بررسی صنعت پلی اتیلن (بخش اول) معرفی

بررسی صنعت پلی اتیلن - بخش اول: معرفی

پليمر به موادي گفته مي‌شود كه از مولكول هاي بسيار بزرگ ( ماكرومولكول) درست شده اند. اين مولكول‌هاي بزرگ از تكرار و اتصال واحدهاي كوچك (مونومر) تشكيل شده اند. بنا به نوع و تعداد مونومرها و همچنين تكرار و طرز قرار گرفتن آنها در ابعاد مختلف در هر پليمر، مواد پليمري با خواص گوناگون توليد مي‌شود. پليمرها در صنعت پتروشيمي، به پليمرهاي اساسي و مهندسي دسته‌بندي مي‌شوند. عمده پليمرهاي پرمصرف در صنعت پتروشيمي، شامل پلي اتيلن، پلي پروپيلن، پلي اتيلن ترفتالات، پلي وينيل كلرايد، پلي استايرن و اكريلونيتريل بوتادين استايرن است. در این پژوهش به مطالعه پرکاربردترین پلیمرها یعنی پلی اتیلن و انواع گریدهای آن پرداخته شده است. پلی اتیلن یا پلی اتن رایج ترین پلاستیک موجود بر روی زمین می باشد. همچنین پلی اتین رایج ترین پلیمری است که بطور روزمره استفاده می شود و از لحاظ شیمیایی از اتیلن تولید می شود. پلی اتیلن می تواند به حالت مایع درآید و به راحتی مجدداً به حالت ائل خو بازگردد، به همین خاطر در محصولات گوناگونی مثل کیسه های پلاستیکی، فیلم ها، ظروف پلاستیکی و ... استفاده می شود. درنتیجه پلی اتیلن طیف گسترده ای از مصارف را دارد و برای محیط زیست مضر می باشد.

پلی اتیلن در یک نگاه

تصویر1-1 نمایی از پلی اتیلن

نام های دیگر: پلی اتن، لوپولن، هولستان (Hostalen)، مارلکس (Marlex)، ملتی لن (Multilene)، آرلتون (Alaton)، نوواکس (Novex). مونومر: اتیلن حلال: تولوئن (Toluene)، زایلن (Xylene)، سیکلو هگزان (Cyclohexene) دانسیته (چگالی) : 0.910 تا 0.965 g/cm3 روشهای پلیمریزاسیون : زنجیر رادیکالی آزاد ریخت شناسی : بسیار بلورین(پلی اتیلن خطی)، بی نظم(آمورف) با درصد تبلور پایین (پلی اتیلن شاخه ای) دمای ذوب : در حدود 130-115 درجه سانتیگراد موارد استفاده : به صورت ترموپلاستیک، الیاف، لوله، فیلم و...

ویژگی های اشتعال (روش شناسایی آسان) • در شعله می سوزد و بعد از حذف شعله همچنان به سوختن ادامه می دهد. • شعله زرد متمایل به نارنجی با پایه آبی دارد. • تقریبأ بدون دود می سوزد. • به راحتی در شعله چکه می کند. • بوی سوختن آن شبیه شمع در حال سوختن (پارافین) است.

تاریخچه پلی اتیلن پلی اتیلن اولین بار بطور اتفاقی توسط شیمیدان آلمانی “Hans Von Pechmanv” سنتز شد. او در سال ۱۸۹۸ 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 ۱۹۳۳ کشف شد. این دو دانشمند با حرارت دادن مخلوط اتیلن و بنزالدئید در فشار بالا ، ماده‌ای موم‌مانند به دست آوردند. علت این واکنش وجود ناخالصی‌های اکسیژن‌دار در دستگاه‌های مورد استفاده بود که بعنوان ماده آغازگر پلیمریزاسیون عمل کرده بود. در سال ۱۹۳۵ “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 ۱۹۳۹ شد.

پلی اتیلن چیست؟ پلي اتيلن يا پلي اتن يكي از ساده ترين و ارزان ترين پليمرها است. اين ماده از پليمريزاسيون اتيلن بدست مي آيد و بطور خلاصه بصورت PE نشان داده مي شود. مولكول اتيلن C2H4 (داراي يك بند دو گانه C=C ) است. در فرايند پليمريزاسيون بند دو گانه هر يك از مونومرها شكسته شده و بجاي آن پيوند ساده اي بين اتم هاي كر بن مونومرها ايجاد مي شود و محصول ايجاد شده يك درشت مولكول است. پلي اتيلن ماده اي جامد، بدون بو، مومي، نيمه شفاف و غيرفعال است كه معمولاً به صورت گرانول توليد مي گردد. بنابراين پلي اتيلن مي تواند به طيف گسترده ای از مشتقات اتيلن تبديل گردد. پلي اتيلن يكي از پايدارترين و خنثي ترين پليمرها است و داراي مقاومت بالائي در برابر مواد شيميائي می باشد. دارابودن خواص متعدد باعث گرديده پلي اتيلن در طيف وسيعي از محصولات استفاده شود. رايج ترين مورد استفاده آن در توليد فيلم هاي بسته بندي می باشد. از طریق کاتالیست و روش پلیمریزاسیون این ماده می توان خواص مختلفی همچون چگالی، شاخص جریان مذاب (MFI)، بلورینگی، درجه شاخه ای و شبکه ای شدن، وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی را در آنها کنترل کرد. پلیمرهای با وزن مولکولی پایین را به عنوان روان کننده (lubricant) به کار می برند. پلیمرهای با وزن مولکولی متوسط واکس هایی مخلوط پذیر با پارافین می باشند و نهایتاً پلیمرهایی با وزن مولکولی بالاتر از 6000 در صنعت پلاستیک بیشترین حجم مصرف را به خود اختاصاص می دهند. پلی اتیلن شامل ساختار بسیار ساده ای است بطوری که ساده تر از تمام پلیمرهای تجاری می باشد. یک مولکول پلی اتیلن زنجیر بلندی از اتم های کربن است که به هر اتم کربن، دو اتم هیدروژن چسبیده است و درواقع می توان گفت که از لحاظ شیمیایی از مولکول هایی که محتوی زنجیره طویلی از مونومر اتیلن می باشد ترکیب شده است که شکل آن را می توانید در ذیل مشاهده کنید:

تصویر 2-1 ساختار مولکولی اتیلن و پلی اتیلن

مشتقات پلی اتیلن پلی اتیلن دارای مشتقاتی نظیر پلی اتیلن سبک خطی (LLDPE)، پلی اتیلن سبک (LDPE) و پلی اتیلن سنگین (HDPE) می باشد که در ادامه به توضیح آنها پرداخته شده است. وقتی هیچ شاخه ای در مولکول وجود نداشته باشد آن را پلی اتیلن خطی (HDPE) می نامند. پلی اتیلن خطی سخت تر از پلی اتیلن شاخه ای است اما پلی اتیلن شاخه ای آسانتر و ارزان تر ساخته می شود. ریخت و شکل این پلیمر بسیار کریستالی شکل است. پلی اتیلن خطی محصول نرمالی با وزن مولکولی 500،000-200،000 است که آن را تحت فشار و دماهای نسبتاً پایین پلیمریزه می کنند. چگالی آن بین 0.946 تا 0.965 است و آن را بیشتر بوسیله فرایند مشکلی که پلیمریزاسیون زیگلرناتا نامیده می شود تهیه می کنند. شکل این پلی اتیلن را در تصویر بالا می توانید مشاهده کنید. پلی اتیلنی نیز وجود دارد که چگالی آن مابین چگالی این دو پلیمر است یعنی در محدوده 0.926 تا 0.940 ، و آن را پلی اتیلن نیمه سنگین یا متوسط می نامند. پلی اتیلنی با وزن مولکولی بین 3 تا 6 میلیون را پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا یا UHMWPE می نامند و با پلیمریزاسیون کاتالیست متالوسن تولید می کنند. ماده مذبور فرایند پذیری دشوارتری برخوردار بوده ولی خواص آن عالی است. هنگامی که از طریق تشعشع یا استفاده از مواد افزودنی شیمیایی، این پلیمر تماماً شبکه ای شود، پلی اتیلن یاد شده دیگر گرمانرم نخواهد بود. این ماده با پخت حین قالب گیری یا بعد از آن یک گرما سخت واقعی با استحکام کششی، خواص الکتریکی و استحکام ضربه خوب در دامنه وسیعی از دماها خواهد بود. از آن برای ساخت فیبرهای بسیار قوی استفاده می کنند تا جایگزین کولار (نوعی پلی آمید) در جلیقه های ضدگلوله کنند و همچنین صفحات بزرگ آن را می توان به جای زمین های اسکیت یخی استفاده کرد. بوسیله کوپلیمریزاسیون مونومر اتیلن با یک مونومر آلکیل شاخه دار، کوپلیمری با شاخه های هیدروکربن کوتاه به دست می آید که آن را پلی اتیلن خطی با چگالی کم یا LLDPE می نامند و از آن اغلب برای ساخت اشیاء شبیه فیلم های پلاستیکی ( کیسه فریزر) استفاده می کنند.

پلي اتيلن سنگين (HDPE) یا ( پلی اتیلن نرم، پلی اتیلن با تراکم بالا) هرگاه در طی فرآیند پلیمریزاسیون پلی اتیلن تعداد زنجیره های جانبی کم و طول آنها کوتاه باشد (بین 2 تا 4 اتم) امکان نزدیک شدن زنجیره های اصلی به یکدیگر و تشکیل ساختار بلوری (با سرد شدن مذاب پلی اتیلن) به وجود می آید که به این نوع پلی اتیلن، HDPE می گویند؛ بلورینگی این پلیمر 80 تا 95 درصد است و چگالی این محصول بالای 0.941 گرم بر سانتی متر مکعب می باشد. زنجيره مولكولي در اين نوع پليمر فشرده است كه همين عامل باعث افزايش دانسيته آن مي‌شود. لذا انعطاف پذيري به شدت كاهش مي‌يابد. اين نوع پليمر گرچه مقاومت ضربه اي كمتري نسبت به پلي اتيلن سبك دارد، اما مقاومت آن در برابر مواد شيميايي همانند مقاومت آن در برابر تنش هاي شكننده محيطي خوب است. لذا از اين نوع پليمر در انواع محصولات مانند ظروف نگهدارنده سوخت، صندلي‌هاي مورداستفاده در فضاي باز، اسباب بازي‌ها، جامه دان‌ها، لوله‌ها و مجراها استفاده مي‌شود. این محصول در سال 1939 به صورت تجاری به بازار عرضه شد، این پلیمر در درجه حرارت 180 تا 200 درجه سانتی گراد و در فشاری بین 1000 تا 2000 اتمسفر تولید می شود. این پلیمر در درجه حرارت 110 درجه سانتی گراد ذوب می شود. مزایا: از مهم ترین ویژگی های HDPE که سبب کاربرد وسیع آن شده است می توان به هزینه پائین تولید، فرآیند پذیری آسان و نفوذ ناپذیری خوب در برابر رطوبت اشاره کرد. معایب: نفوذ پذیری بالا در برابر اکسیژن، هیدروژن، بو، عطر ها، نرمی و نقطه نرمی پائین. دیگر خواص: اشیاء ساخته شده از این پلیمر دارای خواص عمومی خوب، حالت نرمش زیاد، سطح خارجی سخت، مقاومت الکتریکی خوب و بدون بو و مزه و دارای خواص شیمیایی مقاوم در برابر اسید ها، باز ها، الکل ها و مقاومت کم در مقابل اتر، کتون، استر، روغن، چربی می باشند. کاربردها: ظروف خانگی، اسباب بازی، لوازم پزشکی، فیلم ها و ظروف بستی بندی، بطری های قالب گیری شده دمشی، انواع قالب گیری تزریقی. پلی اتیلن سبک (LDPE) یا (پلی اتیلن با تراکم پایین، پلی اتیلن سخت) گاهی اوقات به جای اتم های هیدروژن در مولکول ( پلی اتیلن)، یک زنجیر بلند از اتیلن به اتم های کربن متصل می شود که امکان نزدیک شدن زنجیره های اصلی به یکدیگر کاهش می یابد و بی نظمی آنها (با سرد شدن مذاب پلی اتیلن) افزایش می یابد که به این نوع پلی اتیلن، پلی اتیلن شاخه ای یا پلی اتیلن سبک (LDPE) می گویند، چون چگالی آن به علت اشغال حجم بیشتر، کاهش یافته است. در این نوع پلی اتیلن مولکول های اتیلن به شکل تصادفی به یکدیگر متصل می شوند و ریخت و شکل بسیار نامنظمی را ایجاد می کنند. بنابراین زنجیرهای LDPE نمی توانند به خوبی با یکدیگر پیوند برقرار کنند و دارای نیروی بین مولکولی ضعیف و استحکام کششی کمتری است. چگالی آن بین 0.910 تا 0.925 گرم بر سانتی متر مکعب است و تحت فشار و دمای بالا و اغلب با استفاده از پلیمریزاسیون رادیکال آزاد وینیلی تولید می شود. البته برای تهیه آن می توان از پلیمریزاسیون زیگلر ناتا نیز استفاده کرد. چون این پلیمر در فشار و درجه حرارت پایین تهیه می گردد با صرفه تر بوده و هزینه تولید کمتری دارد. این پلیمر در درجه حرارت 130 درجه سانتی گراد ذوب می شود.

تصویر3-1 پلی اتیلن سبک

مزایا: همانند HDPE دارای هزینه تولید اندک، فرآیند پذیری آسان و نفوذ ناپذیری خوب در برابر رطوبت است. سیل پذیری حرارتی LDPE و LLDPE در دمای بین 106 تا 112 درجه سانتی گراد است که این دما، پائین ترین دمای نرمی پلیمرهای بسته بندی معمول می باشد. معایب: نفوذ ناپذیری کم در برابر گازها، نرمی، نقطه نرمی پائین و جریان سرد نسبتاً بالا، مقاومت خراش پائین، نفوذ بو بالا، جذب گرد و غبار (استاتیک) و مقاومت کم در برابر روغن. دیگر خواص: شفافیت، تغییر طول زیاد و نرمی. کاربرد ها: حدود نیمی از LDPE و LLDPE مصرفی در بسته بندی به صورت انواع فیلم که به دو روش دمشی و اکستروژن تولید می شوند، مصرف می شود. ساخت انواع ظروف خانگی و بهداشتی مثل: سطل، زنبیل، جعبه های حمل و نقل، انواع اسباب بازی و انواع لوازم پزشکی و صنعتی. از دیگر کاربرد های LDPE می توان به انواع قالب گیری های تزریقی و دمشی برای تولید قطعات و ظروفی که نیاز به نرمی و انعطاف پذیری بالا دارند و همچنین مواردی که ظرف تحت فشار است نام برد.

پلی اتیلن خطی با دانسیته پایین (LLDPE) یا ( پلی اتیلن نیمه متراکم) هرگاه در طی فرآیند پلیمریزاسیون پلی اتیلن تعداد زنجیره های جانبی زیاد و طول آنها کوتاه باشد، پلیمر حاصل شده خواصی بین HDPE و LDPE (خواص به LDPE نزدیک تر است) را دارا می باشد که به آن LLDPE می گویند؛ بلورینگی این پلیمر 50 تا 70 درصد است و چگالی این محصول تقریباً در محدوده چگالی LDPE (یعنی 0.91 تا 0.93) می باشد. دانسیته این نوع پلی¬اتیلن از پلی¬اتیلن سبک نیز کمتر میباشد. این نوع پلیمر، در مقابل پارگی و سوراخ شدن مقاومت، استحکام وکشش بهتری را نشان میدهد. تفاوت LDPE و LLDPE: خواص خانواده LDPE مانند استحکام پارگی، مقاومت ضربه، کشش و انعطاف پذیری با افزایش چگالی کاهش می یابد. (هرگاه تعداد و طول زنجیره های جانبی کاهش پیدا کند این امر سبب نزدیک شدن زنجیره های اصلی به هم و کاهش بی نظمی و افزایش بلورینگی و در نتیجه افزایش چگالی می شود). به عنوان مثال بین سختی و چگالی رابطه مستقیم وجود دارد یعنی با افزایش چگالی، سختی نیز افزایش می یابد، همچنین مقاومت پائین LDPE در برابر روغن با افزایش چگالی بهبود می یابد. فیلم پلی اتیلن به تنهایی نمی تواند خلاء را نگه دارد زیرا مقاومت آن در برابر نفوذ گازها کم است و این مشکل نیز در LLDPE با نزدیک شدن زنجیره های اصلی به هم کمتر دیده می شود. محدودیت های دیگر LDPE نظیر مقاومت خراش پائین، نفوذ بو بالا، جذب گرد و غبار (استاتیک) و مقاومت کم در برابر روغن ها نیز در LLDPE کمی بهبود می یابد. کاربردها: از مهم ترین کاربرد های LLDPE فیلم های استرچ است که برا ی نگهداری بارها در حمل و نقل استفاده می شود. (اتیلن وینیل استات EVA نیز یکی دیگر از مواد لفاف پیچی پر مصرف است). همچنین فیلم های شرینک نیز برای لفاف پیچی کلی محصولات و یا نگهداری چند واحد با یکدیگر برای حمل و نقل استفاده می شوند.