بطری-پلی اتیلن

پلی‌اتیلن‌ها خانواده‌ای از گرمانرم‌ها هستند که از طریق پلیمریزاسیون گاز اتیلن C2H4 بدست 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 پائین را به عنوان روان کننده (Lubricant) به کار می‌برند. پلیمرهای با وزن مولکولی متوسط واکس‌هایی امتزاج پذیر (مخلوط پذیر) با پارافین هستند و نهایتا 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، به طوری که ساده تر از تمام پلیمرهای تجاری است . یک مولکول پلی اتیلن زنجیر بلندی از اتم‌های کربن است که به هر اتم کربن دو اتم هیدروژن چسبیده‌است.
پلی اتیلن یكی از ساده ترین و ارزان ترین پلیمرها و پر مصرف ترین ماده پلاستیكی در جهان است. این ماده از پلیمریزاسیون اتیلن به دست می آید و به طور خلاصه به صورت PE نشان داده می شود. نام آیوپاك مونومر آن، برخلاف آنچه كه در گذشته اتیلن ذكر شده، اتن می باشد. بنابراین نام آیوپاك این پلیمر، پلی اتن خواهد بود. البته این نام هرگز توسط شیمیدان ها به كار نمی رود و این پلیمر به نام متداول خود یعنی پلی اتیلن نامیده می شود.
مولكول اتیلن دارای یك پیوند دوگانه C=C است. در فرآیند پلیمریزاسیون، پیوند دوگانه هر یك از مونومرها شكسته شده و به جای آن یك پیوند ساده بین اتم های كربن ایجاد و درشت مولكول n حاصل می شود.
پلی اتیلن معمولاً تحت نام های تجاری آلاتون ، هستالن ، مارلكس ، پتروتن ، ترولن ، هیپالن ، لوپولن و آلكاتن به بازارهای دنیا عرضه می شود.

پلی اتیلن

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

تاریخچه تولید پلی اتیلن
پلی اتیلن اولین بار به طور اتفاقی توسط شیمیدان آلمانی هنس وان پكما سنتز شد. او در سال ۱۸۹۸، هنگام حرارت دادن دی آزومتان، تركیب مومی شكل و سفیدی را سنتز كرد كه بعدها پلی اتیلن نام گرفت.
اولین روش سنتز صنعتی، توسط اریك فاوست و رینولدگیبسون انجام شد. این دو دانشمند با حرارت دادن مخلوط اتیلن و بنزالدهید در فشار بالا، ماده ای موم مانند به دست آوردند. علت این واكنش، وجود ناخالصی های اكسیژن دار در دستگاه های مورد استفاده بود كه به عنوان ماده آغازگر پلیمریزاسیون عمل كرده بود. در سال ۱۹۳۵، مایكل پرین این روش را توسعه داد و تحت فشار بالا، پلی اتیلن را سنتز كرد كه برای تولید صنعتی پلی اتیلن، به عنوان روش اساسی در سال ۱۹۳۹ اتخاذ شد. از آن زمان به بعد با از میان برداشتن موانع، پیشرفت های زیادی در زمینه سیستم های پلیمری و ساخت پلیمر صورت گرفت و همه این ها منجر به این شد كه تولید پلیمرها، امروزه به صورت صنعت عظیمی درآمده است.

پلی اتیلن

روش های تولید پلی اتیلن
چهار روش اصلی برای تولید صنعتی پلی اتیلن وجود دارد و در هر مورد، محصولاتی با خواص متفاوت حاصل می شود.

  • فرآیند فشار
    بالا در فرآیند فشار بالا، از فشارهای atm ۳۰۰۰ و دماهای 1000 استفاده می شود. یكی از مكانیسم ها برای انجام این كار، پلیمریزاسیون به صورت رادیكالی است كه برای شروع واكنش می توان از پراكسیدها، تركیبات آزو و مقادیر جزئی اكسیژن استفاده كرد و باید شرایط به دقت كنترل شود تا واكنش فرعی انجام نشود. در صورت انجام واكنش فرعی، هیدروژن، متان و گرافیت تولید می شود كه اگر به دست آوردن پلیمری با جرم مولكولی زیاد مورد نظر باشد باید آنها را از محیط واكنش خارج كرد. به طور كلی، فرآیندهای فشار بالا، پلی اتیلن های شاخه دار با دانسیته كمتر در محدوده ۳gr cm ۹۴۵/۰- 915/0 ایجاد می كنند كه جرم مولی آنها نیز نسبتاً پایین است.
  • فرآیند زیگلر
    ناتا فرآیند زیگلر براساس واكنش های كوردیناسیون به كمك كاتالیزورها شامل هالیدهای تیتان و تركیبات آلی آلومینیوم دار انجام می شود. این واكنش ها توسط زیگلر در سال ۱۹۵۳ در موسسه ماكس پلانك در آلمان كشف و توسط ناتا در ایتالیا در اوایل دهه ۱۹۵۰ توسعه یافتند. كاتالیزور زیگلر ناتا كمپلكسی تهیه شده از تتراكلراید تیتانیوم و تری اتیل آلومینیوم است. این كاتالیزور در ابتدا به ظرف واكنش وارد شده و پس از آن اتیلن اضافه می شود. واكنش در دماها و فشارهای پایین در غیاب هوا و رطوبت، كه كاتالیزور را تجزیه می كنند انجام می گیرد. پلی اتیلن تولید شده طی این فرآیند، دارای دانسیته متوسط در حدود ۳ grcm945/0 است. با تغییر نسبت اجزای پلیمر یا وارد كردن مقدار كمی هیدروژن به ظرف واكنش، می توان به دامنه ای از جرم های مولی نسبی دست یافت.
  • فرآیند فیلیپس
    این فرآیند، پلی اتیلن با دانسیته زیاد در فشار و دمای نسبتاً پایین به دست می دهد. در فرآیند فیلیپس، از كاتالیزور %۵ CrO3در سیلیس/ آلومینا بسیار ریز در فشار atm۳۵ و دمای 15 استفاده می شود. دانسیته محصول ۳ grcm 96/0 است.
  • فرآیند نفت استاندارد (ایندیانا)
    در این فرآیند نیز همانند فرآیند فیلیپس كه پلی اتیلن با دانسیته بالا ۳grcm 96/0 تولید می شود ازMnO3 تثبیت شده روی فلز یا هیدرید كلسیم و سدیم در فشار atm۸۰ و دمای 40 استفاده می شود.

انواع پلی اتیلن
طبقه بندی پلی اتیلن ها براساس دانسیته آنها صورت می گیرد كه در مقدار دانسیته، اندازه زنجیر پلیمری، نوع و تعداد شاخه های موجود در زنجیر دخالت دارد.
HDPE پلی اتیلن با دانسیته بالا
این پلی اتیلن دارای زنجیر پلیمری بدون شاخه است. بنابراین نیروی بین مولكولی در زنجیرها بالا و استحكام كششی آن بیشتر از بقیه پلی اتیلن ها است. پلی اتیلن خطی معمولاً با وزن مولكولی از ۲۰۰۰۰۰ تا ۵۰۰۰۰۰ تولید می شود اما می تواند حتی سنگین تر هم ساخته شود. شرایط واكنش و نوع كاتالیزور مورد استفاده در تولید HDPE موثر است. پلی-اتیلن بدون شاخه معمولاً از روش پلیمریزاسیون با كاتالیزور زیگلر ناتا حاصل می شود.
وقتی هیچ شاخه‌ای در مولکول وجود نداشته باشد آن را پلی اتیلن خطی (HDPE) می‌نامند. پلی اتیلن خطی سخت تر از پلی اتیلن شاخه‌ای است اما پلی اتیلن شاخه‌ای آسان تر و ارزان تر 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 فرآیند مشکلی که پلیمریزاسیون زیگلر ناتا نامیده می‌شود، تهیه می‌کنند. شکل این پلی اتیلن را در تصویر زیر می‌توانید مشاهده کنید.

پلی اتیلن

LDPE پلی اتیلن با دانسیته پایین
این پلی اتیلن دارای زنجیری شاخه دار است یعنی بعضی از كربن ها به جای اتصال به اتم های هیدروژن به زنجیرهای بلندی از پلی اتیلن متصل هستند. بنابراین زنجیرهای LDPE نمی توانند به خوبی با یكدیگر ارتباط برقرار كنند و دارای نیروی بین مولكولی ضعیف و استحكام كششی كمتری هستند. این نوع پلی اتیلن معمولاً با روش پلیمریزاسیون رادیكالی تولید می شود. (پلیمریزاسیون رادیكال آزاد وینیل). البته پلیمریزاسیون زیگلر هم برای تهیه LDPE به كار می رود.
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.

LLDPE پلی اتیلن خطی با دانسیته پایین
این پلی اتیلن، یك پلیمر خطی با تعدادی شاخه های كوتاه است و معمولاً از كوپلیمریزاسیون اتیلن با الكن های بلند زنجیر ایجاد می شود.

پلی اتیلن

UHMWPE پلی اتیلن با وزن مولكولی بسیار بالا
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 از فرآیندپذیری دشوارتری برخوردار بوده ولی خواص آن عالی است. هنگامی که از طریق تشعشع یا استفاده از مواد افزودنی شیمیایی، این پلیمر تماما شبکه‌ای شود، پلی اتیلن یاد شده دیگر گرمانرم نخواهد بود. این ماده با پخت حین قالب گیری یا بعد از آن یک گرماسخت 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 هم چنین صفحات بزرگ آن را می‌توان به جای زمین‌های اسکیت یخی استفاده کرد.
این پلیمر با وزن مولكولی ۳ تا ۶ میلیون، با استفاده از پلیمریزاسیون كاتالیزور متالوسن تهیه می شود.
انواع دیگر پلی اتیلن شامل MDPE ، HDXLPE ، XPE ، VLDPE است.
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.

خواص پلی اتیلن
پلی اتیلن، جامدی موم مانند، كه از نظر شیمیایی بی اثر است. در درجه حرارت معمولی در هیچ حلالی حل نمی شود و فقط به وسیله برخی هیدروكربن ها و تتراكلرید كربن متورم می شود. همچنین در مقابل اسیدها و قلیاها مقاومت خوبی دارد اما اسیدنیتریك غلیظ بر آن اثر می گذارد. پلی اتیلن در مجاورت با نور و اكسیژن به مرور فرسوده می شود. محلول و یا سوسپانسیون های پلی اتیلن در تتراكلریدكربن می توانند در درجه حرارت كلردار شوند و یك محلول نرم و الاستیكی را به وجود آورند.
پلی اتیلن از دو ناحیه بلورین و آمورف تشكیل شده است كه سهم بلورینگی در پلی اتیلن های بدون شاخه بیشتر است. دمای انتقال شیشه ای (Tg) بسیار پایین، دمای ذوب (Tm) نسبتاً بالا و انعطاف پذیری، استفاده از آن را در دامنه وسیعی از دما سبب شده است. خواص فیزیكی پلی اتیلن هایی كه در فشار بالا به دست می آیند كاملاً با آنهایی كه در فشار كم به دست می آیند متفاوت است. شاخه دار كردن باعث می شود كه میزان تبلور، چگالی، نقطه نرم شدن و نقطه ذوب ساختمان بلورین كاهش یابد.
برخی دیگر از خصوصیات پلی اتیلن كه سبب می شوند تا این پلیمر دارای كاربردهای بسیاری باشد عبارتند از:

  • قیمت پایین
  • خواص الكتریكی مطلوب
  • مقاومت شیمیایی بالا
  • شفافیت مناسب در فیلم های نازك
  • عاری بودن از بوی زننده و سمیت
  • قابلیت نفوذ بسیار كم آب در هنگام استفاده در بسته بندی و در كاربردهای كشاورزی و ساختمانی.

از معایب این پلیمر می توان به:

  • قابلیت اكسیداسیون
  • كدر بودن جسم در حالت توده
  • ظاهر شبیه به پارافین
  • مقاومت كم در مقابل خراشیدن اشاره كرد.

كاربردهای پلی اتیلن
این ماده اولین بار در سال ۱۹۳۹ به عنوان عایق الكتریكی مورد استفاده قرار گرفت. انواع گوناگون پلی اتیلن، كاربردهای مختلفی از جمله لوله ها، لفاف های بسته بندی، تولید انواع لوازم پلاستیكی مورد استفاده در آشپزخانه، اجزای سازنده كارخانه های مواد شیمیایی، جعبه ها، اسباب بازی ها، جلیقه های ضد گلوله و عایق های الكتریكی دارند.
پلی اتیلن با چگالی زیاد به خاطر استحكام كششی و سختی بیشتری كه دارد در ساخت لوله ها، تولید ظروف شیر و مایعات، انواع لوازم پلاستیكی آشپزخانه و بسیاری وسایل و ظروف به كار می رود.
LDPE كه سالانه ۶/۳ میلیون تن در ایالات متحده تولید می شود به خاطر انعطاف پذیری و مقاومت زیاد در برابر پارگی و هم چنین مقاومت در برابر رطوبت و مواد شیمیایی، دامنه وسیعی از كاربردها را در برگرفته است. حدود ۵۵ درصد از كل پلی اتیلن با چگالی كم، به شكل فیلم و ورقه تولید می شود و عمدتاً برای مصارف بسته بندی و خانگی (كیسه، پوشش غذا، لباسشویی، خشكشویی و زباله) و همچنین مصارف كشاورزی و ساختمانی (گلخانه، لایه های داخل تانك، رطوبت گیر، محافظ) استفاده می شود. قالب گیری تزریقی اسباب بازی ها و اجناس خانگی ۱۰ تا ۱۵ درصد دیگر از مصرف را شامل می شوند. در حدود ۱۵ درصد یا بیشتر از LDPE تولیدی در عایق سیم و كابل، برای انتقال نیرو و مخابرات و هم چنین به عنوان روكش های مذاب داغ (بر روی كاغذ، ورقه فلزی و دیگر فیلم های پلاستیكی) استفاده می شود. دیگر مصارف LDPE، شامل بطری ها و ظروف ساخته شده از طریق قالب گیری بادی و لوله های آبیاری در كشاورزی است.
LLDPE به دلیل بالا بودن میزان انعطاف پذیری، در تهیه انواع وسایل پلاستیكی انعطاف پذیر مانند لوله هایی با قابلیت خم شدن كاربرد دارد. MDPE در تولید لوله های پلاستیكی و اتصالات لوله كشی استفاده می شود. UHMWPE برای ساختن فیبرهای بسیار قوی كه جایگزین كولار ، برای استفاده در جلیقه های ضد گلوله به كار می رود. ورقه های بزرگ این پلیمر، به جای یخ برای زمین های یخی اسكیت استفاده می شود.

نمایه مذاب یا شاخص جریان مذاب Melt Flow Index) MFI)
کاربردی‌ترین نشانهٔ ارتباط دهندهٔ ویژگی‌های پلی اتیلن به متوسط وزن مولکولی است. نمایهٔ مذاب وزن (گرم) پلی اتیلنی است که در عرض ده دقیقه از میان یک روزنهٔ ثابت در دمای ۱۹۰ درجه سانتیگراد بیرون می‌آید، و این در حالی است که وزنهٔ استانداردی بر روی پیستون محفظهٔ رانش که حاوی سه گرم پلی اتیلن است، قرار دارد. نمایهٔ مذاب تا حدودی (اما نه دقیق ) نسبت معکوس با گرانروی مذاب دارد. بنابر این با افزایش وزن مولکولی متوسط، کاهش می‌یابد. نمایهٔ مذاب بیشتر، 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. به طور کلی با افزایش نمایهٔ مذاب، استحکام کششی، مقاومت پارگی، دمای نرم شدن و چقرمگی پلی اتیلن کم می شود.

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

 

بازگشت به صفحه دانستنی های علمی