پلی اتیلن

دسته: مقالات منتشر شده در 04 شهریور 1398
نوشته شده توسط Admin بازدید: 27

پلی اتیلن(PE) چیست؟

پلی اتیلن (PE) که با نام پلی اتین  یا پلی تن نیز شناخته میشود، یکی از بزرگترین گروه های زیر مجموعه ی پلیمرهای ترموپلاستیک است که با پلیمریزاسیون و یا بسپارش اتیلن بوجود می اید. با توجه به انواع فرایند های کاربردی بسپارش، میتوان به مدلهای  متفاوتی از پلی اتیلن با ویژگی های متمایز دست یافت. این گروه بر اساس چگالی، وزن مولکولی و ساختار شاخه ای تقسیم بندی میشوند.

اعضای خانواه پلی اتیلن ها به طور خیلی رایجی در محصولات مصرفی به کار برده میشوند و بیش از 60 میلیون تن از انها روزانه در سراسر دنیا تولید میشود. به عنوان مثال نوعی از پلیمر با چگالی بالا (HDPE) برای تولید محصولاتی مانند بسته شیر، بطری پاک کننده ها و شوینده ها، بسته مارگارین، کیسه زباله و ولوله ای آب استفاده میشود. نوعی از پلیمر با نام پلی اتیلن با وزن بالای مولکولی(UHMWPE)  نیز وجود دارد که در چرخ دنده، لولا و حتی تخته های ویژه خرد کردن گوشت به کاربرده میشود. از پلی اتیلن با چگالی پایین و یا (LDPE) هم برای ساخت ظروف محکم و فیلم پلاستیک بهره گرفته میشود.

 

تاریخچه ی پلی اتیلن (PE)

پلی اتیلن اولین بار توسط یک شیمی دان آلمانی با نام Hans von Pechmann ترکیب شد که این ماده را به صورتی تصادفی و در حین حرارت دهی به دی ازومتان در سال 1898 تولید کرده بود. زمانی که همکاران وی با نام Eugen Bamberger و Friedrich Tschirner  به ویژگی های این ماده چسبناک و سفید رنگ دقت کردند، متوجه شدند که ماده یاد شده دارای زنجیره های طولانی از -CH2- است و ان را پلی اتیلن نامیدند.

اولین ترکیب صنعتی پلی اتیلن نیز مجددا به صورت تصادفی در سال 1933 توسط Eric Fawcett و Reginald Gibson at در کارگاه صنعتی امپراطوری شیمیایی  در نورتویچ انگلستان کشف شد. با اعمال فشار خیلی بالا( اعمال فشاری به میزان چندصد اتمسفر)  به ترکیب اتیلن و بنزالدهید، انها یک ماده سفید چسبناک را تولید کردند.

در سال 1935 یکی دیگر از شیمی دانان این گروه، توانست ترکیبی با قابلیت تولید مجدد را با اعمال فشار زیاد برای پلی اتیلن بوجود اورد. روند یاد شده ، پایه ای برای تولید صنعتی LDPE در سال 1939 شد.

سایر تاریخ های مهم حول موضوع ترکیب پلی اتیلن بیشتر مرتبط با توسعه انواع مختلفی از کاتالیزورها هستند که به بهبود بسپارش این ماده در دما و فشار پایین کمک میکنند.

تا اواخر دهه  50، کاتالیزورهای ساخته شده توسط Phillips و Ziegler برای تولید HDPE  بکاربرده می شدند. در ابتدا برای فیلیپس کار دشواری بود که نوعی HDPE با کیفیتی یکنواخت را تولید کند و بنابراین انبارها را با پلاستکیهایی پر کرد که فاقد استانداردهای لازم بودند. اگرچه در سال 1957، بحران اقتصادی از بین رفت زیرا یک وسیله اسباب بازی با نام hula hoop که دارای یک لوله ی دایره ای از جنس پلی اتیلن بود، طرفداران زیادی در میان جوانان امریکایی پیدا کرد.

نوع بعدی از کاتالیزورهای متالوسن محور نیز در آلمان و در سال 1976 توسط Kaminsky  و Hansjörg کشف شد. این کاتالیزورها در بسپارش اتیلن با سایر الفینها انعطاف پذیری خوبی دارند و به همین دلیل به عنوان پایه اصلی بسیاری از رزین های پلی اتیلن امروزی انتخاب شده اند مانند پلی اتیلن با چگالی خیلی پایین و پلی اتیلن خطی با چگالی پایین.

 این نوع از رزین ها توانسته اند تا به شکل dyneema و از سال  2005، جایگزین آرامیدهایی شوند که در تولید محصولاتی با استحکام بالا به کاربرده میشوند.

تا به امروز، متالوسن فعال ترین کاتالیزور تک جایگاهی است که در بسپارش اتیلن از ان بهره گرفته میشود. تلاش های زیادی صورت گرفته است تا کاتالیزورهای تک جایگاهی جدید (پس از متالوسن)  تولید شوند که امکان هماهنگی بیشتر ساختار پلی اتیلن در مقایسه با کاتالیزور متالوسن را فراهم میکند.  تحقیقات اخیر در شرکت Mitsui نشان داده است که ترکیبات ویژه ای از salicylaldimine در گروه چهار فلزات، میتوانند فعالیت بیشتری به نسبت متالوسن ها داشته باشند.

 

تولید پلی اتیلن (PE)

پلی اتیلن با بسپارش اتیلن یا اتین ساخته میشود که  واحد سازنده ای با نام مونومر است. فرمول شیمیایی اتیلن C2H4 است. هر مولکول اتیلن حاوی دو  گروه متیلن (CH2) است که یا پیوندهای دوتایی به یکدیگر متصل شده اند. در این بخش به ساختار اتیلن از دو جنبه متفاوت می پرازیم.

پلی اتیلن میتواند با روش های مختلفی تولید شود: بسپارش رادیکال، بسپارش آنیونی، بسپارش کاتیونیی  و یا بسپارش به کمک یون. هر یک از این متدها باعث ایجاد نوع متمایزی از پلی اتیلن میشوند. بعضی از انواع پلی اتیلن ها  با بسپارش اتیلن با زنجیره های کوتاه الفا-الفین بوجود می ایند مانند 1-butene, 1-hexene 1-octene..

 

ویژگی های پلی اتیلن (PE)

ویژگی های پلی اتیلن را میتوان به انواع مکانیکی، شیمیای، الکتریکی ،بصری و گرمایی تقسیم کرد.

1.ویژگی های مکانیکی پلی اتیلن

استحکام پلی اتیلن کم بوده، سختی و مقاومت کمی دارد ولی به خوبی شکل گرفته و مقاومت خوبی در برابر فشار دارد. همچنین پلی اتیلن اصطکاک کمی ایجاد میکند.  پلی اتیلن لرزش قوی دربرابر فشار زیاد دارد که میتوان با افزودن فیبر به ان، این حالت را کاهش داد. ماده یاد شده در لمس حالتی چسبناک دارد.

2.ویژگی های گرمایی یا حرارتی پلی اتیلن

کاربرد تجاری پلی اتیلن به دلیل نقطه ذوب نسبتا پایین ان محدود شده است. نقطه ذوب مورد نیاز  برای درجه تجاری معمول در پلی اتیلنهای با چگالی متوسط و بالا بین 120 تا 180 درجه سانتی گراد است. این مقدار برای پلی اتیلن هایی که  چگالی پایینی دارند، بین 105 تا 115 درجه سانتی گراد است. دماهای یاد شده به صورت قابل ملاحظه ای با توجه به نوع پلی اتیلن تغییر میکنند.

3.ویژگی های شیمیایی پلی اتیلن

پلی اتیلن شامل هیدروکربنهایی است که وزن بالای مولکولی دارند و غیر قطبی و اشباع شده هستند. بنابراین رفتاری مشابه با پارافین دارند. هر کدام از مولکولهای بزرگ با پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل نشده اند. همچنین از انجایی که انها ساختاز مولکولی متقارنی دارند، به سادگی حالتی شفاف پیدا میکنند. به طور کلی پلی اتیلن خاصیت نیمه شفاف دارد. افزایش این خاصیت، چگالی و ثبات شیمیایی و مکانیکی را افزایش میدهد.

بیشتر انواع  LDPEMDPEو HDPE دارای مقاومت شیمیایی خوبی میباشند و این یعنی اسید های قوی یا باز های قوی نمیتوانند به انها حمله کنند و در برابر اکسیدان های متعادل  و عامل های کاهش دهنده هم مقاوم میباشند. به عنوان مثال انواع کریستالی و شفاف این ماده در دمای اتاق حالت خود را از دست نمیدهند. بیشتر پلی اتیلنها (به جز نوع متقاطع) میتوانند در دماهای بالاتر و در حضور کربنهای معطر مانند تولوئن و یا زیلین و یا در حلال های کلریین شده مانند تری کلرواتان یا تری کلروبنزین حالت خود را از دست بدهند.

پلی اتیلن تقریبا اصلا آب را به خود جذب نمیکند. نفوذ پذیری گاز و آب (فقط گازهای قطبی) در مقایسه با انواع پلاستیکها، کمتر است. از سوی دیگر اکسیژن، کربن دی اکسید و طعم دهنده ها به سادگی از ان عبور میکنند.

پلی اتیلن ممکن است با قرار گیری در معرض نورخورشید حالتی شکننده پیدا کند. در این موارد معمولا از کربن سیاه به عنوان ثبات دهنده استفاده میشود.

پلی اتیلن به ارامی و با شعله ای ابی رنگ میسوزد و بخش ابتدایی این شعله نیز زرد رنگ است. این ماده بویی مشابه پارافین دارد(مانند شمع ها . (نمیتوان با این ماده نقشی بروی سایر اشیا ایجاد کرد و یا ان را با مواد چسبنده به سایر مواد متصل کرد مگر انکه قبل از ان اقدامات لازم در این خصوص صورت گرفته باشد. این امکان وجود دارد که با جوش کاری پلاستیک پلی اتیلن را به سایر مواد به صورتی محکم متصل کرد.

4.ویژگی های الکتریکی پلی اتیلن

پلی اتیلن یک عایق الکتریکی خوب است. این ماده مقاومت الکتریکی خوبی دارد ولی این امکان نیز وجود دارد که ماده یاد شده به صورت الکترواستاتیک به راحتی شارژ شود( میتوان این حالت را به کمک گرافیت، کربن سیاه یا عاملهای غیر ایستا بهبود بخشید).

5.ویژگی های بصری پلی اتیلن

پلی اتیلن میتواند با توجه به تاریخ و ضخامت فیلم انواع متفاوتی داشته باشد از جمله: تقریبا شفاف یا روشن، نیمه شفاف و کدر. LDPE بیشترین شفافیت، LLDPE شفافیت کمتر و HDPE کمترین میزان شفافیت در میان انواع پلی اتیلن ها را دارد..در صورتی که موارد یاد شده طول موجی بیشتر از نور مرئی داشته باشند، میزان شفافیت به تناسب حالت بلورین کاهش می یابد.

 

مشکلات محیطی ناشی از پلی اتیلن (PE)

پلی اتیلن از اتیلن ساخته میشود و اگرچه میتوان اتیلن را از منابع تجدید پذیر ساخت ولی به صورت اساسی این ماده از نفت یا گازهای طبیعی بوجود می اید.

علاوه بر ان، مصرف خیلی بالای پلی اتیلن مشکلاتی را در مدیریت زباله های حاصل از این ماده بوجود می اورد. پلی اتیلن با طبیعت سازگار نیست و در نهایت در محل های دفن زباله جمع اوری میشود.

در ژاپن رهایی از پلاستیکها به روشی سازگار با طبیعت، مشکلی عمده بود که بسیار مورد توجه قرار میگرفت تا اینکه فاجعه ی فوکوشیما در سال 2011 به مشکل بزرگتری تبدیل شد. ژاپن از سال 2008 مقدار بازیافت پلاستیک را افزایش داده است ولی همچنان با انبوهی از پلاستیک روبرو است که هدر میشوند. یک محقق ژاپنی با نام Akinori Ito در سال 2010  نمونه ای از ماشینی را نشان داد با استفاده از فرایندهای جامع  تقطیر بخار، از پلی اتیلن نفت تولید میکند.

 

تغییرات آب و هوایی

زمانی که پلاستیک در معرض  تابش های محیطی خورشید قرار می گیرد، دو گاز گلخانه ای از خود تولید میکند : متان و اتیلن. اما یکی از انواع پلاستیکها با نام پلی اتیلن با چگالی پایین یا (LDPE) با قرار گیری در معرض نور خورشید، بیشترین تابش ممکن را دارد و به همین دلیل نگران کننده است. از انجایی که این زیرمجموعه از گروه پلی اتیلن، چگالی پایینی دارد، به مرور زمان بیشتر تجزیه میشود و به سطوح بالاتر منتقل میشود. مقدار گاز های تولیدی از پلی اتیلن کم چگالی خالص با توجه به زمان و محیط افزایش می یابند. همچنین اگر این ماده در معرض هوا قرار گیرد، میزان انتشار گازهای متان و اتیلن  در مقایسه با قرار گیری در معرض آب، به ترتیب 2 و 76 برابر خواهد شد