پلی اتیلن و کاربردهای آن - بخش دوم

پلی اتیلن چیست؟ و کاربردهای آن - بخش دوم

جنبه‌های زیست‌ محیطی، بازیافت و پایداری

1. قابلیت بازیافت: پلی اتیلن (گریدهای سبک (LDPE) و سنگین (HDPE)) قابلیت بازیافت بالایی دارد؛ به ویژه بازیافت مکانیکی و معمولا در صنعت بسته‌ بندی و محصولات غیرحیاتی کاربرد دارند. به پلی‌ اتیلن سنگین کد بازیافت شماره 2 و پلی اتیلن سبک کد شماره ۴ اختصاص داده شده است. HDPE و LDPE پلاستیک‌های قابل بازیافت هستند اما آلودگی و پلیمرهای مخلوط بر کیفیت بازیافت آنها تأثیر می‌گذارند. از بازیافت مکانیکی و مسیرهای نوظهور بازیافت شیمیایی در باریافت پلی اتیلن استفاده می‌شود.

2. محدودیت‌ها: آلودگی، پلیمرهای مخلوط و افزودنی‌ها جریان بازیافت پلی اتیلن را پیچیده می‌کنند. بازفرآوری UHMWPE و گریدهای پر شده به محصولات با ارزش بالا دشوارتر است.

3. گریدهای مبتنی بر زیست: اتیلن را می‌توان از بیواتانول (بیوپلیتِن) با خواصی مشابه پلی ‌اتیلن مبتنی بر فسیل تولید کرد.

4. پایان عمر مفید: سوزاندن پلی اتیلن باهدف بازیابی انرژی و بازیافت شیمیایی (دپلیمریزاسیون) گزینه‌های فنی برای بازیافت هستند اما تجزیه و تحلیل چرخه عمر به کاربرد و میزان بازیابی بستگی دارد.

5. نگرانی‌های زیست‌ محیطی: تولید میکروپلاستیک‌ها از فیلم‌ها و ذرات سایش (مثلا از آسترهای نقاله) نیاز به بررسی دارد.

تاریخچه پلی اتیلن

پلی اتیلن برای اولین بار در سال ۱۹۳۳ در انگلستان توسط صنایع شیمیایی امپریال لیمیتد، در طی مطالعات مربوط به اثرات فشارهای بسیار بالا بر پلیمریزاسیون پلی ‌اتیلن ساخته شد. ICI در سال ۱۹۳۷ حق ثبت اختراع فرآیند خود را دریافت کرد و تولید تجاری آن را در سال ۱۹۳۹ آغاز کرد. این ماده برای اولین بار درطول جنگ جهانی دوم به عنوان عایق کابل‌های رادار مورد استفاده قرار گرفت. در سال ۱۹۳۰، کارل شیپ مارول، شیمیدان آمریکایی که در شرکت E.I. du Pont de Nemours & Company  (که امروزه شرکت دوپونت نام دارد) کار می‌کرد، ماده‌ای با چگالی بالا کشف کرد اما این شرکت نتوانست پتانسیل این محصول را تشخیص دهد. این امر به حال خود رها شد تا اینکه کارل زیگلر از موسسه تحقیقات زغال سنگ ماکس پلانک در مولهایم آن در روهر در آلمان غربی (که امروزه آلمان نام دارد)، برای کسب اعتبار اختراع پلی اتیلن سنگین خطی که زیگلر در واقع در سال ۱۹۵۳ با ارهارد هولزکمپ تولید کرد و واکنش را در فشار پایین با یک ترکیب آلی فلزی کاتالیز کرد. این فرآیند بعدا توسط جولیو ناتا، شیمیدان ایتالیایی بهبود یافت و ترکیبات آن درحال حاضر به عنوان کاتالیزورهای زیگلر-ناتا شناخته می‌شوند. زیگلر تا حدودی به خاطر این نوآوری، در سال ۱۹۶۳ جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد. از آن زمان، با استفاده از کاتالیزورها و روش‌های پلیمریزاسیون مختلف، دانشمندان توانستند پلی ‌اتیلن با خواص و ساختارهای مختلف تولید کنند ازجمله پلی اتیلن سبک خطی که توسط شرکت نفت فیلیپس در سال 1968 معرفی شد.

از پلی اتیلن برای چه مواردی استفاده می‌شود؟

همانطور که گفته شد، پلی اتیلن که با PE نیز شناخته می‌شود، رایج‌ترین پلاستیک در مصارف خانگی و صنعتی امروزی است و ۳۴ درصد از کل بازار پلاستیک را در سال ۲۰۱۹ به خود اختصاص داده است. این ماده در کیسه‌های پلاستیکی، بطری‌های شوینده، مخازن مواد شیمیایی، لوله‌ها، کفپوش‌ها، ابزارهای برقی و اسباب ‌بازی‌های کودکان یافت می‌شود. همچنین علامت اختصاری آن که PE است روی بسته‌ بندی‌های ساخته شده از پلی اتیلن مشاهده می‌شود. PE یکی از متنوع‌ترین و بادوام‌ترین پلاستیک‌های مورد استفاده امروزی است، اما چقدر درمورد آن می‌دانید؟

پلی اتیلن چیست؟

پلی ‌اتیلن یک پلیمر مصنوعی ترموپلاستیک با چگالی ذرات بالا است. مانند اکثر پلاستیک‌ها، این ماده یک هیدروکربن است و ساده‌ترین ساختار اساسی را دربین تمام پلیمرها دارد که یک زنجیره تکراری از ۲ اتم کربن و ۴ اتم هیدروژن ایجاد می‌کند. این ساختار مولکولی ساده، امکان تولید پلیمری بسیار تطبیق ‌پذیر با چگالی ذرات بالا را فراهم می‌کند که می‌تواند بارها ذوب و به هر شکلی درآید. چگالی بالای ذرات همچنین به این معنا است که پلی ‌اتیلن در برابر آب، اسید و میکروب مقاوم بوده و یک مانع ایده‌آل برای ظروف مایع و شیمیایی ایجاد می‌کند.

پلی اتیلن چگونه ساخته می شود؟

پلی‌ اتیلن ازطریق پلیمریزاسیون اتیلن یا اتن (CH₂=CH₂) که یک ترکیب آلی و گاز بی‌رنگ مشتق شده از نفت یا گاز طبیعی است، تولید می‌شود. پلیمریزاسیون فرآیندی است که طی آن مونومرها (ذرات منفرد) برای ایجاد پلیمرها (زنجیره‌هایی از ذرات چندگانه) ترکیب می‌شوند. برخی از انواع پلی ‌اتیلن مانند بیوپلی ‌اتیلن از اتانول حاصل از منابع گیاهی هیدروکربن‌ها مانند چغندر قند، نیشکر یا دانه گندم، ساخته می‌شوند.

چند نوع پلی اتیلن وجود دارد؟

از آنجا که پلی‌ اتیلن یک پلیمر همه‌کاره است، می‌توان آن را با چگالی‌های ذرات مختلف تطبیق داده و دستکاری کرد که به آن خواص مختلفی می‌دهد. این خواص، آن را برای کاربردهای مختلف مفید می‌کند.

1. پلی اتیلن سنگین (HDPE): پلی اتیلن سنگین با چگالی ذرات تا 0.96 گرم بر سانتی‌متر مکعب، این یک پلاستیک سخت با ساختار بلوری بالا است که برای تولید ظروف، لوله‌ها و تخته‌های برش مناسب است. این نوع پلی ‌اتیلن بسیار بادوام است.

2. پلی اتیلن سبک (LDPE): چگالی ذرات LDPE برابر با 0.92 گرم بر سانتی‌متر مکعب است که ممکن است چندان با HDPE فاصله نداشته باشد اما تفاوت زیادی در خواص ایجاد می‌کند. LDPE یک پلاستیک نرم و انعطاف‌ پذیر است که در تولید کیسه‌های پلاستیکی، فیلم‌های کششی و ورق‌های پلی ‌اتیلن استفاده می‌شود. LDPE همچنین استحکام کششی کمتری نسبت به HDPE دارد؛ به این معنا که به راحتی کشیده و ضعیف می‌شود.

3. پلی اتیلن با چگالی متوسط (MDPE):MDPE  با محدوده چگالی 0.926-0.940 گرم بر سانتی‌متر مکعب تعریف می‌شود و از نظر انعطاف ‌پذیری بین LDPE فوق ‌العاده انعطاف‌ پذیر و چقرمگی HDPE قرار می‌گیرد. این ماده اغلب برای ساخت لوله‌ها و تیوب‌های انعطاف ‌پذیر و همچنین مخازن ذخیره ‌سازی مایعات مانند مخازن آب و نفت استفاده می‌شود.

تحلیل مقایسه‌ای پلی ‌اتیلن درمقایسه با سایر مواد رایج

از خواص برتر پلی ‌اتیلن درمقایسه با چندین ماده‌ای که مهندسان معمولا به عنوان جایگزین برای قطعات، فیلم‌ها، لوله‌ها یا اجزای سایشی در نظر می‌گیرند، می‌توان چگالی (گرم بر سانتی‌متر مکعب)، استحکام کششی (برحسب مگاپاسکال)، مدول یانگ، دمای ذوب، نرم‌ شوندگی، مقاومت شیمیایی عالی (در برابر اسیدها، بازها و بسیاری از حلال‌ها)، جذب رطوبت اندک، رفتار سایشی/اصطکاکی خوب (اصطکاک و سایش کم)، پایداری ابعادی ​​(خزش زیر بار و تحت تأثیر رطوبت)، مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش (تثبیت نشده و وابسته به فرمولاسیون)، قابلیت پردازش عالی (اکستروژن، دمشی، تزریقی، قالب ‌گیری چرخشی، ماشینکاری که البته قبل از قالب‌ گیری نیاز به خشک شدن دارد) و قابلیت بازیافت خیلی خوب (گریدهای سبک و سنگین به طور گسترده بازیافت می‌شوند) را نام برد. به طور کلی، از پلی اتیلن (PE) در تولید فیلم کشاورزی، بطری، لوله، مخزن، آستر، تزئینات خودرو، ظروف، پروفیل پنجره، اتصالات، چرخ دنده‌ها، بوشینگ‌ها، سوپاپ‌ها، یاتاقان‌ها و محفظه‌ها استفاده می‌شود.

سخن پایانی

همانطور که گفته شد، پلی ‌اتیلن یک خانواده ترموپلاستیک همه‌کاره است که گریدهای مختلف آن طیف بسیار وسیعی از رفتارهای مکانیکی و فرآیندی را پوشش می‌دهند. مقاومت شیمیایی، فرآیندپذیری، هزینه پایین و قابلیت استفاده از فیلم‌های انعطاف ‌پذیر تا قطعات کشویی فوق‌ العاده سخت از نقاط پلی اتیلن به شمار می‌روند. همچنین ترک‌ خوردگی ناشی از تنش محیطی، خزش و تخریب ناشی از اشعه ماوراء بنفش از رایج‌ترین مشکلات مهندسی در پردازرش پلی اتیلن هستند که هر کدام ازطریق انتخاب گرید، تثبیت و طراحی قابل حل هستند. گاهی اوقات پلی اتیلن در اثر مواد شیمیایی ملایم ترک می‌خورد و همانطور که در بخش اول از این محتوا گفته شد، این ترک خوردگی ناشی از تنش محیطی (ESC) است؛ به این معنا که برخی از سورفکتانت‌ها و مواد شوینده رشد آهسته ترک را تحت تنش کششی افزایش می‌دهند. انتخاب گریدهای مقاوم در برابر ESC و کاهش تمرکز تنش می‌تواند این خطر را به حداقل برساند.