پلی اتیلن چیست؟ | بررسی ساختار، کاربرد و مزایا

پلی اتیلن چیست؟ PE، رزین مصنوعی سبک و همه‌کاره ساخته شده از پلیمریزاسیون اتیلن است. این ماده عضوی از خانواده مهم رزین‌های پلی اولفین است. در واقع پلاستیک پلی اتیلن پرکاربردترین پلاستیک در جهان است. پلی اتیلن در بسته‌بندی مواد غذایی شفاف و کیسه‌های خرید تا بطری‌های مواد شوینده و مخازن سوخت خودرو استفاده می‌شود. این ماده جادویی را می‌توان برش داد، به الیاف مصنوعی تبدیل کرد، یا با اصلاح به آن خاصیت کشسانی لاستیکی بخشید. محصولاتی مانند شیرینگ پلی اتیلن یا استرچ پلی اتیلن از پرفروش‌ترین محصولات ساخته شده با این ماده هستند. در ادامه مقاله بیشتر با این رزین آشنا خواهید شد.

ترکیب شیمیایی و ساختار مولکولی پلی اتیلن

اتیلن (C2H4) یک هیدروکربن گازی است که معمولاً از شکستن اتان تولید می‌شود. این ماده یکی از اجزای اصلی گاز طبیعی است یا می‌تواند از نفت تقطیر شود. مولکول‌های اتیلن اساساً از دو واحد متیلن (CH2) تشکیل شده‌اند که توسط یک پیوند دوگانه بین اتم‌های کربن به هم مرتبط شده‌اند؛ ساختاری که با فرمول CH2=CH2 نشان داده می‌شود.

تحت‌تأثیر کاتالیزورهای پلیمریزاسیون، پیوند دوگانه آن می‌تواند شکسته شود و پیوند منفرد اضافی حاصل برای پیوند به اتم کربن در مولکول اتیلن دیگر استفاده شود. اتیلن که به واحد تکرارشونده یک مولکول بزرگ پلیمری (چند واحدی) تبدیل شده است، ساختار شیمیایی زیر را دارد:

این ساختار ساده که هزاران بار در یک مولکول تکرار شده است، کلید خواص پلی اتیلن است. مولکول‌های بلند و زنجیره مانند که در آن اتم‌های هیدروژن به زنجیره کربن متصل می‌شوند، می‌توانند به‌صورت خطی یا شاخه‌ای تولید شوند. مدل‌های شاخه‌ای به‌عنوان پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE) یا پلی اتیلن با چگالی کم خطی (LLDPE) شناخته می‌شوند. نمونه‌های خطی به‌عنوان پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) و پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق‌العاده بالا (UHMWPE) معروف هستند.

ترکیب پلی اتیلن پایه را با گنجاندن سایر عناصر یا گروه‌های شیمیایی می‌توان اصلاح کرد، مانند پلی اتیلن کلردار و کلرو سولفونه. علاوه بر این، اتیلن را می‌توان با مونومرهای دیگر مانند وینیل استات یا پروپیلن برای تولید تعدادی کوپلیمر اتیلن کوپلیمر کرد. در ادامه تمامی این مواد را، بررسی می‌کنیم.

پلی اتیلن را چه کسی اختراع کرد؟

پیش از اینکه به سوال “انواع پلی اتیلین چیست؟” بپردازیم، ابتدا تاریخ اختراع آن را مرور می‌کنیم. این ماده اولین‌بار در سال 1933 در انگلستان توسط Imperial Chemical Industries Ltd. (ICI) در طی مطالعاتی که در مورد اثرات فشارهای بسیار بالا بر پلیمریزاسیون پلی اتیلن انجام گرفت، تولید شد. ICI در سال 1937 یک حق اختراع در مورد فرایند خود اعطا کرد و در سال 1939 تولید تجاری را آغاز کرد. پلی اتیلن کم‌چگالی اولین‌بار در طول جنگ جهانی دوم به‌عنوان عایق برای کابل‌های رادار استفاده شد. عکس ICI را در ادامه مشاهده می‌کنید.

در سال 1930 کارل شیپ مارول، شیمیدان آمریکایی در E.I. du Pont de Nemours & Company (در حال حاضر شرکت DuPont)، یک ماده با چگالی بالا کشف کرد، اما شرکت نتوانست پتانسیل‌های محصول را تشخیص دهد. در نتیجه به کارل زیگلر از مؤسسه تحقیقات زغال‌سنگ ماکس پلانک در Mülheim an der Ruhr، W.Ger واگذار شد. (در حال حاضر آلمان)، از اعتبار برای اختراع HDPE خطی که زیگلر در واقع با Erhard Holzkamp در سال 1953 تولید کرد، سود می‌برد.

زیگلر واکنش را در فشار کم با یک ترکیب آلی فلزی کاتالیز کرد. فرایند بعدها توسط شیمیدان ایتالیایی جولیو ناتا بهبود یافت و این ترکیبات اکنون به‌عنوان کاتالیزورهای زیگلر-ناتا شناخته می‌شوند. در بخشی از این نوآوری، زیگلر در سال 1963 جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد. از آن زمان، دانشمندان با استفاده از کاتالیزورهای مختلف و روش‌های 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

1- پلی اتیلن کم‌چگالی

LDPE از اتیلن گازی تحت‌فشارهای بسیار بالا (تا حدود 350 مگاپاسکال یا 50000 پوند بر اینچ مربع) و دماهای بالا (تا حدود 350 درجه سانتیگراد [660 درجه فارنهایت]) در حضور آغازگرهای اکسید تهیه می‌شود. این فرایندها یک ساختار پلیمری با شاخه‌های بلند و کوتاه ایجاد می‌کنند. ازآنجایی‌که شاخه‌ها مانع از بسته‌شدن مولکول‌های پلی اتیلن در آرایش‌های سخت، سفت و کریستالی می‌شوند، LDPE یک ماده بسیار انعطاف‌پذیر است. نقطه ذوب آن تقریباً 110 درجه سانتیگراد (230 درجه فارنهایت) است. مصارف اصلی آن در فیلم‌های بسته‌بندی، کیسه‌های زباله و مواد غذایی، مالچ کشاورزی، عایق سیم و کابل، بطری‌های فشاری، اسباب‌بازی‌ها و لوازم‌خانگی است. کد بازیافت پلاستیک LDPE #4 یا (04) است.

2- پلی اتیلن با چگالی کم خطی

LLDPE از نظر ساختاری مشابه LDPE است. از کو پلیمریزاسیون اتیلن با 1-butene (بوتن) و مقادیر کمتر 1-hexene (هگزن) و 1-octene (اکتن) با استفاده از کاتالیزورهای Ziegler-Natta یا متالوسن ساخته می‌شود. ساختار حاصل دارای یک بدنه خطی است، اما دارای شاخه‌های کوتاه و یکنواختی است که مانند شاخه‌های بلندتر LDPE، از بسته‌شدن زنجیره‌های پلیمری به یکدیگر جلوگیری می‌کند.

به‌طورکلی، LLDPE دارای خواص مشابه با LDPE است و در بازارهای مشابه به کار می‌رود. 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 این پلاستیک نیز 04 است.

3- پلی اتیلن با چگالی بالا

HDPE در دماها و فشارهای پایین با استفاده از کاتالیزورهای Ziegler-Natta و متالوسن یا اکسید کروم فعال (معروف به کاتالیزور فیلیپس) تولید می‌شود. فقدان شاخه‌ها در ساختار آن به زنجیره‌های پلیمری اجازه می‌دهد تا نزدیک به هم بسته شوند و در نتیجه یک ماده متراکم و بسیار کریستالی با استحکام بالا و سفتی متوسط ایجاد شود.

با نقطه ذوب بیش از 20 درجه سانتیگراد (36 درجه فارنهایت) بالاتر از LDPE، می‌تواند به‌صورت مکرر تا 120 درجه سانتیگراد (250 درجه فارنهایت) مقاومت کند تا بتوان آن را استریل کرد. محصولات شامل قالب‌گیری دمشی برای شیر و پاک‌کننده‌های خانگی است. کیسه‌های مواد غذایی با ضربه اکسترود شده، فیلم ساختمانی و مالچ کشاورزی و سطل‌ها، کلاهک‌ها، محفظه‌های لوازم‌خانگی و اسباب‌بازی‌های قالب‌گیری تزریقی از HDPE عموماً تولید می‌شوند. شماره کد بازیافت پلاستیک (02) HDPE #2 است.

4- پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق‌العاده بالا

پلی اتیلن خطی را می‌توان در نسخه‌های با وزن مولکولی فوق‌العاده بالا، یعنی وزن مولکولی 3000000 تا 6000000 واحد اتمی در مقابل 500000 واحد اتمی برای HDPE تولید کرد. این پلیمرها را می‌توان به‌صورت الیاف چرخانده و سپس کشیده و به حالت بسیار کریستالی تبدیل کرد که در نتیجه سفتی بالا و استحکام کششی چندین برابر فولاد ایجاد می‌شود. نخ‌های ساخته شده از این الیاف به شکل لباس‌های ضدگلوله بافته می‌شوند. کاربردهای عمرانی حاوی الیاف UHMWPE عبارت‌اند از: دستکش‌های مقاوم در برابر برش، تجهیزات کوهنوردی، وینچینگ خودرو، ماهیگیری، ساخت تفنگ، بادبان‌های با کارایی بالا، چترهای ورزشی و پاراگلایدر و تجهیزات قایق‌رانی.

کوپلیمرهای اتیلن

اتیلن را می‌توان با تعدادی از ترکیبات دیگر کو پلیمریزه کرد. به‌عنوان‌مثال، کوپلیمر اتیلن – وینیل استات (EVA)، با کو پلیمریزاسیون اتیلن و وینیل استات تحت‌فشار، با استفاده از کاتالیزورهای رادیکال آزاد تولید می‌شود. گریدهای مختلفی تولید می‌شود 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 کمتر و شفافیت بیشتری دارند و مقاومت بهتری در برابر روغن و گریس از خود نشان می‌دهند. موارد استفاده اصلی آنها در فیلم بسته‌بندی، چسب، اسباب‌بازی، لوله، واشر، پوشش سیم و پشت فرش است.

کوپلیمرهای اتیلن اکریلیک اسید و اتیلن متاکریلیک اسید با پلیمریزاسیون سوسپانسیون یا امولسیون با استفاده از کاتالیزورهای رادیکال آزاد تهیه می‌شوند. واحدهای تکرارکننده اسید اکریلیک و متاکریلیک اسید که 5 تا 20 درصد کوپلیمرها را تشکیل می‌دهند دارای ساختارهای زیر هستند:

گروه‌های کربوکسیل اسیدی (CO2H) در این واحدها با بازها خنثی می‌شوند تا گروه‌های یونی بسیار قطبی که در امتداد زنجیره‌های پلی‌اتیلن توزیع شده‌اند، تشکیل شوند. این گروه‌ها که توسط بار الکتریکی خود به هم کشیده شده‌اند، در «ریز دامنه‌ها» با هم جمع می‌شوند و پلاستیک را سفت و محکم می‌کنند، بدون اینکه توانایی آن برای قالب‌گیری به شکل‌های دائمی را از بین ببرند. (پلیمرهای یونی از این نوع را آینومر می‌نامند). یونومرهای (یونپار) اتیلن اکریلیک اسید و اتیلن متاکریلیک اسید شفاف، نیمه بلوری و غیرقابل‌نفوذ در برابر رطوبت هستند. یکی از برجسته‌ترین کوپلیمرهای اتیلن متاکریلیک اسید (Surlyn) است که از پوشش‌های سخت و مقاوم در برابر سایش برای توپ گلف ساخته می‌شود. دیگر کوپلیمرهای مهم اتیلن کوپلیمرهای اتیلن-پروپیلن هستند.

پلی الفین

هر دسته از رزین‌های مصنوعی از پلیمریزاسیون الفین‌ها تهیه می‌شود. الفین‌ها، هیدروکربن‌های (ترکیبات حاوی هیدروژن [H] و کربن [C]) هستند که مولکول‌های آنها حاوی یک جفت اتم کربن است و توسط یک پیوند دوگانه به یکدیگر متصل شده‌اند. آنها اغلب از گاز طبیعی یا از ترکیبات با وزن مولکولی کم نفت به دست می‌آیند و برجسته‌ترین اعضای آنها اتیلن و پروپیلن هستند. «اولفین‌های سبک» یعنی الفین‌هایی که مولکول‌هایشان فقط یک جفت اتم کربن دارند. «الفین‌های سنگین» که حاوی دو یا چند جفت اتم کربن در هر مولکول هستند، شامل بوتن (بوتیلن) ​​و متیل پنتن هستند.

همه این الفین‌ها به پلیمر تبدیل می‌شوند، اما مهم‌ترین آنها پلی اتیلن و پلی‌پروپیلن هستند. طیف گسترده‌ای از کاربردهایی که این پلاستیک‌های همه‌کاره را می‌توان به کار برد و مقادیر عظیمی که در آنها ساخته می‌شوند. الفین‌های سبک معمولاً با فرمول شیمیایی CH2=CHR نشان داده می‌شوند که R در مورد اتیلن نشان‌دهنده هیدروژن و در مورد پروپیلن یک گروه متیل آویز (CH3) است.

وجود پیوند دوگانه کلید پلیمریزاسیون این دو هیدروکربن است. تحت‌تأثیر کاتالیزورهای شیمیایی و معمولاً در اثر گرما و فشار، پیوند دوگانه باز و یکی از دو پیوند منفرد حاصل برای پیوند یک مولکول به مولکول دیگر استفاده می‌شود.

این ساختار ساده که هزاران یا حتی میلیون‌ها بار تکرار شده است، مولکول‌های بلند و زنجیره‌ای با وزن مولکولی متفاوت، با یا بدون شاخه‌های جانبی متصل به دست می‌دهد که آرایش‌های نیمه‌ کریستالی بی‌شکل یا کاملاً منظم از خود نشان می‌دهند. پلی‌الفین‌ها مواد سبک‌وزن، انعطاف‌پذیر و ترموپلاستیک هستند که می‌توانند به‌صورت فیلم‌ها و ورق‌های شفاف، بطری‌ها و ظروف قوی و انعطاف‌پذیر، الیاف فرش مقاوم در برابر آب و بسیاری از محصولات دیگر ساخته شوند.

پلی اتیلن اولین‌بار به‌عنوان یک محصول تجاری در اواخر دهه 1930 ساخته شد، اما پلی‌الفین‌ها تا دهه 1950 پس از اینکه کارل زیگلر آلمانی و جولیو ناتا از ایتالیا یک سری کاتالیزور را (که اکنون به نام کاتالیزور زیگلر-ناتا شناخته می‌شوند) نساختند، شروع به رشد نکردند. این ماده امکان ساخت پلیمرها را با مشخصات دقیق و با هزینه کم فراهم می‌کند. سالانه ده‌ها میلیون تن از آن در جهان تولید می‌شود.

لیست منابع:

• Wikipedia
• https://www.britannica.com/science/polyethylene