پلی اتیلن

 پلی اتیلن

پلی‌اتیلن‌ها خانواده‌ای از گرمانرم‌ها می‌باشند که از طریق پلیمریزاسیون گاز اتیلن ( C۲H۴ ) 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 می‌باشند 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 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.

    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 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 فرآیند 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 فرآیند پذیری 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 گرما نرم نخواهد بود. این ماده با پخت حین قالب گیری 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 PE

 

 

پلی اتیلن PE (Polyethylene)

 

ساختار:
 

 

 
نام های دیگر: پلی اتن، لوپولن، هولستان (Hostalen)، مارلکس (Marlex)، ملتی لن (Multilene)، آرلتون (Alaton)، نوواکس (Novex).
 
مونومر: اتیلن
 
حلال: تولوئن (Toluene)، زایلن (Xylene)، سیکلو هگزان (Cyclohexene)
 
دانسیته: 0.910 تا 0.965 g/cm3

جدول اطلاعات دمایی و دانسیته پلی اتیلن:
جدول دمایی و چگالی و درصد کریستالی انواع پلی اتیلن

Crystallinity percent

(درصد کریستالی)
    

Density

(دانسیته)
    

Tm

(دمای ذوب)
    

Tg

(دمای انتقال شیشه ای)
    نوع پلی اتیلن
45 تا 90 %     

 0.941 تا  0.965

g/cm3
    

135 تا 145

درجه سانتی گراد
    

125- تا 80-

درجه سانتی گراد
    HDPE
33 تا 53 %     

0.912 تا 0.930

g/cm3
    

107 تا 125

درجه سانتی گراد
    

95- تا 130-

درجه سانتی گراد
    LDPE
33 تا 53 %     

0.910 تا 0.935

g/cm3
    

105 تا 115

درجه سانتی گراد
    

103- تا 137-

درجه سانتی گراد
    LLDPE

کد بازیافت (Recycle Code):
 
 

 

 

 ویژگی های اشتعال (روش شناسایی آسان):

 

        در شعله می سوزد و بعد از حذف شعله همچنان به سوختن ادامه می دهد.
        شعله زرد متمایل به نارنجی با پایه آبی دارد.
        تقریبأ بدون دود می سوزد.
        به راحتی در شعله چکه می کند.
        بوی سوختن آن شبیه شمع در حال سوختن (پارافین) است.

 
چگونگی تولید: پلی اتیلن (PE) با پلیمریزاسیون گاز اتیلن، تحت فشار و دمای بالا و در حضور کاتالیست تولید می شود. در طول واکنش مولکول های اتیلن به صورت زنجیره هایی به طول 50 تا 50000 واحد (مونومر) تبدیل می شوند و گاز اتیلن به یک ماده جامد سفید رنگ تغییر حالت می دهد.
 

 

 
پر کاربرد ترین کاتالیزور برای تولید پلی اتیلن زیگلر ناتا (Zigler Natta) می باشد که ترکیبی از آلکیلهای آلومینیوم و هالیدهای تیتان است.

 

مهم‌ترین ویژگی‌های ذاتی پلی اتیلن‌های تجاری برای کاربردهای اصلی عبارت‌اند از:
۱) چگالی ۲) MFI یا نمایهٔ مذاب ۳) توزیع وزن مولکولی

چگالی
همان طور که قبلاً اشاره شد چگالی انواع پلی اتیلن‌ها در محدودهٔ 0.91 تا 0.965 دارد و علت اینکه آن را تا سه رقم اعشار ذکر می‌کنند این است که 0.003 تغییر در چگالی باعث تغییر قابل توجه‌ای در ویژگی‌ها می‌شود. به طور 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 اصلی به نام های پلی اتیلن با چگالی زیاد (HDPE) ، پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE)، پلی اتیلن با چگالی کم خطی (LLDPE) و پلی اتیلن با چگالی متوسط (MDPE) تقسیم می‌شوند.

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 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.

 

انواع پلی اتیلن:

ضمن انجام واکنش پلیمریزاسیون، تعدادی شاخه جانبی نیز در طول زنجیره اصلی ایجاد می شود که تفاوت تعداد و طول این زنجیره های جانبی باعث و به وجود آمدن چند نوع پلی اتیلن می شود که در زیر به آنها اشاره می کنیم.
 
 

HDPE (High Density Polyethylene)
پلی اتیلن باتراکم بالا (پلی اتیلن سنگین یا پلی اتیلن نرم):
 
هرگاه در طی فرآیند پلیمریزاسیون پلی اتیلن تعداد زنجیره های جانبی کم و طول آنها کوتاه باشد (بین 2 تا 4 اتم) امکان نزدیک شدن زنجیره های اصلی به یکدیگر و تشکیل ساختار بلوری (با سرد شدن
مذاب پلی اتیلن) به وجود می آید که به این نوع پلی اتیلن، HDPE می گویند؛ بلورینگی این پلیمر 80 تا 95 درصد است و چگالی این محصول بالای 0/941 گرم بر سانتی متر مکعب می باشد.
این محصول در سال 1939 به صورت تجاری به بازار عرضه شد، این پلیمر در درجه حرارت 180 تا 200 درجه سانتی گراد و در فشاری بین 1000 تا 2000 اتمسفر تولید می شود.
این پلیمر در درجه حرارت 110 درجه سانتی گراد ذوب می شود.

 
مزایا: از مهم ترین ویژگی های HDPE که سبب کاربرد وسیع آن شده است می توان به هزینه پائین تولید، فرآیند پذیری آسان و نفوذ ناپذیری خوب در برابر رطوبت اشاره کرد.

معایب: نفوذ پذیری بالا در برابر اکسیژن، هیدروژن، بو، عطر ها، نرمی و نقطه نرمی پائین.

دیگر خواص: اشیاء ساخته شده از این پلیمر دارای خواص عمومی خوب، حالت نرمش زیاد، سطح خارجی سخت، مقاومت الکتریکی خوب و بدون بو و مزه و دارای خواص شیمیایی مقاوم در برابر اسید ها، باز ها، الکل ها و مقاومت کم در مقابل اتر، کتون، استر، روغن، چربی می باشند.

کاربرد ها: ظروف خانگی، اسباب بازی، لوازم پزشکی، فیلم ها و ظروف بستی بندی، بطری های قالب گیری شده دمشی، انواع قالب گیری تزریقی.
 

 

 

 

LDPE (Low Density Polyethylene)
پلی اتیلن با تراکم پایین (پلی اتیلن سبک یا پلی اتیلن سخت):
 
هرگاه در طی فرآیند پلیمریزاسیون پلی اتیلن تعداد زنجیره های جانبی زیاد و طول آنها متوسط و بلند باشد، امکان نزدیک شدن زنجیره های اصلی به یکدیگر کاهش می یابد و بی نظمی آنها (با سرد شدن مذاب پلی اتیلن) افزایش می یابد که به این نوع پلی اتیلن، LDPE می گویند؛ بلورینگی این پلیمر 50 تا 70 درصد است و چگالی این محصول بین 0/91 تا 0/925 گرم بر سانتی متر مکعب می باشد.
این محصول در سال 1955 به صورت تجاری به بازار عرضه شد، این پلیمر در درجه حرارت 50 تا 80 درجه سانتی گراد و در فشاری بین 1 تا 4  اتمسفر تولید می شود. چون این پلیمر در فشار و درجه حرارت پایین تهیه می گردد با صرفه تر بوده و هزینه تولید کمتری دارد.
این پلیمر در درجه حرارت 130 درجه سانتی گراد ذوب می شود.
 
مزایا: همانند HDPE دارای هزینه تولید اندک، فرآیند پذیری آسان و نفوذ ناپذیری خوب در برابر رطوبت است. سیل پذیری حرارتی LDPE و LLDPE در دمای بین 106 تا 112 درجه سانتی گراد است که این دما، پائین ترین دمای نرمی پلیمرهای بسته بندی معمول می باشد.

معایب: نفوذ ناپذیری کم در برابر گازها، نرمی، نقطه نرمی پائین و جریان سرد نسبتاً بالا، مقاومت خراش پائین، نفوذ بو بالا، جذب گرد و غبار (استاتیک) و مقاومت کم در برابر روغن.

دیگر خواص: شفافیت، تغییر طول زیاد و نرمی.

کاربرد ها: حدود نیمی از LDPE و LLDPE مصرفی در بسته بندی به صورت انواع فیلم که به دو روش دمشی و اکستروژن تولید می شوند، مصرف می شود. ساخت انواع ظروف خانگی و بهداشتی مثل: سطل، زنبیل، جعبه های حمل و نقل، انواع اسباب بازی و انواع لوازم پزشکی و صنعتی.

از دیگر کاربرد های LDPE می توان به انواع قالب گیری های تزریقی و دمشی برای تولید قطعات و ظروفی که نیاز به نرمی و انعطاف پذیری بالا دارند و همچنین مواردی که ظرف تحت فشار است نام برد.
 

 

 

LLDPE (Linear Low Density Polyethylene)
پلی اتیلن نیمه متراکم (پلی اتیلن سبک خطی):
 
هرگاه در طی فرآیند پلیمریزاسیون پلی اتیلن تعداد زنجیره های جانبی زیاد و طول آنها کوتاه باشد، پلیمر حاصل شده خواصی بین HDPE و LDPE (خواص به LDPE نزدیک تر است) را دارا می باشد که به آن LLDPE می گویند؛ بلورینگی این پلیمر 50 تا 70 درصد است و چگالی این محصول تقریباً در محدوده چگالی LDPE  (یعنی 0/91 تا 0/93) می باشد.
 
تفاوت LDPE و LLDPE: خواص خانواده LDPE مانند استحکام پارگی، مقاومت ضربه، کشش و انعطاف پذیری با افزایش چگالی کاهش می یابد. (هرگاه تعداد و طول زنجیره های جانبی کاهش پیدا کند این امر سبب نزدیک شدن زنجیره های اصلی به هم و کاهش بی نظمی و افزایش بلورینگی و در نتیجه افزایش چگالی می شود).
به عنوان مثال بین سختی و چگالی رابطه مستقیم وجود دارد یعنی با افزایش چگالی، سختی نیز افزایش می یابد، همچنین مقاومت پائین LDPE در برابر روغن با افزایش چگالی بهبود می یابد. فیلم پلی اتیلن به تنهایی نمی تواند خلاء را نگه دارد زیرا مقاومت آن در برابر نفوذ گازها کم است و این مشکل نیز در LLDPE با نزدیک شدن زنجیره های اصلی به هم کمتر دیده می شود. محدودیت های دیگر LDPE نظیر مقاومت خراش پائین، نفوذ بو بالا، جذب گرد و غبار (استاتیک) و مقاومت  کم در برابر روغن ها نیز در LLDPE کمی بهبود می یابد.
 
کاربرد ها: از مهم ترین کاربرد های LLDPE فیلم های استرچ است که برا ی نگهداری بارها در حمل و نقل استفاده می شود. (اتیلن وینیل استات EVA نیز یکی دیگر از مواد لفاف پیچی پر مصرف است). همچنین فیلم های شرینک نیز برای لفاف پیچی کلی محصولات و یا نگهداری چند واحد با یکدیگر برای حمل و نقل استفاده می شوند.

 

 

 
 

MDPE (Medium Density Polyethylene)

پلی اتیلن با دانسیته متوسط:
MDPE در تولید لوله های پلاستیكی و اتصالات لوله كشی استفاده می شود.

 
 

HMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene)
پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا:
 
این پلیمر با وزن مولكولی ۳ تا ۶ میلیون، با استفاده از پلیمریزاسیون كاتالیزور متالوسن تهیه می شود.
UHMWPE برای ساخت فیبرهای (الیاف) بسیار قوی برای جایگزینی كولار، برای استفاده در جلیقه های ضد گلوله به كار می رود همچنین ورقه های بزرگ این پلیمر، به جای یخ برای زمین های یخی اسكیت و هاکی روی یخ استفاده می شود.

انواع دیگر پلی اتیلن شامل HDXLPE ،XPE ،VLDPE می شوند.
 
معایب و مزایای پلی اتیلن ها به طور کلی:

مزایا:
۱) قیمت پایین
۲) خواص الكتریكی مطلوب
۳) مقاومت شیمیایی بالا
۴) شفافیت مناسب در فیلم های نازك
۵) بدون بوی زننده و سمیت
۶) نفوذ ناپذیری خوب در برابر آب در هنگام استفاده در بسته بندی و در كاربردهای كشاورزی و ساختمانی

معایب:
۱) مورد اکسیداسیون قرار می گیرد
۲) در حالت توده، کدر می شود
۳) ظاهر شبیه به پارافین دارد
۴) مقاومت كم در مقابل خراشیدن