پلی اتیلن چیست؟ - بخش اول

پلی اتیلن چیست؟ خواص، انواع و کاربردها - بخش اول

پلی‌ اتیلن (PE) یک پلیمر ترموپلاستیک است که به عنوان یکی از اساسی‌ترین و پرکاربردترین مواد در چشم‌ انداز تولید جهانی شناخته می‌شود. ماده‌ پلی ‌اتیلن همه‌ کاره به عنوان یکی از اجزای اصلی خانواده‌ پلاستیک‌های پلی ‌اتیلن، در بخش‌های بی ‌شماری، از بسته‌ بندی‌های صنعتی پیشرفته گرفته تا زیرساخت‌های حیاتی، ضروری است. سازگاری آن ناشی از ترکیبی منحصر به فرد خواص مواد پلی‌ اتیلن ازجمله مقاومت شیمیایی استثنایی، دوام و انعطاف‌ پذیری در پردازش است. باتوجه به اینکه بیش از یک سوم کل تولید پلاستیک جهان را تشکیل می‌دهد، اهمیت اقتصادی و صنعتی آن غیرقابل انکار است.

تاجران بین‌ المللی، تامین‌ کنندگان و خریداران صنعتی بایستی درک عمیقی از خواص پلی ‌اتیلن به منظور تهیه مواد مناسب برای کاربردهای خاص داشته باشند. بررسی پیچیدگی‌های وزن مولکولی، چگالی و شاخص جریان مذاب برای تضمین عملکرد، کیفیت و مقرون ‌به ‌صرفه بودن آن نیز بسیار مهم است. این مبحث مروری معتبر بر ساختار پلی‌ اتیلن، طبقه‌ بندی‌های اولیه آن، فرآیندهای تولید و کاربردهای صنعتی کلیدی پلی ‌اتیلن ارائه داده و اطلاعات حیاتی مورد نیاز برای تصمیم‌ گیری‌های آگاهانه در زمینه خرید در یک بازار جهانی رقابتی را نیز بیان می‌کند.

شناخت پلی اتیلن: ترکیب شیمیایی و ساختار

در اصل، ماده پلی اتیلن چیست؟ پلی اتیلن یک پلیمر مصنوعی است که ازطریق پلیمریزاسیون واحد سازنده اصلی آن، مونومر پلی اتیلن اتیلن (C₂H₄)، یک هیدروکربن گازی مشتق شده از گاز طبیعی یا نفت، ایجاد می‌شود. طی فرآیندی که به عنوان پلیمریزاسیون افزایشی شناخته می‌شود، پیوند دوگانه در هر مونومر اتیلن شکسته شوند. سپس به آنها اجازه می‌دهد تا به یکدیگر متصل شوند و زنجیره‌های هیدروکربنی طولانی، اشباع شده و بسیار پایدار با قوام قابل توجه تشکیل دهند. فرمول اساسی پلی ‌اتیلن به صورت n(-CH₂-CH₂-) نشان داده می‌شود که نشان‌ دهنده واحدهای تکراری اتیلن آن است. این ساختار شیمیایی ساده و خطی پلی‌ اتیلن، پایه و اساس خواص متنوع آن است. n در این فرمول نشان‌ دهنده درجه پلیمریزاسیون (تعداد واحدهای مونومر در زنجیره پلیمری) است که می‌تواند از صدها تا هزاران واحد باشد و مستقیم بر وزن مولکولی ماده تأثیر می‌گذارد.

ویژگی‌های ساختاری کلیدی که گرید خاصی از پلی ‌اتیلن را تعریف می‌کنند عبارتند از:

1. وزن مولکولی (MW): وزن مولکولی برابر میانگین طول زنجیره‌های پلیمری است. وزن مولکولی بالاتر منجر به افزایش چقرمگی، استحکام ضربه و مقاومت در برابر ترک‌ خوردگی ناشی از تنش محیطی (ESCR ) می‌شود اما می‌تواند فرآیند پذیری ماده را نیز دشوارتر کند.

2. توزیع وزن مولکولی (MWD): توزیع وزن مولکولی همان محدوده طول زنجیرها در یک رزین مشخص است. MWD باریک (که در آن زنجیرها طول مشابهی دارند) اغلب شفافیت بهتر و تاب برداشتن کمتری را به همراه دارد درحالی که MWD پهن می‌تواند فرآیندپذیری و مقاومت در برابر ترک خوردگی ناشی از تنش را بهبود بخشد.

3. شاخه ‌بندی زنجیره:  میزان شاخه ‌بندی زنجیره‌های پلیمری کوتاه‌تر از ستون فقرات اصلی است. سطح شاخه‌ بندی عامل اصلی تعیین‌ کننده چگالی و بلورینگی ماده است. به عنوان یک ترموپلاستیک، پلی اتیلن می‌تواند پس از خنک شدن ذوب و اصلاح شده و به راحتی ازطریق روش‌هایی مانند اکستروژن، قالب‌ گیری تزریقی و قالب‌ گیری بادی به طیف وسیعی از محصولات پلی‌ اتیلن تبدیل شود.

خواص پلی اتیلن: مشخصات فیزیکی و شیمیایی

عملکرد هر محصول ساخته شده از پلی‌ اتیلن توسط خواص ذاتی آن تعیین می‌شود که بین گریدهای مختلف تفاوت قابل توجهی دارد.

الف. خواص فیزیکی پلی اتیلن

1. چگالی و بلورینگی: چگالی عامل اصلی تعیین‌ کننده عملکرد یک گرید است و مستقیم با میزان بلورینگی آن مرتبط است. زنجیره‌های پلیمری خطی‌تر (شاخه‌دار کمتر) می‌توانند محکم‌تر به هم بچسبند و منجر به بلورینگی بالاتر و درنتیجه، چگالی بالاتر شوند. به عنوان مثال، پلی اتیلن سنگین (HDPE) دارای زنجیره‌های با شاخه‌های زیاد، فضای بیشتری بین خود ایجاد کرده و درنتیجه، بلورینگی کمتر و چگالی پایین‌تری ایجاد می‌کند. یا چگالی بالاتر پلی اتیلن سبک (LDPE) با استحکام، سفتی، سختی و مقاومت حرارتی بیشتر مرتبط است. چگالی از تقریبا 0.910 گرم بر سانتی‌متر مکعب برای پلی اتیلن سبک تا 0.965 گرم بر سانتی‌متر مکعب برای پلی اتیلن سنگین متغیر است.

2. نقطه ذوب: دمای ذوب پلی‌ اتیلن توسط ساختار بلوری آن تعیین می‌شود و از ۱۰۵ درجه سانتیگراد تا ۱۳۵ درجه سانتیگراد متغیر است. انواع بلوری‌تر پلی اتیلن مانند پلی اتیلن سنگین نقطه ذوب بالاتر و مشخص‌تری دارند درحالی که پلی اتیلن سبک محدوده ذوب پایین‌تر و وسیع‌تری دارد.

3. استحکام کششی و مدول: پلی اتیلن سنگین استحکام کششی عالی و مدول خمشی بالایی از خود نشان می‌دهد که آن را برای کاربردهایی که نیاز به یکپارچگی ساختاری دارند مانند لوله‌های فشار و ظروف صنعتی، مناسب می‌سازد.

4. انعطاف‌ پذیری و چقرمگی: پلی ‌اتیلن سبک و سبک خطی (LLDPE) به دلیل انعطاف‌ پذیری بالا و مقاومت ضربه‌ای استثنایی حتی در دماهای پایین اثبات شده‌اند و این ویژگی آنها را برای کاربردهای فیلم و بسته ‌بندی که در آنها دوام بسیار مهم است، ایده‌آل می‌کند.

5. خواص نوری: ساختار پلی‌ اتیلن بر شفافیت آن تأثیر می‌گذارد. ساختارهای کریستالی کوچک‌تر و بی‌ نظم‌تر در پلی اتیلن سبک و پلی اتیلن سبک خطی به نور اجازه عبور داده و شفافیت خوبی را برای کاربردهای فیلم ارائه می‌دهند. برعکس، ساختارهای کریستالی بزرگ‌تر و سازمان‌ یافته‌تر در پلی اتیلن سنگین نور را پراکنده کرده و این ماده را به طور طبیعی مات می‌کنند.

ب. خواص شیمیایی پلی اتیلن

1. مقاومت شیمیایی: یکی از ارزشمندترین خواص پلی ‌اتیلن مقاومت استثنایی آن در برابر طیف وسیعی از مواد شیمیایی است. این ماده در برابر آب، اکثر اسیدها، بازها، الکل‌ها و استرها بسیار مقاوم است. این امر آن را به ماده‌ای انتخاب اول برای مخازن ذخیره ‌سازی مواد شیمیایی، ظروف آزمایشگاهی و ظروف حمل و نقل تبدیل می‌کند. با این حال، می‌تواند توسط عوامل اکسید کننده قوی و برخی هیدروکربن‌های کلردار یا آروماتیک مورد حمله قرار گیرد.

2. مقاومت در برابر ترک‌ خوردگی (ESCR): ESCR ناشی از تنش‌های محیطی توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر شکست هنگام قرار گرفتن درمعرض ترکیبی از تنش مکانیکی و یک عامل شیمیایی مهاجم (مانند صابون یا مواد شوینده) است. این یک ویژگی حیاتی برای محصولاتی مانند بطری‌های مواد شوینده، لوله‌ها و مخازن سوخت است. پلی اتیلن سنگین، به ویژه آنهایی که توزیع وزن مولکولی وسیعی دارند، ESCR عالی ارائه می‌دهند.

3. مقاومت در برابر رطوبت: مواد پلاستیکی پلی اتیلن جذب آب بسیار کمی دارند و مانع رطوبت بسیار خوبی برای بسته ‌بندی مواد غذایی، ظروف دارویی و کاربردهای ساختمانی فراهم می‌کنند.

4. عایق الکتریکی: پلی اتیلن یک عایق الکتریکی برجسته با مقاومت دی الکتریک بالا و ثابت دی الکتریک پایین است که منجر به استفاده گسترده آن برای عایق بندی اولیه سیم‌ها و کابل‌ها در صنعت برق و مخابرات می شود.

گریدهای پلی اتیلن و طبقه بندی آنها

گریدهای پلی‌ اتیلن براساس چگالی، شاخه‌دار بودن و بلورینگی طبقه‌ بندی می‌شوند و ویژگی‌های بی‌نظیری را برای کاربردهای مختلف ارائه می‌دهند. از گریدهای پلی اتیلن باید به این موارد اشاره کرد:

1. پلی ‌اتیلن سبک (LDPE): به دلیل ساختار مولکولی خاص و انعطاف پذیری بالا در تولید کیسه‌های پلاستیکی استفاده می‌شود.

2. پلی اتیلن سنگین (HDPE): به دلیل استحکام بالا، سفتی و نفوذپذیری کم در ساخت بطری‌های شیر، بطری‌های مواد شوینده کاربرد دارد.

3. پلی اتیلن سبک خطی (LLDPE): از آنجا که استحکام کششی بالایی دارد در ساخت بطری و اسباب بازی نقش مهمی ایفا می‌کند.

4. پلی ‌اتیلن با وزن مولکولی فوق ‌العاده بالا (UHMWPE): به دلیل مقاومت سایشی، اصطکاک کم و دوام در ساخت ایمپلنت‌های پزشکی، قطعات نوار نقاله، زره محافظ نقش دارد.

5. پلی ‌اتیلن با چگالی متوسط (MDPE): به دلیل مقاومت در برابر ضربه و حساسیت کمتر به بریدگی در تولید فیلم‌های بسته بندی و کیسه‌های حمل استفاده می‌شود.

6. پلی اتیلن شبکه‌ای (PEX یا XLPE): به دلیل دوام و مقاوم در برابر حرارت در لوله کشی، گرمایش تابشی استفاده می‌شود.

7. پلی ‌اتیلن سنگین شبکه‌ای (HDXLPE): به دلیل مقاومت حرارتی بالا و مقاومت در برابر مواد شیمیایی، جایگزین مناسبی برای لوله کشی در سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی است.

8. پلی‌ اتیلن با وزن مولکولی بالا (HMWPE): دارای بلورینگی بالا و مقاومت به ضربه عالی است. با این حال، در ساخت نوار نقاله و چرخ دنده کاربرد دارد.

9. پلی‌ اتیلن با وزن مولکولی بسیار کم (ULMWPE یا PE-WAX): این ماده بی رنگ و بی بو به دلیل داشتن ساختار شیمیایی پایدار، روان کنندگی بالا و مقاومت حرارتی بسیار بالا در ساخت مستربچ، منسوجات، ساخت جوهر و حتی لوازم آرایشی کاربرد دارد.

10. پلی‌ اتیلن متالوسن (mPE): دارای خواص مکانیکی ارتقایافته‌ای است که برای تولید فیلم‌های گلخانه‌ای، بسته بندی صنعتی و کشاورزی مناسب است.

11. پلی ‌اتیلن بسیار سبک (VLDPE): نوعی پلی اتیلن با شفافیت، نرمی و چقرمگی بالا است که در ساخت تجهیزات پزشکی و بسته بندی مواد غذایی همچون گوشت استفاده می‌شود.

12. پلی ‌اتیلن کلردار (CPE): مقاوم در برابر آب و هوا و انعطاف پذیر است. به دلیل دوام بیشتر در ساخت مصالح سقف و پوشش کابل استفاده می‌شود.