پلی اتیلن

لوله پلی اتیلن

لوله پلی اتیلن

 

تقسیم بندی پلی اتیلن ها

در حالت کلی پلی اتیلن ها به سه دسته تقسیم میشوند .

الف) چگالی زیاد  (HDPE)

ب) چگالی کم (LDPE)

ج) خطی با چگالی کم (LLDPE)

گونه های پلی اتیلن محدود به سه مورد بالا نمیشود و با توجه به کاربرد های مختلف و بسیار زیاد این ماده پلیمری انوع مختلف دیگری نیز از آن تولید شده که شامل موارد زیر است

  1.  میان چگال (MDPE)
  2.  بسیار کم چگال(VLDPE)
  3.  با وزن مولکولی بسیار زیاد (UHMWPE)
  4.  شبکه ای(XLPE , PEX)

شکل 21 ساختار های متفاوت پلی اتیلن را نمایش میدهد .

با توجه به گذشت زمان و تحقیق و پژوهش بر روی پلی اتیلن انواع مختف تولید شده از این پلیمر نام های مختص به خود دریافت کرده اند مانند پلی اتیلن متالوسنی و دوقله ای و …

ساختار پلی اتیلنهای تجاری

ساختار پلی اتیلنهای تجاری

 

 پرچگال (HDPE)

این نوع از پلی اتیلن خطی است و در ساختار خود دارای شاخه های فرعی نیست به همین دلیل باعث میشود که مولکول های پلیمر فضای کمتری را اشغال کنند و به همین سبب میزان وزن موجود در واحد حجم افزایش یافته و به عبارت دیگر چگالی افزایش پیدا کند .

چگالی این نوع از پلی اتیلن در محدوده  0.941 – 0.965 gr/cm3 قرار میگیرد . قطعات قالب گیری شده پلی اتیلن با چگالی بالا معمولا سفید رنگ و غیر شفاف هستند و قطعات حالتی همانند آغشته به روغن دارند و به جز در مواردی که در موقع قالب گیری دچار تخریب نشده باشند بو و مزه خاصی ندارند . این نوع پلی اتیلن به علت بلورینگی زیادی  (60 – 80 %) که دارد بیشترین سفتی و کمترین میزان نفوذ پذیری حلال را نسبت دیگر پلی اتیلنها دارد .

با توجه به همین خواص از این نوع گرید پلی اتیلن در ساخت بطری ها ، مخازن نگهداری مواد شیمیایی و … استفاده میشود . به خاطر نفوذ پذیری بسیار کم این نوع پلی اتیلن در ساخت لوله های آب و فاضلاب و گاز طبیعی کاربرد دارند . دیگر کاربرد این نوع پلی اتیلن در تولید کیسه ها است چون این پلیمر توانایی تحمل تنش به مدت کوتاه را داراست .

 

 با چگالی کم  (LDPE)

ساختار این نوع پلی اتیلن به این صورت است که بر خلاف پلی اتیلن با چگالی بالا ، در ساختار اصلی خود شاخه های فرعی زیادی به شاخه اصلی متصل است و این امر باعث میشود که مولکول ها فضای زیادی را اشغال کنند و باعث شوند که میزان وزن موجود در واحد حجم کم شده و چگالی کاهش یابد .  وبه همین دلیل که شاخه های فرعی زیادی در ساختار خود دارد باعث میشود که میزان بلورینگی کمتری (40-60 %) داشته باشد .

بلوک های قالب گیری شده این نوع پلی اتیلن شفاف بوده و حالتی روغنی مانند دارند و با لمس شدن احساس میشود که تا حدودی چرب و روغنی هستند . و این امکان را دارند که زنجیر های آمورف به سطح بیاید و منجربه تولید محصولاتی کاملا نرم شوند .

فیلم های نازک تولید شده توسط پلی اتیلن با چگالی کم در اثر اعمال تنش فیلم به طور یکنواخت تغییر شکل میدهد و نواحی که مورد کشش واقع شده است سفید رنگ میشوند . فیلم های پلی اتیلن با چگالی کم قبل از پاره شدن تغییر شکل بسیار زیادی پیدا میکنند و به راحتی پاره نمیشوند . این نوع پلی اتیلن به خاطر داشتن شاخه های فرعی زیاد ، فرآیند پذیری بالا ، استحکام مذاب زیاد و ویسکوزیته نسبتا پایینی دارند .

ویژگی های یاد شده برای تولید فیلم ها بسیار مناسب هستند به همین دلیل بیشترین مصرف پلی اتینها با چگالی پایین به مصارف ساخت فیلم اختصاص می­یابند که در بسته بندی مواد غذایی سبک به کار میروند . و همچنین به عنوان لایه ای بر روی بسته بندی های مقوایی برای جلوگیری از نفوذ مایعات به طرف دیگر مورد استفاده قرار میگیرد .

کاربرد دیگر این ماده به علت انعطاف و عدم عبور جریان الکتریسیته به عنوان عایق کابل ها نیز مورد استفاده قرار میگیرد .

 

 خطی با چگالی کم (LLDPE)

این نوع پلیمر ها دارای ساختارهایی به صورت شاخه ای هستند که گروه های آلکیلی به بدنه اصلی آن متصل شده است .اغلب این مواد از کوپلیمریزاسیون اتیلن به همراه 1-آلکن  تولید میشوند .به طور معمول میزان کربن موجود در شاخه اصلی در حدود 100-25 کربن است وجود شاخه های فرعی باعث میشود که تا حدودی از تشکیل بلور جلوگیری شود و به همین دلیل نیز چگالی این نوع پلی اتیلن نیز از پلی اتیلن با چگالی بالا کمتر است .چگالی این نوع از پلی اتیلن در حدود 0.9-0.94 gr/cm3 است .

بلوک های قالب گیری شده از این ماده ته رنگ سفید دارند و ممکن است مقدار کمی مهاجرت زنجیر های ناحیه آمورف را در این ماده داشته باشیم که باعث میشود که تقریبا سطحی روغنی مانند را مشاهده کنیم .این نوع پلی اتیلن بو و مزه خاصی ندارد و با توجه به نوع افزودنی که به آن اضافه میکنیم میتوانیم میزان سفتی آنرا تغییر داده و متناسب با نیاز آنرا تولید کنیم .خواص این نوع پلی اتیلن باعث شده که بیشترین میزان مصرف این ماده در تولید فیلم بوده و فیلم های تولیدی در بسته بندی مواد غذایی و نایلون ها و کیسه های فریزر و … کاربرد داشته باشد .همچنین از اکستروژن این محصول برای مصارفی چون عایق کاری کابل های انتقال برق نیز استفاده میشود.

 با چگالی بسیار پایین  (VLDPE)

ساختار این پلی اتیلن همانند پلی اتیلن پرچگال است با این تفاوت که در ساختار خود تعداد بسیار زیادی شاخه فرعی کوتاه دارد که این شاخه های فرعی که فاصله آنها از یکدیگر در حدود 7 – 25 اتم کربن است باعث کم کردن چگالی به میزان زیاد و همچنین جلوگیری از بلورینگی ماده شده است که ، چگالی تقریبی برای این ماده در حدود 0.86 – 0.9 gr/cm3 است .

در بیشتر مواقع از این مواد برای قالب گیری قطعات ضخیم استفاده نمی­شود و فیلم های تولیدی از این ماده بسیار نرم و منعطف هستند و قابلیت تغییر شکل بالایی دارند و به خاطر انعطاف بالا پس از تغییر شکل اگر میزان کشیدگی بیشتر از 100% نباشد به حالت اولیه خود باز میگردند . قطعات تولید شده از این پلیمر کاملا شفاف بوده و میزان کدر بودن در فیلم های  تولیدی این ماده قابل چشم پوشی هستند .

موارد کاربرد فیلم های این ماده اغلب در تولید لوله های پزشکی و بسته بندی مواد پروتئینی و آستر پوشک ها است .

پلی اتیلن های متالوسنی

این نوع پلیمر مانند دیگر پلی اتیلن ها بر اساس چگالی دسته بندی نمیشود و نامگذار آن به خاطر یک دست بودن مولکول های آن است که این یکدست بودن مولکول ها به خاطر استفاده از کاتالیزور متالوسن در فرآیند پلیمریزاسیون آن است .

تفاوت کاتالیزور متالوسن با دیگر کاتالیزور ها در فعالیت آن هنگام واکنش است که در دیگر کاتالیزور ها الگوهای پیشرفت واکنش واحد نیستند و از الگو های متفاوتی پیروی میکنند ولی در کاتالیزور های متالوسنی مکانیسم پیشروی واکنش مکانیسمی واحد است و به همین دلیل باعث میشود که مولکول های تولید شده یکسان باشند .

در شکل 22 تفاوت اثر کاتالیزور متالوسنی و کاتالیزور های عادی را نمایش میدهد .

کاتالیزور متالوسن

کاتالیزور متالوسن

 

به این صورت کاتالیزور های متالوسنی میتوانند مولکول های یکسان و با خواص شیمیایی و فیزیکی یکسان تولید کنند که این امکان را فراهم میکنند که با استفاده از این کاتالیزور بتوانند بسته به نیاز های صنعت در زمان های مشخص نوع خاصی را تولید و عرضه کنند .

با استفاده از این کاتالیزور میتوانیم پیشرفت واکنش را به گونه ای پیش ببریم که بتوانیم خواص مکانیکی مانند استحکام ویا خاصیت شفافیت ویا فرآیند پذیری را به میزان دلخواه در ماده تولید شده به انجام برسانیم . با وجود اینکه کاتالیزور های متالوسنی کمک بسیاری در تولید و تعیین خواص در مواد تولید شده به ما میکند با این حال هنوز هم نیاز به کاتالیزور هایی با توانایی های بالاتر احساس میشود که در آینده با پژوهش های متعدد تولید خواهند شد .

 

پلی اتیلن دو قله ای (Bimodal PE)  

در حات کلی فرآیند پذیری پلیمرها به این صورت است که هرچه زنجیره های پلیمری کوتاه تر باشند میزان فرآیند پذیری بیشتر و همچنین توانایی کنترل واکنش توسط ما نیز بیشتر میشود ولی این کوتاه بودن زنجیره ها باعث میشود که ماده ما خواص لازم را نداشته باشد .

برای ما ماده ای مفید و مطلوب است که هردو خاصیت فرآیند پذیری و خواص مکانیکی را به طور همزمان داشته باشد . به همین منظور در دهه 80 میلادی پلیمر هایی به بازار عرضه شدند که این پلیمرها ترکیبی از دو وزن مولکولی متفاوت بودند تا بتوانند هر دو خاصیت مورد نیاز را پوشش بدهند . زنجیرهایی که با وزن مولکولی زیاد باعث میشوند خواص مکانیکی مورد نیاز تامین گردد و زنجیر هایی با طول کم خاصیت فرآیند پذیری را فراهم میکنند که ترکیب این دو ماده پلیمری با خواص مکانیکی خوب و واکنش پذیری خوب است .

در شکل 23 منحنی توزیع وزن مولکولی این نوع پلیمر ها نمایش داده شده است.

پلی اتیلنهای دوقله ای

پلی اتیلنهای دوقله ای

فرآیند پلیمریزاسیون پلی اتیلن های دو قله در دوظرف صورت میگیرد بدین صورت که ظروف واکنش توسط یک تبخیر کننده از هم جدا میشوندکه این تبخیر کننده کلیه مونومر ها و هیدروکربن های واکنش نداده را از ظرف خارج میکند .

در ظرف اول واکنش زنجیره های پلی اتیلن با وزن مولکولی کم با استفاده از کاتالیزور ها رشد میکنند و سپس به ظرف دوم منتقل میشوند . و در آن زمان مولکول هایی با وزن زیاد تر و طول بیشتر تولید میشوند .به این صورت مخلوطی از پلیمرهای با زنجیره های کوتاه و بلند تشکیل میشود و از آنجایی که در ظرف های جداگانه قرار دارند میتوانیم میزان و نسبت زنجیر های کوتاه و بلند را با توجه به نیاز نهایی تعیین کنیم .

دستگاه تولید پلی اتیلن دو قله

شکل 24 شماتیک دستگاه تولید پلی اتیلن دو قله را نشان میدهد. این دستگاه توانایی تولید پلی اتیلن از نوع LLDPE تا HDPE را داراست .

تولید پلی اتیلنهای دوقله ای

تولید پلی اتیلنهای دوقله ای

 

از ویژگی های مهم پلی اتیلن های دوقله این است که با افزایش میزان سرعت تنش ، ویسکوزیته ماده با سرعت بیشتری کم میشود .مانند شکل 25 . که این مورد در مراحل فرآورش کمک بسیاری میکند چون در هنگام فرآورش ماده ، باعث میشود که در اثر تنش های وارد شده به ماده ، ویسکوزیته کاهش پیدا کند و عملیات فرآورش آسان تر انجام شود . و به همین صورت زمانی که تنش اعمال شده به ماده کم ویا ناچیز است ویسکوزیته افزایش یافته و باعث میشود که در هنگام قالب گیری ویسکوزیته این نوع مواد از ویسکوزیته پلی اتیلن های تک قله نیز بیشتر شود و در هنگام سرد شدن پایداری بیشتری داشته باشند .

تغییرات ویسکوزیته مذاب با سرعت برش

تغییرات ویسکوزیته مذاب با سرعت برش

پلی اتیلن شبکه ای (PEX)

همانطور که از اسم این نوع پلی اتیلنها معلوم است ساختار این پلیمر ها شبکه ای بوده و دارای اتصالات عرضی است .

تفاوت های ایجاد شده در اثر شبکه ای شدن تفاوت های چشمگیری است و این تفاوت ها شامل مواردی همچون پایداری گرمایی تحت بار که باعث رسیدن دمای کارکرد پلیمرهای شبکه ای به 120 درجه سانتی گراد در صورتی که پلیمر های با چگالی بالا دمای کارکردی در حدود 70 درجه سانتی گراد دارند .اثر ایجاد شده دیگر کاهش ترک زایی تنش محیطی (Environmental Stress Cracking Resistance ( ESCR)) است . به طور کلی شبکه ای شدن باعث میشود که پلی اتیلن تولید شده از دیگر پلی اتیلن ها سفت تر باشد .

برخی از ویژگی هایی که پلی اتیلن ها در اثر شبکه ای شدن پیدا میکنند در جدول شماره 3 آمده است

تغییرات پلی اتیلن در اثر شبکه ای شدن

تغییرات پلی اتیلن در اثر شبکه ای شدن

 

 

اتصالات عرضی در پلی اتیلنها

  1. روش پراکسیدی
  2. روش پخت رطوبتی
  3. روش پرتودهی ( وینیل سیلان و روش پرتو بتا)

 

 

روش پراکسیدی:

در این روش معمولا از  2و 5 دی متیل 2و 5 دی ترسیو-بوتیل پراکسی هگزان (DHBP)استفاده میشود .که در دمای اتاق به حالت مایه است ولی برای سهولت در فرآیند گرانول های پلی اتیلن را به این ماده آغشته میکنیم که به طور معمول بر روی پولک ها یا دانه های پلی اتیلن جذب میشوند و وارد عملیات فرآیند میشوند . فرآیند شبکه ای شدن به این صورت است که دمای محیط را در حدود 180-220 درجه افزایش میدهیم و سپس شروع به تجزیه شدن و تولید رادیکال آزاد میکند و باعث شبکه ای شدن پلی اتیلن میشود .

هنگام اکستروژن ماده باید دمای سیلندر ها را به دقت کنترل کنیم زیرا عدم کنترل دما میتواند منجر به ایجاد اتصالات عرضی در داخل سیلندر اکسترودر شود و تولید خسارت کند . برای اکستروژن این ماده معمولا از مارپیچ هایی با نسبت طول به قطر کم استفاده میشود .در حالت کلی میزان شبکه ای شدن پلی اتیلن بستگی به میزان پراکسید ، وجود مواد ضد اکسایش و دمای فرآیند متفاوت است اما به طور کلی میزان شبکه ای شدن و پخت در روش پراکسیدی از دیگر روش ها بسیار زیاد تر و در حدود 90% است .

روش پرتودهی

در این روش پلی اتیلن را به کمک الکترون های پر انرژی تابش بتا پرتو دهی میکنیم که این پرتو دهی باعث تولید رادیکال های آزاد و ایجاد شبکه های عرضی در بین مولکول های پلی اتیلن می­شود .که این تولید رادیکال و پرتو دهی به وسیله عبور دادن محصول نهایی از تونل تابش پرتو بتا انجام میشود . که برای رسیدن به میزان پختی که مورد نظر است میتوانیم چندین بار  محصول را از داخل این تونل عبور دهیم معمولا برای بیشتر کردن سرعت پخت به پلی اتیلن مواد شتاب دهنده پخت اضافه میکنیم ولی بدون اضافه کردن این شتاب دهنده ها نیز میتوانیم عملیات پخت را انجام دهیم .

برای پوشش ها یا قطعاتی که ضخامتی در حدود mm 0.25 دارند از پرتو دهی با انرژی کم استفاده میکنیم ولی برای مواردی که با ضخامت بالا سرو کار داریم باید از پرتو دهی با انرژی زیاد استفاده کنیم . در این روش شبکه های ایجاد شده نسبت به روش های دیگر ناهمگن تر است ولی خاصیت این روش این است که از سرعت بالایی برخوردار هستیم . و همچنین این روش هزینه به نسبت کمتری از دیگر روش ها و همچنین سهولت بیشتری نیز دارد  . در این روش فرآیند پخت و فرآیند تولید به طور مجزا نسبت به یکدیگر انجام میشوند و همین توانایی در جداسازی عملیات های پخت و تولید باعث بالا بردن سرعت میشود.

 

پخت رطوبتی

دو روش برای پخت پلی اتیلن به روش رطوبتی وجود دارد ولی در هر دو روش از کوپلیمر وینیل سیلان استفاده میشود .که میتوانیم به طور مجزا ویا به طور واکنش داده با پلی اتیلن این ماده را به ظرف واکنش اضافه کنیم .که با توجه به نوع اضافه کردن کوپلیمر به پلی اتیلن تفاوت هایی در محصول نهایی ایجاد میشود که به صورت زیر است .

الف) کوپلیمر راکتوری

در این روش کوپلیمر را به همراه سایر افزودنی ها نظیر کاتالیزور و فعال کننده ها به ظرف راکتور اضافه میکنیم که مزیت این روش این است که مدت زمان زیادی میتوانیم کوپلیمر را در ظرف ویا در انبار نگهداری کنیم .

عیب این روش نیز این است که فرآیند پلیمریزاسیون در فشار بالا انجام میشود که نتیجتاً محصولی با شاخه های فرعی زیاد و چگالی کم یا همان LDPE تولید میکند و توانایی تولید HDPE و LLDPE  را ندارد .

ب) پلیمرهای پیوند خورده با سیلان

در این روش یک ترکیب سیلان چند عاملی به هنگام آمیزه سازی و ترکیب به پلی اتیلن اضافه میشود که به همین جهت میتوانیم به انواع پلی اتیلن یا مشتقات آن همانند  HDPE , EVA , EPR اضافه کنیم این سیلان ها در هنگام پخت و در مجاورت رطوبت تشکیل پیوند داده و یک شبکه پلیمری سه بعدی را ایجاد میکنند عملیات پخت در این روش معمولا در حمام آب ویا در سونای بخار انجام میشود که نتیجتا سریع تر و بهتر از سایر کوپلیمرها اتصالات عرضی ایجاد میکند ولی در مقابل سرعت نگهداری آنها نسبتاً کوتاه تر است .

عملیات پیوند زنی و شکل دهی خود به دوصورت تک مرحله ای و دومرحله ای انجام میشود .

در فرایند یک مرحله ای عملیات پیوند زنی و شکل دهی به طور همزمان و در یک اکسترودر انجام میشود که محصولی مانند سیم یا پروفیل تولید میکند . که در روش یک مرحله ای سیلان ، آغازگر ، کاتالیزگر ، پلی اتیلن و ضداکسنده همگی وارد یک اکسترودر واحد میشوند که به همین دلیل این روش به تخصص ودانش فنی زیادی برای هدایت سیستم و محدودیت های موجود در اضافه کردن برخی افزودنی ها دارد .

در فرآیند دومرحله ای از دو اکسترودر استفاده میکنیم که در اکسترودر اول مخلوط سیلان دار و در اکسترودر دوم کاتالیزگر و سایر افزودنی های مورد نیاز قرار دارند .و نیز عملیات شکل دهی به پلیمر توسط اکسترودر دوم انجام میشود . این نوع فرآیند نیاز به تجهیزات ویژه ای ندارد و فرآیند کار ساده تری نیز دارد . همچنین میزان تولید ضایعات در این نوع فرآیند به مراتب کمتر است .