پلی اتیلن چیست؟ معرفی انواع، ویژگی‌ها و کاربردهای پلی اتیلن

پلی‌اتیلن یکی از پرمصرف‌ترین پلاستیک‌ها در جهان و از مواد پلیمری مهم در زندگی امروزی است که در کنار پی وی سی و پلی‌پروپیلن (PP)، سهم قابل‌توجهی از بازار پلاستیک را به خود اختصاص داده است. از لوله‌های انتقال آب و اتصالات گرفته تا ظروف، کیسه‌ها و فیلم‌های بسته‌بندی و نگهداری مواد غذایی، کاربردهای متنوعی برای پلی‌اتیلن وجود دارد. این پلیمر به دلیل تنوع در ساختار، خواص و کاربرد، در گریدهای مختلفی تولید می‌شود و انواعی مانند پلی‌اتیلن سبک (LDPE)، پلی‌اتیلن سنگین (HDPE) و پلی‌اتیلن سبک خطی (LLDPE) را شامل می‌شود. در این مقاله، انواع پلی‌اتیلن، ویژگی‌های هر یک و مهم‌ترین گریدهای تجاری آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

 

 

 

تاریخچه پلاستیک پلی اتیلن

برای اولین بار پلی‌اتیلن در سال ۱۹۳۳، طی یک واکنش زنجیری رادیکال آزاد در فشار زیاد توسط رجینالد گیبسون(Reginald Gibson) و اریک فاست(Eric Fawcett) کشف شد و در سال ۱۹۳۹ به شکل تجاری در شرکت انگلیسی صنایع شیمیایی سلطنتی ICI تولید شد. این پلیمر پرمصرف از پلیمر شدن مونومر اتیلن با فرمول CH₂=CH₂ تولید می‌شود و با وجود ساختار ساده، با گستره وسیع و بسیار متنوع فرآیندهای ساخت که امکان تولید محصولات با خواص مناسب را فراهم آورده‌اند، یکی از پیچیده‌ترین زمینه‌ها است.

فرآیند اولیه تولید پلی‌اتیلن زیر صدها اتمسفر فشار و دماهای بالا انجام می گرفت. بنابراین، محصول تولید شده به وسیله این روش، پلی‌اتیلن سبک یا فشار بالا نامیده می‌شد. فرآیند تولید بسیار خطرناک و گران بود، به همین دلیل فرآیندهای  ارزان‌تر و ایمن‌تر به تدریج توسعه یافت. تولید پلی‌اتیلن در اوایل دهه ۱۹۵۰ با توسعه کاتالیزورهایی که فرآیند تولید را در فشارها و دماهای پایین‌تر امکان پذیر می‌کردند، متحول شد. ابتدا کاتالیزور فیلیپس بر پایه اکسید کروم در سال۱۹۵۱ سپس کاتالیزور زیگلر ، بر پایه هالیدهای تیتانیم و ترکیبات آلومینیوم، در سال ۱۹۵۳ارائه شد. در حال حاضر، از کاتالیزورهای زیگلر و فیلیپس در تولید صنعتی پلی‌اتیلن استفاده می‌شود که توزیع وزن مولکولی پهن ارائه می دهند. سامانه کاتالیزوری جدید بر پایه متالوسن‌ها نیز برای اولین بار در سال ۱۹۷۶ کشف شد. این کاتالیزور‌ها توزیع باریکی از وزن مولکولی ارائه می‌دهند و در حال حاضر در آمریکای شمالی، اروپای غربی و ژاپن تولید می‌شود.

 

پلی اتیلن یک پلاستیک به شدت پر مصرف است می‌توان گفت غیر ممکن است که شما یک روز عادی را بدون استفاده از محصولات ساخته شده از پلی اتیلن سپری کنید. انواع کیسه پلاستیکی، ظروف غذایی، بطری آب، فیلم کشاوزی، لوله انتقال آب و گاز، سیم و کابل، دستکش، مخازن آب، شلنگ، چسب نواری، سطل‌ها، میز و صندلی، اسباب بازی و... از پلی اتیلن ساخته می‌شوند. پلی اتیلن (polyethylene) یک پلاستیک کریستالی است که به عنوان پر مصرف ترین پلاستیک دنیا شناخته می‌شود. این پلاستیک متعلق به دسته پلی الفین‌ها می‌باشد. سالانه در حدود 100میلیون تن پلی اتیلن در جهان تولید شده که حدود 30 درصد از کل حجم بازار پلیمر را دربرگرفته است. پتروشیمی‌های بسیاری در ایران از تولیدکنندگان انواع پلی اتیلن هستند. پلی اتیلن سنگین، سبک و سبکی خطی از مهم ترین انواع پلی اتیلن تولید شده در ایران است. پتروشیمی بندرامام، امیر کبیر، شازند، آریاساسول، تبریز، جم و... از تولیدکننگان و صادرکنندگان پلی اتیلن هستند.

 

انواع پلی‌اتیلن و ویژگی‌های آن‌ها

پلی‌اتیلن در انواع مختلفی تولید می‌شود که هرکدام به دلیل تفاوت در ساختار مولکولی، میزان شاخه‌ای بودن زنجیره‌ها، چگالی، بلورینگی و خواص مکانیکی، کاربردهای متفاوتی دارند. از مهم‌ترین انواع پلی‌اتیلن می‌توان به پلی‌اتیلن سنگین (HDPE)، پلی‌اتیلن سبک (LDPE)، پلی‌اتیلن سبک خطی (LLDPE)، پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE) و پلی‌اتیلن شبکه‌ای (XLPE) اشاره کرد. در ادامه، ویژگی‌ها، روش تولید و کاربردهای هر یک از این گریدهای پلی‌اتیلن را بررسی می‌کنیم.

 

 

۱. پلی‌اتیلن سنگین (HDPE)

پلی‌اتیلن سنگین (HDPE) یا High-Density Polyethylene نوعی پلی‌اتیلن با ساختار نسبتاً خطی و میزان شاخه‌های جانبی کم است. کاهش شاخه‌ای شدن زنجیره‌های مولکولی باعث افزایش نظم زنجیره‌ها و در نتیجه افزایش چگالی و بلورینگی این پلیمر می‌شود. HDPE معمولاً به صورت جامدی سفیدرنگ و نسبتاً مات دیده می‌شود و از استحکام، سختی و مقاومت شیمیایی مناسبی برخوردار است.

پلی‌اتیلن سنگین در صنعت با استفاده از کاتالیزورهای مختلفی از جمله کاتالیزورهای زیگلر–ناتا بر پایه ترکیبات تیتانیوم، کاتالیزورهای فیلیپس بر پایه کروم و کاتالیزورهای متالوسنی تولید می‌شود. میزان بلورینگی HDPE معمولاً در محدوده ۷۰ تا ۸۰ درصد قرار دارد و دمای ذوب آن حدود ۱۳۰ درجه سانتی‌گراد است.

در فرآیند تولید برخی گریدهای HDPE، از α-الفین‌هایی مانند ۱-بوتن، ۱-هگزن و ۱-اکتن به عنوان کومونومر استفاده می‌شود. ورود این کومونومرها به ساختار پلیمر باعث ایجاد شاخه‌های کوتاه در زنجیره اصلی شده و می‌تواند میزان بلورینگی و سختی پلیمر را کاهش دهد. به همین دلیل، کنترل نوع و مقدار کومونومر نقش مهمی در تعیین خواص نهایی پلی‌اتیلن دارد.

به دلیل بلورینگی بالا، سختی مناسب، نفوذپذیری پایین و مقاومت شیمیایی مطلوب، پلی‌اتیلن سنگین در طیف گسترده‌ای از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد. تولید انواع ظروف نگهداری مواد غذایی و مواد شیمیایی، بطری‌ها، مخازن و قطعات پلاستیکی از مهم‌ترین کاربردهای HDPE است.

همچنین مقاومت مناسب HDPE در برابر خوردگی و مواد شیمیایی، این پلیمر را به گزینه‌ای مناسب برای تولید لوله‌های انتقال آب، فاضلاب و گاز تبدیل کرده است. استحکام کششی مطلوب آن نیز امکان استفاده از برخی گریدهای HDPE را در تولید فیلم‌ها و محصولات بسته‌بندی فراهم می‌کند.

۲. پلی‌اتیلن سبک (LDPE)

پلی‌اتیلن سبک (LDPE) یا Low-Density Polyethylene یکی از شناخته‌شده‌ترین انواع پلی‌اتیلن است که به دلیل ساختار شاخه‌ای، چگالی و بلورینگی پایین‌تری نسبت به HDPE دارد. وجود شاخه‌های کوتاه و بلند در زنجیره مولکولی از آرایش منظم زنجیره‌ها جلوگیری کرده و در نتیجه میزان بلورینگی پلیمر کاهش می‌یابد.

LDPE معمولاً به روش پلیمریزاسیون رادیکال آزاد در فشار و دمای بالا تولید می‌شود. فشار مورد استفاده در این فرآیند می‌تواند حدود ۱۲۲ تا ۳۰۳ مگاپاسکال باشد و دمای پلیمریزاسیون نیز معمولاً در محدوده ۱۳۰ تا ۱۳۵ درجه سانتی‌گراد قرار دارد. مدت زمان واکنش به نوع راکتور و شرایط فرآیند بستگی دارد.

ساختار شاخه‌ای LDPE تأثیر مستقیمی بر خواص این پلیمر دارد. چگالی LDPE معمولاً حدود ۰٫۹۱۵ تا ۰٫۹۳۰ گرم بر سانتی‌متر مکعب و میزان بلورینگی آن حدود ۴۰ تا ۵۰ درصد است. شاخه‌های موجود در زنجیره مولکولی علاوه بر کاهش بلورینگی، بر توزیع وزن مولکولی، رفتار جریان مذاب و فرآیندپذیری پلیمر نیز تأثیر می‌گذارند.

یکی از مهم‌ترین مزایای LDPE، فرآیندپذیری مناسب، انعطاف‌پذیری بالا، استحکام مذاب مطلوب و رفتار مناسب در فرآیندهای تولید فیلم است. به همین دلیل، بخش قابل‌توجهی از مصرف پلی‌اتیلن سبک به تولید فیلم‌های پلاستیکی اختصاص دارد و این ماده به طور گسترده در فیلم‌های بسته‌بندی، کیسه‌های پلاستیکی، روکش‌ها و محصولات انعطاف‌پذیر استفاده می‌شود.

 

خواص مکانیکی پلی اتیلن LDPE

سختی شاخص D Hardness Shore D	40-50
سختی Hardness Rockwell M	1
استحکام کششی در نقطه پارگی Strength at Break (Tensile), MPa	10-20
استحکام کششی در نقطه تسلیم Strength at Yield (Tensile), MPa	10-15
مقاومت در برابر ضربه در دما پایین Toughness at Low Temperature, J/m	240-694
چقرمگی Toughness, J/m	999
مدول یانگ Young's Modulus, GPa	0.13-0.3
الانگیشن در نقطه پارگی Elongation at Break, %	200-600
الانگیشن در نقطه تسلیم Elongation at Yield, %	13-17.5
مدول خمشی Flexural Modulus, Gpa	0.245-0.335

 

۳. پلی‌اتیلن سبک خطی (LLDPE)

پلی‌اتیلن سبک خطی (LLDPE) یا Linear Low-Density Polyethylene یکی از مهم‌ترین انواع پلی‌اتیلن است که به دلیل ترکیب مناسب استحکام، انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر پارگی، جایگاه ویژه‌ای در صنایع پلاستیک پیدا کرده است.

LLDPE در مقایسه با LDPE ساختاری خطی‌تر دارد و عمدتاً فاقد شاخه‌های بلند است. این پلیمر معمولاً از کوپلیمریزاسیون اتیلن با α-الفین‌ها تولید می‌شود. α-الفین‌ها به صورت شاخه‌های کوتاه در زنجیره اصلی پلی‌اتیلن قرار می‌گیرند و نوع و مقدار آن‌ها تأثیر قابل‌توجهی بر خواص نهایی محصول دارد.

از مهم‌ترین کومونومرهای مورد استفاده در تولید LLDPE می‌توان به ۱-بوتن، ۱-هگزن و ۱-اکتن اشاره کرد. در برخی فرآیندها نیز از سایر α-الفین‌ها استفاده می‌شود. میزان کومونومر و نحوه توزیع آن در زنجیره پلیمر می‌تواند بر چگالی، بلورینگی، استحکام و انعطاف‌پذیری LLDPE تأثیر بگذارد.

نوع کاتالیزور نیز یکی از عوامل مؤثر بر ساختار LLDPE است. برای مثال، کاتالیزورهای متالوسنی امکان کنترل دقیق‌تر ساختار و توزیع شاخه‌ها را فراهم می‌کنند، در حالی که کاتالیزورهای زیگلر–ناتا می‌توانند توزیع متفاوتی از کومونومر در زنجیره ایجاد کنند. همچنین شرایط پلیمریزاسیون، طول زنجیره و میزان α-الفین مصرفی از عوامل مهم تعیین‌کننده خواص این پلیمر هستند.

۱-بوتن یکی از قدیمی‌ترین و پرمصرف‌ترین کومونومرها در تولید LLDPE است. در سال‌های اخیر استفاده از ۱-هگزن و ۱-اکتن نیز در تولید برخی گریدهای پیشرفته LLDPE افزایش یافته است. این کومونومرها به دلیل ایجاد شاخه‌های جانبی بلندتر، می‌توانند بلورینگی پلیمر را کاهش داده و برخی خواص مکانیکی مانند چقرمگی و مقاومت در برابر پارگی را بهبود دهند.

LLDPE به دلیل چقرمگی بالا، مقاومت مناسب در برابر ضربه و پارگی و فرآیندپذیری مطلوب، کاربرد گسترده‌ای در تولید فیلم‌های بسته‌بندی دارد. همچنین برخی گریدهای آن در تولید محصولات قالب‌گیری و کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

خواص مکانیکی پلی اتیلن LLDPE

سختی شاخص D Hardness Shore D	55-56
سختی Hardness Rockwell M	1
استحکام کششی در نقطه پارگی Strength at Break (Tensile), MPa	25-45
استحکام کششی در نقطه تسلیم Strength at Yield (Tensile), MPa	10-30
مقاومت در برابر ضربه در دما پایین Toughness at Low Temperature, J/m	294-970
چقرمگی Toughness, J/m	54-999
مدول یانگ Young's Modulus, GPa	0.266-0.525
الانگیشن در نقطه پارگی Elongation at Break, %	300-900
الانگیشن در نقطه تسلیم Elongation at Yield, %	3-16
مدول خمشی Flexural Modulus, Gpa	0.28-0.735

 

۴. پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE)

پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE) یا Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene نوعی پلی‌اتیلن مهندسی با وزن مولکولی بسیار زیاد است که معمولاً در محدوده چند میلیون قرار دارد. وزن مولکولی بالای این پلیمر باعث ایجاد خواص مکانیکی و سایشی ویژه‌ای در آن می‌شود.

به دلیل طول بسیار زیاد زنجیره‌های مولکولی، UHMWPE در شرایط برشی معمول به راحتی جریان پیدا نمی‌کند و بنابراین فرآوری آن با روش‌های متداول مورد استفاده برای پلی‌اتیلن دشوار است. به همین دلیل، از روش‌های خاصی مانند قالب‌گیری فشاری پودر و اکستروژن پیستونی برای شکل‌دهی این ماده استفاده می‌شود.

UHMWPE از مقاومت سایشی بسیار بالا، مقاومت ضربه‌ای عالی، مقاومت شیمیایی مطلوب و ضریب اصطکاک پایین برخوردار است. این ویژگی‌ها باعث شده‌اند که پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا در بسیاری از کاربردهای مهندسی مورد استفاده قرار گیرد و در برخی موارد جایگزین فلزات شود.

از کاربردهای UHMWPE می‌توان به تولید قطعات مقاوم به سایش، تجهیزات صنعتی، قطعات مهندسی و الیاف با استحکام بالا اشاره کرد. الیاف تولیدشده از این پلیمر می‌توانند نسبت استحکام به وزن بسیار بالایی داشته باشند و در کاربردهای خاص مورد استفاده قرار گیرند.

۵. پلی‌اتیلن شبکه‌ای (XLPE)

پلی‌اتیلن شبکه‌ای (XLPE) یا Cross-Linked Polyethylene از طریق ایجاد پیوندهای عرضی میان زنجیره‌های پلیمر تولید می‌شود. شبکه‌ای شدن ساختار پلی‌اتیلن باعث تغییر قابل‌توجه در رفتار حرارتی، مکانیکی و شیمیایی آن شده و امکان استفاده از این ماده را در کاربردهای تخصصی‌تر فراهم می‌کند.

در اثر شبکه‌ای شدن، حرکت زنجیره‌های پلیمر محدود شده و مقاومت آن در برابر تغییر شکل در دماهای بالا افزایش می‌یابد. همچنین مقاومت خستگی، پایداری ابعادی و برخی خواص مکانیکی پلیمر بهبود پیدا می‌کنند. در مقابل، قابلیت جریان و فرآیندپذیری XLPE نسبت به پلی‌اتیلن معمولی کاهش می‌یابد.

سه روش اصلی برای شبکه‌ای کردن پلی‌اتیلن در صنعت عبارت‌اند از شبکه‌ای کردن با استفاده از پراکسیدها، پرتودهی و روش سیلان. در روش سیلان، ترکیبات سیلان ابتدا به زنجیره‌های پلیمر متصل شده و سپس در حضور آب و کاتالیزور، واکنش شبکه‌ای شدن انجام می‌شود.

پلی‌اتیلن شبکه‌ای به دلیل مقاومت مناسب در برابر حرارت و تغییر شکل، در تولید عایق سیم و کابل، لوله‌های مقاوم به حرارت، فیلم‌های قابل جمع‌شدن حرارتی و برخی محصولات صنعتی کاربرد دارد. انتخاب روش شبکه‌ای کردن به عواملی مانند نوع محصول، ضخامت، خواص مورد نیاز و شرایط فرآیند بستگی دارد.

در مجموع، تفاوت در ساختار مولکولی و میزان شاخه‌ای بودن زنجیره‌ها باعث شده است که هر یک از انواع پلی‌اتیلن، ویژگی‌ها و کاربردهای منحصربه‌فردی داشته باشند. به همین دلیل، انتخاب گرید مناسب پلی‌اتیلن باید بر اساس عواملی مانند چگالی، بلورینگی، استحکام، انعطاف‌پذیری، مقاومت شیمیایی، فرآیندپذیری و کاربرد نهایی انجام شود.

 

 

آلیاژسازی پلی اتیلن سبک LDPE  با پلی اتیلن سبک خطی یا LLDPE

یکی از روش‌های افزایش و بهبود خواص در تولید محصولات پلی اتیلن بخصوص فیلم پلی اتیلن آلیاژ کردن انواع پلی اتیلن با یکدیگر می‌باشد. الیاژ LDPE  با LLDPE  از معروف ترین آنها می‌باشد.  به طور کلی LDPE  سبب افزایش انعطاف پذیری آلیاژ شده و شکل پذیری پلاستیک را بهبود می‌دهد. در مقابل افزایش LLDPE  سبب بهبود مقاومت ضربه می‌شود و پلاستیک را در مقابل شوک و استرس مکانیکی مقاوم می‌کند. LLDPE  خواص جریان پذیری را بهبود داده و فرآیند تولید را آسان تر می‌کند.

به طور خالصه LDPE  سبب افزایش انعطاف پذیری، شفافیت و خواص عایق الکتریکی شده و LLDPE  سبب افزایش مقاومت ضربه، استحکام کششی و فرآیند پذیری آمیزه پلی اتیلن می‌شود.

 

انواع جدید پلی اتیلن

پلی اتیلن تولید شده با کتالیست متالوسنی از انواع جدید پلی اتیلن می‌باشد. پلی اتیلن متالوسنی یا  m PE  از انواع جدید پلی اتیلن تولید شده می‌باشد که از توزیع وزن موکلولی باریک تری برخوردار است. پلی اتیلن متالوسنی در تولید فیلم، بسته بندی، ساخت و ساز و ساخت قطعات صنعتی استفاده می‌شود. این نوع پلی اتیلن مقاومت ضربه و مقاومت بالایی در برابر پارگی داد. شفافیت بالایی داشته و برای تولید فیلم‌های چند لایه مناسب می‌باشد. میزان ضخامت فیلم پلی اتیلن تولید شده با m PE  نسبت به پلی اتیلن خطی و سبک خطی کمتر است.

همچنین تولید پلی اتیلن از منابع طبیعی از جمله رویکردهای جدید در صنعت پلی اتیلن می‌باشد.

 

بازیافت پلی اتیلن

پلی اتیلن زیست تخریب پذیری نبوده و مدت زیادی در طبیعت پایدار است. با توجه به حجم تولید بسیار بالا این پلاستیک نگرانی جهانی در مورد تجمع ذرات پلی اتیلن در دریا و خشکی رو به افزایش است. از طرفی پلی اتیلن یک پلاستیک کاملا بازیافت پذیر بوده و در نتیجه بهبود فرآیند بازیافت و بهینه شدن این پلاستیک از اهمیت بالایی برخوردار است.