیرد. این شاخه ها از طریق واکنش های انتقال به زنجیر درون مولکولی بوتیل یا اتیل شکل می گیرند و مکانیسم آن در شکل 6 نشان داده شده است:
شکل 6: مکانیسم واکنشهای انتقال به زنجیر درونمولکولی بوتیل یا اتیل در حین تولید LDPE
منبع: واحد تحقیق و توسعه شرکت آریا پلیمر پیشگام
www.ariapolymer.ir
دیدگاه خود را در میان بگذارید