مروری بر پلی اتیلن

[Borna66]

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.

[Borna66]

● 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.

[Borna66]

● 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 ۳۰۰۰-۱۰۰۰ و دماهای 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 گردد 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 ۳- gr cm ۹۴۵/۰-۹۱۵/۰ 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- grcm۹۴۵/۰ می باشد. 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 CrO۳ %۵ در سیلیس/ آلومینا بسیار ریز در فشار atm۳۵-۱۵ و دمای استفاده می شود. دانسیته محصول ۳- grcm۹۶/۰ می باشد.

▪ فرآیند نفت استاندارد (ایندیانا)

در این فرآیند نیز همانند فرآیند فیلیپس كه پلی اتیلن با دانسیته بالا (۳- grcm۹۶/۰) تولید می شود از MnO۳ تثبیت شده روی فلز یا هیدرید كلسیم و سدیم در فشار atm۸۰-۴۰ و دمای استفاده می گردد.

[Borna66]

● 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.

ـ 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.

این عکس کوچک شده است برای مشاهده ی سایز اصلی کلیک کنید
شكل ۱-۱ : مولكول پلی اتیلن با دانسیته بالا یا HDPE

ـ 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 ]۵[.
ـ UHMWPE (پلی اتیلن با وزن مولكولی بسیار بالا)

این عکس کوچک شده است برای مشاهده ی سایز اصلی کلیک کنید
شكل ۱-۲ : مولكلول پلی اتیلن با دانسیته پایین یا LDPE

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 می باشد.

[Borna66]

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 در حدود ، دمای ذوب (Tm) نسبتاً بالا در حدود 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 :

۱) قیمت پایین
۲) خواص الكتریكی مطلوب
۳) مقاومت شیمیایی بالا
۴) شفافیت مناسب در فیلم های نازك
۵) عاری بودن از بوی زننده و سمیت
۶) قابلیت نفوذ بسیار كم آب در هنگام استفاده در بسته بندی و در كاربردهای كشاورزی و ساختمانی.
از معایب این پلیمر می توان به
۱) قابلیت اكسیداسیون
۲) كدر بودن جسم در حالت توده
۳) ظاهر شبیه به پارافین
۴) مقاومت كم در مقابل خراشیدن اشاره كرد.

[Borna66]

● 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 همچنین 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 گردد. 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 همچنین 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 می باشد.
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.