پلی اتیلن چیست؟

پلی اتیلن (PE)، رزین مصنوعی سبک و همه کاره ساخته شده از پلیمریزاسیون اتیلن. پلی اتیلن عضوی از خانواده مهم رزین های پلی الفین است. این پلاستیک پرکاربردترین پلاستیک در جهان است و به محصولاتی مانند بسته بندی مواد غذایی شفاف ، کیسه های خرید ، بطری های مواد شوینده و مخازن سوخت خودرو تبدیل می شوند. همچنین می توان آن را برش داد یا به صورت الیاف مصنوعی چرخاند یا آن را اصلاح کرد تا خاصیت کشسانی لاستیک را به خود بگیرد.

اتیلن “C2H4” ، یک هیدروکربن گازی است که معمولا از ترک خوردن اتان تولید می‌شود.

مولکول‌های اتیلن اساساً از دو واحد متیلن (CH2) تشکیل شده‌اند که توسط یک پیوند دوگانه بین اتم‌های کربن به هم مرتبط شده‌اند . تحت تأثیر کاتالیزورهای پلیمریزاسیون، پیوند دوگانه می تواند شکسته شود و پیوند منفرد اضافی حاصل برای پیوند به اتم کربن در مولکول اتیلن دیگر استفاده شود.

بنابراین، اتیلن که به واحد تکرار شونده یک مولکول بزرگ و پلیمری (چند واحدی) تبدیل شده است، ساختار شیمیایی زیر را دارد:

 مولکول های بلند و زنجیره مانند که در آن اتم های هیدروژن به ستون فقرات کربن متصل می شوند، می توانند به صورت خطی یا شاخه ای تولید شوند. نسخه های منشعب شده به عنوان پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE) یا پلی اتیلن با چگالی کم خطی (LLDPE) شناخته می شوند. نسخه های خطی به عنوان پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) و پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا (UHMWPE) شناخته می شوند.

ترکیب پلی اتیلن پایه را می توان با گنجاندن سایر عناصر یا گروه های شیمیایی اصلاح کرد، مانند پلی اتیلن کلردار و کلروسولفونه. علاوه بر این، اتیلن را می توان با مونومرهای دیگر مانند وینیل استات یا پروپیلن برای تولید تعدادی کوپلیمر اتیلن کوپلیمریزه کرد.

پلی اتیلن کم چگالی اولین بار در سال 1933 در انگلستان توسط Imperial Chemical Industries Ltd. (ICI) در طی مطالعاتی که در مورد تأثیر فشارهای بسیار بالا بر پلیمریزاسیون پلی اتیلن انجام شد، تولید شد. ICI در سال 1937 یک حق اختراع در مورد فرآیند خود اعطا کرد و در سال 1939 تولید تجاری را آغاز کرد. اولین بار در طول جنگ جهانی دوم به عنوان عایق برای کابل های رادار استفاده شد.

در سال 1930 کارل شیپ مارول، شیمیدان آمریکایی که در E.I. du Pont de Nemours & Company (در حال حاضر شرکت DuPont)، یک ماده با چگالی بالا کشف کرد، اما شرکت نتوانست پتانسیل محصول را تشخیص دهد. این به کارل زیگلر از موسسه ستحقیقات زغال نگ ماکس پلانک در Mülheim an der Ruhr، W.Ger واگذار شد. (در حال حاضر آلمان)، برای به دست آوردن اعتبار برای اختراع “HDPE” خطی – که زیگلر در واقع با Erhard Holzkamp در سال 1953 تولید کرد و واکنش را در فشار کم با یک ترکیب آلی فلزی کاتالیز کرد. این فرآیند بعدها توسط شیمیدان ایتالیایی جولیو ناتا بهبود یافت و این ترکیبات اکنون به عنوان کاتالیزورهای زیگلر-ناتا شناخته می شوند. تا حدی برای این نوآوری، زیگلر در سال 1963 جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد. از آن زمان، دانشمندان با استفاده از کاتالیزورهای مختلف و روش های پلیمریزاسیون، پلی اتیلن با خواص و ساختارهای مختلف تولید کردند. برای مثال LLDPE توسط شرکت نفت فیلیپس در سال 1968 معرفی شد.

ترکیبات اصلی پلی اتیلن

LDPE از اتیلن گازی تحت فشارهای بسیار بالا (تا حدود 350 مگا پاسکال یا 50000 پوند بر اینچ مربع) و دماهای بالا (تا حدود 350 درجه سانتیگراد [660 درجه فارنهایت]) در حضور آغازگرهای اکسید تهیه می شود. این فرآیندها یک ساختار پلیمری با شاخه های بلند و کوتاه ایجاد می کنند. از آنجایی که شاخه ها مانع از بسته شدن مولکول های پلی اتیلن در آرایش های سخت، سفت و کریستالی می شوند، LDPE یک ماده بسیار انعطاف پذیر است. نقطه ذوب آن تقریباً 110 درجه سانتیگراد (230 درجه فارنهایت) است. مصارف اصلی آن در فیلم های بسته بندی، کیسه های زباله و مواد غذایی، مالچ کشاورزی، عایق سیم و کابل، بطری های فشاری، اسباب بازی ها و لوازم خانگی است. کد بازیافت پلاستیک LDPE #4 است.

پلی اتیلن با چگالی کم خطی

LLDPE از نظر ساختاری مشابه LDPE است. از کوپلیمریزاسیون اتیلن با 1-بوتن و مقادیر کمتر 1-هگزن و 1-اکتن با استفاده از کاتالیزورهای Ziegler-Natta یا متالوسن ساخته می شود. ساختار حاصل دارای یک ستون فقرات خطی است، اما دارای شاخه های کوتاه و یکنواختی است که مانند شاخه های بلندتر LDPE، مانع از بسته شدن زنجیره های پلیمری می شود. به طور کلی، LLDPE دارای خواص مشابه با LDPE است و برای بازارهای مشابه رقابت می کند. مزایای اصلی LLDPE این است که شرایط پلیمریزاسیون انرژی کمتری دارد و ممکن است خواص پلیمر با تغییر نوع و مقدار مواد شیمیایی آن تغییر کند. کد بازیافت پلاستیک LLDPE #4 است.

پلی اتیلن با چگالی بالا

پلی اتیلن خطی را می توان در نسخه های با وزن مولکولی فوق العاده بالا، با وزن مولکولی 3000000 تا 6000000 واحد اتمی در مقابل 500000 واحد اتمی برای HDPE تولید کرد. این پلیمرها را می توان به صورت الیاف چرخانده و سپس کشید ، یا کشیده و به حالت کریستالی تبدیل کرد ، در نتیجه استحکام کششی خیلی قوی ایجاد می شود.نخ های ساخته شده از این الیاف به صورت جلیقه های ضد گلوله بافته می شوند.

کوپلیمرهای اتیلن

اتیلن را می توان با تعدادی از ترکیبات دیگر کوپلیمریزه کرد. به عنوان مثال، کوپلیمر اتیلن-وینیل استات (EVA)، با کوپلیمریزاسیون اتیلن و وینیل استات تحت فشار، با استفاده از کاتالیزورهای رادیکال آزاد تولید می‌شود. گریدهای مختلفی تولید می شود که محتوای وینیل استات آن از 5 تا 50 درصد وزنی متغیر است. کوپلیمرهای EVA نسبت به پلی اتیلن در برابر گازها و رطوبت نفوذپذیری بیشتری دارند، اما کریستالی کمتری دارند و شفافیت بیشتری دارند و مقاومت بهتری در برابر روغن و گریس از خود نشان می دهند. موارد استفاده اصلی در چسب ، اسباب بازی ، لوله ، واشر ، پوشش سیم ، آستر درام و پشتی فرش است.

کوپلیمرهای اتیلن-اکریلیک اسید و اتیلن- متاکریلیک اسید با پلیمریزاسیون سوسپانسیون یا امولسیون با استفاده از کاتالیزورهای رادیکال آزاد تهیه می شوند. واحدهای تکرار کننده اسید اکریلیک و متاکریلیک اسید که 5 تا 20 درصد کوپلیمرها را تشکیل می دهند دارای ساختارهای زیر هستند:

گروه‌های کربوکسیل اسیدی (CO2H) در این واحدها با بازها خنثی می‌شوند تا گروه‌های یونی بسیار قطبی در امتداد زنجیره‌های پلی‌اتیلن توزیع شده‌اند. گروه‌های کربوکسیل اسیدی در “ریز دامنه‌ها” با یکدیگر جمع می‌شوند . با این کار پلاستیک را سفت و محکم می‌کنند بدون اینکه توانایی آن برای قالب‌گیری به شکل‌های دائمی را از بین ببرند. (پلیمرهای یونی این نوع را آینومر می نامند.) آینومرهای اتیلن-اکریلیک اسید و اتیلن- متاکریلیک اسید شفاف، نیمه بلوری و غیر قابل نفوذ در برابر رطوبت هستند.

از آنها در قطعات خودرو ، کفش ، پوشش های سطحی و پشتی فرش استفاده می شود. یکی از برجسته‌ترین کوپلیمرهای اتیلن متاکریلیک اسید “Surlyn” است . دیگر کوپلیمرهای مهم اتیلن کوپلیمرهای اتیلن-پروپیلن هستند.

کاربرد پلی اتیلن در تولیدات (انواع  زانو، اسپیکات بلند، اتصال قابل پیاده، ژوئن)