پلی اتیلن (Polyethylene - PE)

پلی‌اتیلن‌ها خانواده‌ای از گرمانرم‌ها می‌باشند که از طریق پلیمریزاسیون گاز اتیلن (C2H4) 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 روان‌کننده(Lubricant) به کار می‌برند. پلیمرهای با وزن مولکولی متوسط واکس‌هایی امتزاج پذیر (مخلوط پذیر) با پارافین می‌باشند و نهایتاً 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 ساده‌تر از تمام پلیمرهای تجاری می‌باشد. یک مولکول پلی اتیلن زنجیر بلندی از اتم‌های کربن است که به هر اتم کربن دو اتم هیدروژن چسبیده‌است.

 تاریخچه تولید پلی اتیلن
پلی اتیلن اولین بار بطور اتفاقی توسط شیمیدان آلمانی "Hans Von Pechmanv" سنتز شد. او در سال 98 هنگام حرارت دادن دی آزومتان ، ترکیب مومی شکل سفیدی را سنتز کرد که بعدها پلی اتیلن نام گرفت. اولین روش سنتز صنعتی پلی اتیلن بطور تصادفی توسط "ازیک ناوست" و "رینولرگیسون" ( از شیمیدان‌های ICI ) در 1933 کشف شد. این دو دانشمند با حرارت دادن مخلوط اتیلن و بنزالدئید در فشار بالا ، ماده‌ای موم‌مانند بدست آوردند.علت این واکنش وجود ناخالصی‌های اکسیژن‌دار در دستگاه‌های مورد استفاده بود که بعنوان ماده آغازگر پلیمریزاسیون عمل کرده بود. در سال 1935 "مایکل پرین" یکی دیگر از دانشمندهای ICI این روش را توسعه داد و تحت فشار بالا پلی‌اتیلن را سنتز کرد که این روش اساسی برای تولید صنعتی LDPE در سال 1939 شد. این کاتالیزورها در شرایط ملایم‌تری نسبت به کاتالیزورهای فیلیپس قابل استفاده بودند و همچنین پلی اتیلن یک آرایش (با ساختار منظم) تولید می‌کردند. سومین نوع سیستم کاتالیزوری استفاده از ترکیبات متالوسن بود که در سال 1976 در آلمان توسط "والتر کامینیکی" و "هانس ژوژسین" تولید شد. کاتالیزورهای زیگلر و متالوسن از لحاظ کارکرد بسیار انعطاف‌پذیر هستند و در فرایند کوپلیمریزاسیون اتیلن با سایر اولفین‌ها که اساس تولید پلیمرهای مهمی مثل VLDPE و LLDPE و MDPE هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اخیرا کاتالیزوری از خانواده متالوین‌ها با قابلیت استفاده بالا برای پلیمریزاسیون پلی اتیلن به نام زیروسن دی کلرید ساخته شده است که امکان تولید پلیمر با ساختار بلوری (تک آرایش) بالا را می‌دهد. همچنین نوع دیگری از کاتالیزورها به نام کمپلکس ایمینوفتالات با فات گروه ششم مورد توجه قرار گرفته است که کارکرد بالاتری نسبت به متالوسن‌ها نشان می‌دهند.



استفاده از انواع کاتالیزورها در سنتز پلی‌اتیلن

اتفاق مهم در سنتز پلی اتیلن ، کشف چندین کاتالیزور جدید بود که پلیمریزاسیون اتیلن را در دما و فشار ملایم‌تری نسبت به روش‌های دیگر امکان‌پذیر می‌کرد. اولین کاتالیزور کشف شده در این زمینه تری اکسید کروم بود که در 1951 ، "روبرت بانکس" و "جان هوسن" در شرکت فیلیپس تپرولیوم آنرا کشف کردند. در 1953 ، "کارل زیگلر" شیمیدان آلمانی سیستم‌های کاتالیزور شامل هالیدهای تیتان و ترکیبات آلی آلومینیوم‌دار را توسعه داد.
پلی اتیلن یا پلی اتن یکی از ساده‌ترین و ارزانترین پلیمرها است.و پلی اتیلن جامدی مومی و غیر فعال است. این ماده از پلیمریزاسیون اتیلن بدست می‌آید و بطور خلاصه بصورت PE نشان داده می‌شود. مولکول اتیلن ( ) دارای یک بند دو گانه C=C است. در فرایند پلیمریزاسیون بند دو گانه هر یک از مونومرها شکسته شده و بجای آن پیوند ساده‌ای بین اتم‌های کربن مونومرها ایجاد می‌شود و محصول ایجاد شده یک درشت‌مولکول است.
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.

ویژگی ها و روشهای شناسایی :

مهم‌ترین ویژگی‌های ذاتی پلی اتیلن‌های تجاری برای کاربردهای اصلی که میتواند به عنوان روش شناسایی بکار رود  عبارت‌اند از:

۱) چگالی ۲) نمایهٔ مذاب ۳) توزیع وزن مولکولی

چگالی:

چگالی انواع پلی اتیلن‌ها در محدودهٔ ۹۱۰/۰ تا ۹۶۵/۰ دارد و علت اینکه آن را تا سه رقم اعشار ذکر می‌کنند این است که ۰۰۳/۰ 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 پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE)، پلی اتیلن با چگالی کم خطی (LLDPE)، پلی اتیلن با چگالی متوسط (MDPE) و پلی اتیلن با چگالی زیاد (HDPE) 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 مع 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
طبقه‌بندی پلی اتیلن‌ها بر اساس دانسیته آنها صورت می‌گیرد که در مقدار دانسیته اندازه زنجیر پلیمری و نوع و تعداد شاخه‌های موجود در زنجیر دخالت دارد.

HDPE پلی‌اتیلن با دانسیته بالا

این پلی‌اتیلن دارای زنجیر پلیمری بدون شاخه است بنابراین نیروی بین مولکولی در زنجیرها بالا و استحکام کششی آن بیشتر از بقیه پلی اتیلن‌ها است. شرایط واکنش و نوع کاتالیزور مورد استفاده در تولید پلی اتیلن   HDPE موثر است. برای تولید پلی‌اتیلن بدون شاخه معمولا از روش پلیمریزاسیون با کاتالیزور زیگلر- ناتا استفاده می‌شود.

LDPE پلی‌اتیلن با دانسیته پایین
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. از خصوصیات این پلیمر ، انعطاف‌پذیری بالا است.
این پلی‌ اتیلن دارای زنجیری شاخه‌دار است بنابراین زنجیرهای LDPE نمی‌توانند بخوبی با یکدیگر پیوند برقرار کنند و دارای نیروی بین مولکولی ضعیف و استحکام کششی کمتری است.

LLDPE پلی اتیلن خطی با دانسیته پایین

وقتی هیچ شاخه‌ای در مولکول وجود نداشته باشد آن را پلی اتیلن خطی 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 فرایند مشکلی که پلیمریزاسیون زیگلر ناتا نامیده می‌شود، تهیه می‌کنند.
 

MDPE

پلی اتیلن با دانسیته متوسط است.
 

UHMWPE

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 فرایند پذیری دشوارتری برخوردار بوده ولی خواص آن عالی است. هنگامی که از طریق تشعشع یا استفاده از مواد افزودنی شیمیایی، این پلیمر تماماً 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.

پلی‌اتیلن کاربرد فراوانی در تولید انواع لوازم پلاستیکی مورد استفاده در آشپزخانه و صنایع غذایی دارد. از LDPE در تولید ظروف پلاستیکی سبک و همچنین کیسه‌های پلاستیکی استفاده می‌شود. HDPE ، در تولید ظروف شیر و مایعات و انواع وسایل پلاستیکی آشپزخانه کاربرد دارد. در تولید لوله‌های پلاستیکی و اتصالات لوله‌کشی معمولا از MDPE استفاده می‌کنند.

LLDPE بدلیل بالا بودن میزان انعطاف‌پذیری در تهیه انواع وسایل پلاستیکی انعطاف‌پذیر مانند لوله‌هایی با قابلیت خم شدن کاربرد دارد. اخیرا پژوهش‌های فراوانی در تولید پلی اتیلن‌هایی با زنجیر بلند و دارای شاخه‌های کوتاه انجام شده است. این پلی اتیلن‌ها در اصل HDPE با تعدادی شاخه‌های جانبی هستند. این پلی اتیلن‌ها ترکیبی ، استحکام HDPE و انعطاف‌پذیری LDPE را دارند.

روشهای پلیمریزاسیون : زنجیر رادیکالی آزاد

ریخت‌شناسی : بسیار بلورین(پلی اتیلن خطی)، بی نظم(آمورف) با درصد تبلور پایین (پلی اتیلن شاخه‌ای)

دمای ذوب : در حدود ۱۲۰-۱۳۰ درجه سانتیگراد

دمای انتقال شیشه‌ای : در حدود ۸۰- درجه سانتیگراد( با توجه به درصد تبلور پلیمر تغییر می‌کند)

روش شناسایی:

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.

کاربردهای پلی اتیلن

بسته بندی : فیلم ها ی بسته بندی ،محصولات بسته بندی ،صلب و سخت ( rigid) و نیمه سخت.

حمل و نقل : باک بنزین های خودرو

کاربردهای طبی : محصولات بهداشتی ، سینی های با کاربرد پزشکی و مخازن نگهداری دارو ،

کالاهای مصرفی : اسباب بازیها ،بطریهایی که به طریقه بادی قالب گیری می شون ،درب های بطری ،کالاهای خانگی ، ظروف آشپزخانه

لوازم خانگی : مخازن قابل حمل ، اسباب و اثاثیه گردش صحرایی در هوای آزاد و آبیاری ،

صنعتی : لوله ها ،اتصالات ،سطلها ، مخازن ، تجهیزات فرایندی و کالاها و قطعات سخت افزاری ویژه صنعت ساختمان

کالاهای الکتریکی .  کمپاند پلی اتیلن کاربرد آن تولید کابل های برق می باشد

کابلهای پلی اتیلنی

از فیلم‌های پلی اتیلنی برای بسته بندی مواد غذایی، البسه، کیسه‌های پلاستیکی، فیلم‌های محافظ درکاربردهای ساختمانی، عایق‌های رطوبت، گلخانه‌ها، پوششهای صندلی اتومبیلهای نو، تارپولین‌ها و غیره استفاده کرد. از کاربردهای دیگر آن می‌توان به استفاده از آن در عایق‌های الکتریکی کابلها وسیمها، ظروف خانگی، قطعات مختلف مصرفی در صنایع خودروسازی، قطعات تزریقی، انواع لوله‌ها، مخزنهای نگهداری مواد شیمیایی و تجهیزات آزمایشگاهی و از پودر آن برای بهبود خواص مختلف رزین‌های گرمانرم و گرماسخت و غیره اشاره کرد.

سازگاركننده های واكنشی

پلی آمید، نایلون (Polyamide - PA) چیست؟

۲۵-MFI یا MFR شاخصی مهم ولی نه چندان شناخته شده در صنعت بازیافت