پلی اتیلنها گروهی از خانوادۀ بزرگ تر پلی الفینها هستند، که به لحاظ تولید و مصرف در میان پلیمرها در بالاترین رتبه بوده و از پلیمریزاسیون مونومرهای خطی حاوی گروههای وینیلی تولید میشوند. سه نوع اصلی آنها عبارتند از:
۱- پلی اتیلن سنگین (HDPE)
۲- پلی اتیلن سبک خطی (LLDPE)
۳- پلی اتیلن سبک (LDPE)
تاریخچه: اولین محصول تجاری پلی اتیلن در سال ۱۹۴۰ از نفت خام یا گاز طبیعی تهیه شده است. این ماده ترموپلاستیک است که بسته به ساختار مولکولی از نوعی به نوع دیگر متفاوت است. در حقیقت، با تغییر وزن مولکولی (طول زنجیر)، تبلور (وضعیت زنجیر) و خواص شاخۀ آن (پیوند شیمیایی بین زنجیرهای مجاور) میتوان محصولات متنوعی تولید کرد. دمای انتقال شیشهای در حدود ۸۰- درجۀ سانتیگراد است و با توجه به درصد تبلور پلیمر تغییر میکند.
خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی انواع پلی اتیلنها: خواص پلی اتیلنها تا حد زیادی به یکدیگر وابستهاند و در جدول ۱ نشان داده شدهاند:
جدول ۱: خواص فیزیکی انواع پلی اتیلن ها
| خواص فیزیکی | HDPE | LLDPE | LDPE |
| شاخص/سرعت جریان مذاب MFI/MFR [gr/10Min] | ۰٫۲۵ تا ۲۰ | ۰٫۹ تا ۵۰ | ۰٫۲ تا ۳۰ |
| چگالی [gr/cm³] | ۰٫۹۴۵ تا ۰٫۹۶۰ | ۰٫۹۱۸ تا ۰٫۹۳۶ | ۰٫۹۱۷ تا ۰٫۹۲۲ |
| درصد کریستالیتی [%] | ۷۰ تا ۸۰ | ۳۵ تا ۶۰ | ۳۵ تا ۵۵ |
| جرم مولکولی × ۱۰۳ | ۹۶ تا ۵۰۰ | ۹۶ تا ۵۰۰ | ۲۸ تا ۸۷ |
| نفوذپذیری اکسیژن × ۱۰۱۶ [cm³.cm/cm2.s.Pa] | ۶۲۵ | ۱۹۲۰ | ۲۰۸۲ |
| نفوذپذیری رطوبت × ۱۰۱۱ [cm³.cm/cm2.s.Pa] | ۱٫۳۷ | ۴٫۰۶ | ۴٫۳۷ |
| دمای نرم شدگی [°C] | ۱۲۰٫۶ تا ۱۳۰ | ۸۶٫۱ تا ۱۲۰٫۶ | ۸۰٫۶ تا ۱۰۲٫۲ |
| دمای ذوب [°C] | ۱۳۴ | ۱۱۶ | ۱۱۳ |
| مقاومت شیمیایی | خوب | خوب | خوب |
همان طور که در جدول ۲ مشاهده میشود، خواص مکانیکی پلی اتیلنها با بالا رفتن میزان شاخهای شدن، کاهش مییابد:
جدول ۲: خواص مکانیکی انواع پلی اتیلن ها
| خواص مکانیکی | HDPE | LLDPE | LDPE |
| استحکام کششی نقطۀ تسلیم [Kg/cm²] | ۱۷۲٫۳ تا ۳۲۳٫۴ | ۷۵٫۹ تا ۲۱۸ | ۶۴٫۳ تا ۱۴۲ |
| ازدیاد طول در نقطۀ شکست [%] | ۴ تا ۱۰۰۰ | ۳۵۰ تا ۹۱۰ | ۸۷ تا ۷۱۰ |
| پایداری محیطی
|
۴۸ | بیش از ۱۰۰۰ | ۴٫۵ |
| سختی | ۵۹ تا ۷۱ | ۴۹ تا ۶۲ | ۴۰ تا ۵۶ |
| استحکام ضربه به روش Izod [kg.cm/cm] | ۰٫۱ تا ۵۱٫۷ | ۲۴٫۵ تا ۵۴٫۴ | ۳۵٫۹ تا ۴۴٫۶ |
در نهایت، مهم ترین خواص شیمیایی این پلیمرها عبارتند از:
– هیدروکربن غیر قطبی و اشباع با جرم مولکولی بالا دارای خواص شیمیایی مشابه پارافین
– شکل بلورین به دلیل تقارن ساختاری؛ افزایش چگالی و پایداری مکانیکی و شیمیایی با افزایش بلورینگی
– پایداری شیمیایی بالا
– حلالیت در هیدروکربنهای آروماتیک مانند تولوئن و زایلن یا حلالهای کلرینه مانند تری کلرواتان یا تری کلروبنزن در دمای بالاتر از دمای محیط
– عدم جذب آب
– نفوذپذیری کم گازهای قطبی و بخار آب و عبورپذیری بالای اکسیژن و دی اکسید کربن
– شکننده شدن در صورت قرار گرفتن در معرض تابش نور خورشید؛ استفاده از کربن بلک به عنوان پایدارکنندۀ اشعۀ ماوراء بنفش
– سوختن آرام با شعلۀ آبی و بوی پارافین
– چاپ پذیری تنها در صورت اصلاح
فرآیند تولید و فرآوری: از طریق استفاده از کاتالیست و تغییر 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 در آن ها را کنترل کرد. با استفاده از اکسترودر، فرآوری و شکل دهی پلیمرها انجام میگردد. قسمت های مختلف اکسترودر در شکل ۳ مشخص شدهاند:
انواع پلی اتیلن: یکی از مهمترین خواص پلی اتیلنها چگالی آن ها است که با توجه به آن، مطابق شکل ۴ طبقهبندی میشوند:
۱- با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE): پلی اتیلن خطی زنجیرههای خطی طولانی، مقاومت ضربه، سایش، سختی و شکست فشاری بالایی دارند و برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر سایش دارند به کار میرود. فرآیند پذیری این پلیمر گرمانرم دشوار است، و از آن برای ساخت فیبرهای بسیار قوی استفاده میکنند، تا بتواند جایگزین کولار (نوعی پلی آمید) در جلیقههای ضد گلوله شود. همچنین صفحات بزرگ آن را میتوان به عنوان جایگزین زمینهای اسکیت یخی استفاده کرد.
۲- با دانسیتۀ بالا (HDPE): پلی اتیلن خطی سخت تر از پلی اتیلن شاخهای است و استحکام کششی بالایی دارد، اما پلی اتیلن شاخهای آسانتر و ارزانتر ساخته میشود. پلیمریزاسیون این پلی اتیلن خطی در فشار و دماهای نسبتاً پائین انجام میگردد، و تنها اکسید کنندههای قوی به طور محسوس در محدوده دمایی مشخص به این پلیمر حمله خواهند کرد. خواص مکانیکی این ماده، استفاده از آن ها را در شکلهای بزرگ تر و کاربردهایی نظیر مواد ورقهای در داخل مخازن، به عنوان عایق کاری در ستونها گسترش داده است. در این ماده از جوش حرارتی میتوان استفاده کرد.
۳- با اتصالات عرضی (PEX یا XLPE): پلی اتیلن با اتصالات عرضی است که از طریق ایجاد پیوندهای عرضی در ساختار پلیمر، آن را گرماسخت کرده و چگالی آن را افزایش میدهند. خواص این پلیمر در دمای بالا افزایش یافته، جریان پذیری آن کاهش و مقاومت شیمیایی آن بهبود مییابد. PEX در لوله کشی آب آشامیدنی به کار میرود؛ به این صورت که با انبساط دهی میتوان آن را روی اتصالات فلزی کشید. با گذشت زمان و برگشت آن به حالت اولیه، یک اتصال دائمی ایجاد میشود. این پلیمر همچنین برای عایق بندی کابل الکتریکی با ولتاژ متوسط یا بالا، لولههای آب گرم و قطعات قالب گیری شده به کار میرود.
۴- متوسط (MDPE): این نوع پلی اتیلن مقاومت ضربۀ خوبی دارد و مقاومت تنش-کرنش آن بیش از نوع HDPE است. این پلیمر بالاترین مقاومت شیمی را دارد و به طور معمول در لوله های گاز و اتصالات، بسته بندی، کیسههای حامل و دربهای بطری استفاده میگردد.
۵- سبک خطی (LLDPE): این پلیمر از طریق کوپلیمریزاسیون مونومر اتیلن با α-اولفینهای کوتاه زنجیر مانند ۱-بوتن یا ۱-هگزن با ۱-اوکتن، کوپلیمری با شاخههای هیدروکربن کوتاه به دست میآید و از آن اغلب برای ساخت اشیایی شبیه فیلمهای پلاستیکی (کیسه فریزر) استفاده میکنند. مقاومت کششی، ضربه و سوراخ شدگی آن بیشتر از نوع LDPE است و در مقایسه با آن، امکان ساخت فیلم دمشی با ضخامت کمتر با مقاومت تنش-شکست محیطی بهتر وجود دارد اما فرآوری آن آسان نیست.
۶- سبک با دانسیتۀ پایین (LDPE): در این نوع پلی اتیلن مولکولهای اتیلن به شکل تصادفی به یکدیگر متصل میشوند و شکل بسیار نامنظمی را ایجاد میکنند. تولید آن تحت فشار و دمای بالا و اغلب با استفاده از پلیمریزاسیون رادیکالهای آزاد وینیلی و پلیمریزاسیون زیگلر-ناتا است. LDPE دارای سختی، مقاومت فشاری، شفافیت، انعطاف پذیری و خاصیت انبساط پذیری است؛ از این رو برای لوله کشی و بستهبندیها استفاده میشود. مقاومت شیمیایی آن به اندازۀ HDPE و پلی پروپیلن نیست، اما در مقابل بسیاری از اسیدهای معدنی (HCl و HF) و قلیاها (NH4OH، KOH و NaOH) مقاوم بوده اما باید از تماس آن با آلکان ها، هیدروکربن های آروماتیک، هیدروکربنهای کلرینه و اکسیدکنندههای قوی (HNO3) اجتناب کرد. اتصال قسمتهای مختلف از جنس پلی اتیلن با استفاده از جوش ذوبی انجام میگردد. به این ترتیب، انجام لوله کشی به این شکل ارزان بوده و نسبت به دیگر مواد موجود، برای خطوط آب و فاضلاب و دیگر سرویسهایی که در معرض فشارها و یا درجه حرارت های بالا قرار نمیگیرند، بهترین انتخاب است.
۷- خیلی سبک (VLDPE): پلی اتیلن با ساختار خطی دارای سطوح بالای شاخههای کوتاه-زنجیره را پلی اتیلن VLDPE میگویند. این پلیمر از طریق کوپلیمریزاسیون اتیلن با α-اولفین های کوتاه زنجیره یا بهره گیری از کاتالیستهای متالوسنی تولید میگردد و در تولید شلنگ و لوله، کیسههای یخ و مواد غذایی یخ زده، بسته بندی مواد غذایی و همچنین اصلاح کنندههای ضربه (از طریق ترکیب با پلیمرهای دیگر) استفاده میشود.