پلی اتیلن و کاربردهای آن - بخش اول

پلی اتیلن چیست؟ و کاربردهای آن - بخش اول

پلی ‌اتیلن (PE) پلیمری است که از پلیمریزاسیون مونومر اتیلن به دست می‌آید. پلی ‌اتیلن که اولین بار در دهه ۱۹۳۰ تجاری ‌سازی شد، اکنون در اشکال مهندسی ‌شده متعددی موجود است که خواص آنها توسط وزن مولکولی، معماری زنجیره (شاخه ‌بندی) و فرآیند (ازجمله اتصال عرضی) تعریف می‌شود. ترکیبی از بی ‌اثر بودن شیمیایی، فرآیندپذیری، هزینه پایین و طیف وسیعی از رفتارهای مکانیکی، از فیلم‌های انعطاف ‌پذیر گرفته تا جامدات فوق‌ العاده سخت، در پلی‌ اتیلن حضور گسترده آن در بخش‌های بسته ‌بندی، ساخت ‌و ساز، حمل ‌و نقل، مصرف‌ کننده، پزشکی و صنعتی را توضیح می‌دهد.

 

پلی اتیلن چیست؟

پلی‌ اتیلن (PE) از ترموپلاستیک‌های نیمه‌ بلوری است که با پلیمریزاسیون اتیلن (CH₂=CH₂) تولید می‌شود. این ماده به دلیل ترکیبی از ویژگی‌های منحصر به فرد همچون کم ‌هزینه، بی ‌اثر بودن شیمیایی، پنجره پردازش وسیع و طیف قابل تنظیمی از رفتارهای مکانیکی، از فیلم‌های نرم و انعطاف ‌پذیر گرفته تا جامدات بسیار سخت و مقاوم سایشی، به عنوان پرکاربردترین پلاستیک جهان شناخته می‌شود. از ویژگی‌های کلیدی پلی اتیلن می‌توان به این موارد اشاره کرد:

1. مقاومت شیمیایی: پلی اتیلن از مقاومت خوبی در برابر مواد شیمیایی مانند اکثر اسیدها، قلیاها، حلال‌ها و سوخت‌ها برخوردار است.

2. مقاومت مکانیکی: پلی اتیلن سبک (LDPE) نرم و انعطاف‌ پذیر است اما پلی اتیلن سنگین (HDPE) ساختار سفت و سختی دارد. در پلی اتیلن با چگالی فوق العاده (UHMWPE) نیز استحکام بالا با چقرمگی ضربه استثنایی ترکیب می‌شود.

3. مقاومت حرارتی: نقطه ذوب پلی اتیلن معمولا بسته به گرید حدود ۱۰۵ تا ۱۳۵ درجه سانتیگراد است؛ دمای کارکرد درمقایسه با پلاستیک‌های مهندسی معمولاً محدود است.

4. رطوبت: پلی اتیلن اساسا در برابر رطوبت بسیار مقاوم و غیرجاذب (جذب آب ناچیز) است.

5. مقاومت سایشی: UHMWPE مقاومت فوق‌ العاده‌ای در برابر اصطکاک و سایش دارد.

 

گریدهای تجاری پلی‌ اتیلن و تفاوت آنها

پلی اتیلن معمولا به صورت زیر طبقه‌ بندی می‌شود:

1. پلی اتیلن سبک (LDPE): LDPE دارای چگالی تقریبا 0.910–0.925 گرم بر سانتی‌متر مکعب؛ انعطاف پذیر، شفافیت خوب (فیلم‌ها) و استحکام کششی کم است. از LDPE رایج برای ساخت بطری‌های فشرده، فیلم‌ها و روکش کابل استفاده می‌شود.

2. پلی اتیلن سبک خطی (LLDPE): چگالی LLDPE با چگالی LDPE مشابه است؛ استحکام کششی و مقاومت سایشی بالا در فیلم‌ها به دلیل شاخه‌دار بودن زنجیره کوتاه. از LLDPE به طور گسترده در فیلم کششی و ساختارهای کو-اکسترود شده استفاده می‌شود.

3. پلی اتیلن با چگالی متوسط (MDPE): MDPE دارای چگالی ~0.926-0.940 گرم بر سانتی‌متر مکعب است و در تولید لوله‌های گاز و برخی از قالب گیری‌های بادی کاربرد دارد.

4. پلی اتیلن سنگین (HDPE): HDPE دارای چگالی ~0.940-0.970 گرم بر سانتی‌متر مکعب است؛ همچنین سخت د دارای مقاومت شیمیایی خوب است و برای ساخت لوله، ظروف، قطعات قالب گیری چرخشی نقش دارد.

5. پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا (UHMWPE): UHMWPE با جرم مولکولی معمولا >3×10⁶ گرم بر مول دارای مقاومت سایشی فوق‌ العاده و اصطکاک بسیار کم است. از آن برای آسترها، یاتاقان‌ها، کاربردهای لغزشی و برخی ایمپلنت‌های پزشکی استفاده می‌شود.

6. پلی اتیلن کراس لینک شده (XLPE): XLPE پلی اتیلنی است که به صورت شیمیایی یا تابشی کراس لینک شده تا مقاومت حرارتی، خزشی و شیمیایی آن بهبود یابد. XLPE در لوله کشی و عایق کابل در دمای بالا کاربرد دارد.

7. پلی ‌اتیلن کاتالیز شده با متالوسن (mPE/mLLDPE): این نوع پلی اتیلن با توزیع وزن مولکولی فشرده‌تر و کنترل خواص مکانیکی بهبود یافته، امکان تولید فیلم‌های با وضوح بالا و رفتار مکانیکی متناسب را فراهم می‌کند.

هر گرید با تنظیم جرم مولکولی، محتوای کومونومر و کاتالیزورها ازنظر فرآیندپذیری و عملکردی بهینه می‌شود.

 

خواص فیزیکی و مکانیکی پلی اتیلن

از خواص و محدوده‌های معمول در گریدهای رایج پلی اتیلن از جمله پلی اتیلن سنگین (HDPE)، پلی اتیلن سبک (LDPE)، پلی اتیلن سبک خطی (LLDPE)، پلی اتیلن با چگالی فوق العاده بالا (UHMWPE) می‌توان به چگالی (گرم بر سانتی‌متر مکعب)، استحکام کششی (مگاپاسکال)، ازدیاد طول در نقطه پارگی (برحسب درصد)، مدول یانگ، نقطه ذوب و مقاومت سایشی اشاره کرد.

 

روش‌های پردازش و ملاحظات تولید

در واقع، پلی‌ اتیلن تقریبا با هر تکنیک ترموپلاستیکی فرآوری می‌شود:

1. اکستروژن: لوله، ورق، فیلم، پروفیل HDPE و UHMWPE در لوله‌ها و آسترها به صورت اکسترود شده یا با فشار ضربه‌ای اکسترود می‌شوند.

2. قالب‌ گیری بادی: در ساخت بطری‌ها و ظروف LDPE و HDPE کاربرد دارد.

3. قالب ‌گیری تزریقی: در ساخت اتصالات، محفظه‌ها و قطعات از LDPE و HDPE استفاده می‌شود.

4. چرخشی (قالب‌ گیری چرخشی): در تولید قطعات توخالی بزرگ (مخازن، کایاک)

5. ریخته ‌گری فیلم/فیلم دمشی: در تولید فیلم‌های بسته ‌بندی از گریدهای LDPE و LLDPE کاربرد دارد.

6. پخت فشاری/اکستروژن ضربه‌ای/قالب‌ گیری فشاری: UHMWPE اغلب به دلیل وزن مولکولی (MW) بسیار بالا (بدون جریان مذاب مرسوم) به این روش فرآوری می‌شود.

7. روش‌های اتصال عرضی-شیمیایی (پراکسیدها)، پیوند سیلان یا پرتو الکترونی/تابش گاما: برای تولید XLPE در دمای بالاتر یا مقاومت خزش بهبود یافته استفاده می‌شود.

 

کاربردهای کلیدی پلی اتیلن براساس گرید

1. پلی اتیلن سبک/سبک خطی: LDPE و LLDPE در ساخت فیلم انعطاف ‌پذیر، کیسه‌های خرید، آسترها، بسته ‌بندی فیلم، روکش کابل، فیلم‌های کشاورزی کاربرد دارند.

2. پلی اتیلن سنگین: از HDPE در لوله کشی توزیع آب و گاز، ظروف قالب گیری دمشی (بطری‌های شیر)، ژئوممبران، مخازن قالب گیری چرخشی، اجزای سازه‌ای استفاده می‌شود.

3. پلی اتیلن با چگالی متوسط: از MDPE در لوله توزیع گاز و ژئوممبران استفاده می‌شود.

4. UHMWPE: از UHMWPE در تولید نوارهای سایش، ناودان‌ها و آسترها، یاتاقان‌های کشویی، راهنماهای زنجیر، ایمپلنت‌های ارتوپدی (لگن و زانو) و الیاف بالستیک استفاده می‌شود.

5. XLPE: XLPE در ساخت لوله‌های با دمای بالا (آب گرم/صنعتی) و عایق کابل نقش دارد.

 

چالش‌های عملکرد و حالت‌های شکست پلی اتیلن

اگرچه پلی اتیلن ازنظر شیمیایی مقاوم است اما چندین مکانیسم شکست شناخته شده دارد که باید در برابر آنها طراحی شود:

 

1. ترک خوردگی ناشی از تنش محیطی (ESC)

منظور از ESC تشکیل و گسترش ترک تحت تنش در حضور مواد شیمیایی یا سورفکتانت‌های خاص است. ESC بحرانی‌ترین حالت شکست پلی ‌اتیلن است که سطوح تنش پایین‌تر از حد تسلیم می‌تواند درطول زمان در تماس با مواد شوینده، گلیکول یا برخی هیدروکربن‌ها باعث ترک خوردگی شود. برای کاهش میزان ESC بایستی انتخاب فرمولاسیون‌های مقاوم، کاهش تنش پسماند/تله‌ گذاری (بهبود فرآیند و عملیات حرارتی)، جلوگیری از ایجاد شکاف‌های تیز و کاهش تنش‌های کششی پایدار را درنظر گرفت.

2. خزش و تغییر شکل طولانی مدت

پلی ‌اتیلن تحت بار پایدار، به ویژه در دمای بالا، خزش قابل توجهی از خود نشان می‌دهد. برای کنترل خزش بهتر است در صورت نیاز از HDPE، XLPE و UHMWPE با ضرایب ایمنی استفاده شود.

3. تخریب اکسیداتیو/اشعه ماوراء بنفش

پلی‌ اتیلن تثبیت‌ نشده درمعرض اشعه ماوراء بنفش و اکسیژن تخریب شده و دچار گچی شدن سطح، شکنندگی و از دست دادن خواص مکانیکی می‌شود. به منظور کاهش این نوع تخریب در پلی اتیلن می‌توان از تثبیت با جاذب‌های اشعه ماوراء بنفش، رنگدانه‌های کربن سیاه و آنتی‌ اکسیدان‌ها برای کاربردهای فضای باز استفاده کرد.

4. سختی کم در دمای بالا و محدودیت‌های ابعادی

مدول پلی ‌اتیلن با دما کاهش می‌یابد. برای کاربردهای سازه‌ای که به محدوده دمای پلی اتیلن نزدیک می‌شوند، بایستی موادی با سختی یا پیوند عرضی بالاتر انتخاب کرد تا انحراف حرارتی افزایش یابد.

5. ذوب/جوشکاری (برای لوله‌کشی)

لوله‌های HDPE معمولا با جوش لب به لب یا الکتروفیوژن به هم متصل می‌شوند. جوشکاری ضعیف منجر به اتصالات ضعیف و خرابی زودرس می‌شود. با این حال، برای به حداقل رساندن خرابی‌های ناشی از جوشکاری ضعیف، دقت بر رویه‌های جوشکاری و صلاحیت اپراتور بسیار مهم است.