• پلی اتیلن hdpe از لحاظ ساختاری، یک ماده پلیمری فاقد شاخه جانبی است و از لحاظ شکل ظاهری، مات و شفاف است. دوام و استحکام بسیار بالای پلی اتیلن hdpe موجب شده، از آن برای ساخت انواع بطری‌های پلاستیکی، بطری‌های شیر و موادغذایی، بطری‌های موادآرایشی و بهداشتی مانند شامپوها و … استفاده می‌شود.

پلی اتیلن چیست و چه موادی حاوی پلی اتیلن هستند؟

هر ساله چیزی حدود ۸۰ میلیون تن پلی اتیلن ساخته می شود. پلی اتیلن یک پلیمر معدنی است که از ترکیب مونومرهای مختلفی حاصل شده است و به طور کلی بیش از ۶۰ درصد گاز اتان تولیدی صرف ساخت ترکیبات پلی اتیلنی می شود.

ساختار شیمیایی پلی اتیلن چگونه است؟

همان گونه که پیش از این گفته شد، پلی اتیلن نوعی پلیمر است که از ترکیب کربن و هیدروژن ساخته شده است و در واقع مولکولی حاصل از آرایش زنجیره های مختلف هیدروکربنی است که با پیوندهای مختلف به هم متصل شده اند و تشکیل یک پلیمر داده اند. پلیمر ها مولکولی های بزرگی هستند که از بهم پیوستن زنجیره های متعدد و تکراری مونومرها به وجود می آیند. پلی اتیلن از ترکیب و پلی مریزاسیون مونومرهایی به نام اتیلن (مولکول گازی با ترکیب C₂H₄) ایجاد می شود. در شکل زیر می توانید ساختار یک مونومر اتیلن را مشاهده کنید.

زنجیره های مونومری تشکیل دهنده مولکول های پلی اتیلن بسیار بزرگ و طویل می باشند. برای مثال برخی زنجیره های پلی اتیلنی می توانند شامل چیزی بیش از ۵۰۰ واحد مونومری اتیلنی باشند. با کاتالیست و پلی مریزاسیون مولکول های پلی اتیلن می توان بسیاری از ویژگی های ساختاری آن را تحت تاثیر قرار داد و بدین ترتیب آن را برای مصارف مختلف استانداردسازی نمود. برای مثال از زنجیره های پلی اتیلنی با وزن مولکولی پایین می توان به عنوان روان کننده ها و روغن های مختلف استفاده کرد. زنجیره های پلی اتیلنی با وزن مولکولی متوسط برای ساخت ترکیبات مخلوط پذیر مانند انواع واکس ها و ترکیبات پارافینی مناسب هستند و زنجیره های پلی اتیلنی با وزن های مولکولی بالاتر از ۶۰۰۰ در صنایع پلاستیک سازی مورد استفاده قرار می گیرند و بسته به وزن مولکولی تعیین شده می توانند در ساخت پلاستیک هایی نازک مانند کیسه های نایلونی تا ترکیبات بسیار سخت و فشرده مانند لوله ها و مخازن پلی اتیلنی استفاده شوند.

ویژگی های فیزیکی پلی اتیلن ها

چگالی مولکول های پلی اتیلن بین ۰٫۹۱۰ تا ۰٫۹۶۵ قابلیت تغییر داشته و تغییرات چگالی در حدود ۰٫۰۰۳ می تواند تغییرات بسیار چشمگیری در ویژگی های ساختاری پلی اتلین ها ایجاد کند. با افزایش چگالی پلی اتلین ها برای تغییراتی مانند شکنندگی، خم شدگی، کشش ساختاری و پارگی مناسب می شوند.

نقطه ذوب مولکول های پلی اتیلن

پیش از این در رابطه با نقش نقطه ذوب پلی اتیلن ها در کاربردی کردن آن ها برای صنعت صحبت کردیم. به طور کلی با افزایش دما و نزدیک شدن به نقطه ذوب، مولکول های پلی اتیلن نسبت به پارگی، نرم شدگی و استحکام کششی مقاومت کمتری پیدا می کنند.

وزن مولکولی پلی اتیلن ها

  وزن مولکولی پلی اتیلن ها می تواند تغییرات چشمگیری را متحمل شود. مولکول های پلی اتیلنی با وزن های مولکولی مختلف می توانند ساختارهای فیزیکی مختلفی از مایع تا جامد را بروز دهند.

مزیت ساختاری مولکول های پلی اتیلن

پلی اتیلن ها در برابر پلی مریزاسیون بسیار انعطاف پذیر بوده و ویژگی های ساختاری آن ها مانند چگالی، نقطه ذوب و انجماد، وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی به راحتی می توانند تحت کنترل درآیند. مجموع این ویژگی ها به پلی اتلین ها خاصیت ترموپلاستیکی بالقوه ای می دهد و باعث می شود پلی اتیلن ها در مقابل تغییرات دمایی به راحتی تغییر شکل داده و طیف های مختلف شکل پذیری از مایع تا کاملا سخت و جامد را به خود گیرند.

این ترکیبات می توانند در دمای نقطه ذوب خود (۱۱۰ تا ۱۳۰ درجه سانتیگراد) به جای سوختن به حالت مایع درآمده و با بازگشت به نقطه انجماد خود به صورت جامد تغییر شکل دهند. این خاصیت ترموپلاستیکی باعث می شود پلی اتیلن ها در برابر تغییرات دمایی پی در پی (گرم شدن، سرد شدن و مجدد گرم شدن) بسیار مقاوم بوده و هیچگونه ضعف و از هم گسیختگی نشان ندهند و بنابراین به خوبی می توانند شکل های مختلف را به خود گرفته و برای ساخت ترکیبات مختلف با شکل های مختلف به کار روند. از طرف دیگر خاصیت ترموپلاستیک بودن پلی اتیلن ها باعث می شود این ترکیبات کاندیدهای مناسبی برای قرار گرفتن در چرخه های بازیافت باشند و بارها و بارها مورد استفاده قرار گیرند.

انواع پلی اتیلن ها

 پلی اتیلن ها به طور کلی بر اساس ویژگی های ساختاری مانند چگالی، وزن مولکولی و … به انواع مختلف تقسیم بندی می شوند. پلی اتیلن‌ها بر اساس میزان چگالی،به چهار نوع پلی اتیلن با چگالی کم  (LDPE)، پلی اتیلن با چگالی کم خطی (LLDPE)، پلی اتیلن با چگالی متوسط (MDPE)  و پلی اتیلن با چگالی بالا  (HDPE) تقسیم می‌شوند. در ادامه می توانید با ویژگی های ساختاری و کاربرد انواع پلی اتیلن ها به تفکیک آشنا شوید:

• HDPE (پلی اتلین های با چگالی بالا): این نوع پلی اتیلن دارای استحکام و چگالی بالایی بوده و ساختار کریستالین بالایی دارد. این نوع پلی اتیلن در دمای ۱۳۵ درجه سانتیگراد ذوب می شود. از این نوع پلی اتیلن برای ساخت پاکت های لبنیاتی، بسته های شوینده ها، سطل های زباله و … استفاده می شود.
• LDPE (پلی اتیلن های با چگالی پایین): این پلی اتیلن در دمای ۱۱۵ درجه سانتیگراد ذوب می شود. در این نوع پلی اتیلن مولکول های اتیلن به صورت تصادفی به هم متصل شده و ساختار نامنظمی را ایجاد می کنند که باعث انعطاف پذیری بالای این نوع پلی اتیلن و مشتقات حاصل از آن می شود. این ویژگی باعث می شود برای ساخت وسایلی مانند ساک های خرید بسیار مناسب باشد.
• LLDPE (پلی اتیلن های سبک خطی): زمانی که در ساختار پلی اتیلن شاخه های جانبی وجود نداشته باشد به آن پلی اتیلن خطی می گویند. این نوع پلی اتیلن شباهت بسیار زیادی به پلی اتیلن نوع سبک داشته با این تفاوت که نسبت به پلی اتیلن های سبک زنجیره ساخت آسان تر و ارزان تری دارد و به میزان انرژی کمتری نیاز دارد.
• UHMWPE (پلی اتیلن های با وزن مولکولی بالا): پلی اتیلن هایی با وزن مولکولی بین ۳ تا ۶ میلیون را در دسته پلی اتیلن های با وزن مولکولی بالا قرار می دهند. این نوع پلی اتیلن ها از پلی مریزاسیون متالوسن تولید می شوند. این ماده دارای درجه نفوذپذیری بسیار بالایی بوده و بنابراین برای ساخت لباس هایی مانند جلیقه های ضد گلوله، لباس های آتش نشانی، لباس های آزمایشگاهی مخصوص کار با پرتوهای مضر بسیار مناسب می باشد.

از سایر گروه های پلی اتیلنی می توان COPOLYMERS ها (کوپلیمرهای اتیلنی)، PERT ها (پلی اتیلن های مقاوم به گرما)، VLDPE ها (پلی اتیلن های خیلی سبک) و … را نام برد

چگونگی تولید پلی اتیلن

پلی اتیلن از تقطیر سوخت هیدورکربن حاصل می شود. به طور کلی پلی اتیلن های مختلف به روش های مختلفی همراه با پلی مریزاسیون اتن حاصل می شوند. اتن نیز در مرحله اول از تخلیص اتان، پروپان و سایر مشتقات نفتی حاصل می شود. اتن هم چنین می تواند به صورت سوخت های زیستی به نام بیواتانول از گیاهان مختلف حاوی قند بالا مانند سورگوم بدست آید. به همین ترتیب به پلی اتیلنی که از سوخت های زیستی حاصل می شود پلی اتیلن های زیست محور می گویند که از نقطه نظر زیست محیطی دارای اهمیت می باشند. چرا که از سوختن آن ها آب بدست آمده و بنابراین منجر به آلودگی های زیست محیطی حاصل از سوزاندن نفت و مشتقات آن نمی شوند. در ادامه با نحوه ساخت انواع پلی اتیلن ها آشنا خواهید شد.

نحوه ساخت پلی اتیلن های سبک:

تولید پلی اتیلن های سبک تحت فشار بسیار بالایی انجام می شود (۱۰۰۰ تا ۳۰۰۰ اتمسفر) و در دمای متوسطی بین ۴۲۰ تا ۵۷۰ درجه کلوین. این پروسه در واقع یک پروسه پلی مریزاسیون همراه با رادیکال های آزاد است و در آن از مقادیر کمی اکسیژن و یا ترکیبات پراکسیدی استفاده می شود. طی این پروسه اتن با درجه خلوص ۹۹ درصد فشرده شده و به درون راکتوری وارد می شود. مولتن موجود در اتن از آن خارج شده و به گرانول های کوچکی تجزیه می شود. متوسط تعداد مولکول های پلی مری حاصل از این پروسه ۴۰۰۰ کربن را شامل شده و حدود ۱۰۰۰ شاخه کربنی منشعب نیز از آن حاصل می شود. میزان این انشعابات و بزرگی کل زنجیره ساختار فیزیکی پلی اتیلن را تعیین می کند و بر چگالی نهایی آن تاثیر می گذارد. پلی اتلن حاصل از این روش به طور معمول حدود ۵۰ درصد شفافیت داشته است.

نحوه ساخت پلی اتیلن های با چگالی بالا (HDPEها):

برای تولید این نوع پلی اتیلن ها معمولا از دو نوع کاتالیست استفاده می شود:

• کاتالیست های نوع زیگلر ناتا (ZIEGLER-NATTA): که حاوی ترکیبات تیتانیوم به همراه آلکیل های آلومینیوم هستند.
• کاتالیست های فیلیپ (PHILLIPS-TYPE-CATALYST): که معروف ترین آن ها اکسید کروم روی سیلیکا هستند که از اکسید کردن کروم در دمای ۱۰۰۰ درجه کلوین در اکسیژن بدست می آیند و سپس قبل از استفاده در نیتروژن نگه داری می شوند.

پلی اتیلن های سنگین تحت فشارهای نسبتا پایین تولید می شوند (۱۰ تا ۸۰ اتمسفر) و در حضور زیگلر ناتا یا سایر کاتالیست های آلی. برای تولید پلی اتیلن های سنگین به دمای بین ۳۵۰ تا ۴۲۰ درجه کلوین نیاز است. و در همه انواع پروسه های تولید هیدروژن با اتن ترکیب شده تا طول زنجیره های پلی مری را تعیین کنند.

پودر حاصل از این واکنش پس از خارج شدن از راکتور خالص سازی شده و به صورت گرانول های کوچکی انبار می شود. این پروسه منجر به تولید پلی مر های خطی با تعداد اندکی زنجیره های فرعی در ساختار می شود که موجب به وجود آمدن پیوندهای بین مولکولی بسیار قوی بین مولکول های مونومری اتن شده و پلی اتیلنی ایجاد می کند که بسیار سخت تر، چگال تر و شکننده تر از نوع سبک است.

نحوه تولید پلی اتیلن های خطی سبک (LLDPE):

پلی اتلین های سبک دارای موارد استفاده بی شماری هستند اما فشار بالای مورد نیاز برای ساخت این پلی اتلین ها انرژی و هزینه ساخت آن ها را بسیار زیاد می کند. با این حال با به کارگیری کاتالیست های زیگلار ناتا و سایر کاتالیست های آلی می توان پلی اتیلن هایی تولید کرد که دارای چگالی کم و ساختار خطی باشند. از آنجا که در این نوع پروسه مولکول های مونومری به صورت تصادفی پلی مریزه می شوند و انشعابات کمی ایجاد می شود ساختار حاصل در زنجیره ها شکل خطی به خود می گیرد. در نهایت ساختار حاصل از این نوع پلی مریزاسیون خطی بوده اما به دلیل وجود انشعابات کم و یا انشعابات دارای طول کم ساختار کل چگالی کمی از خود نشان می دهد. این ساختار بدست آمده در کل ویژگی هایی مانند مقاومت در برابر پارگی و از هم گسیختگی و انعطاف مناسب به پلی اتلین بدست آمده می دهد و آن را یک ماده اولیه بسیار مناسب برای ساخت فیلم ها می کند. میزان این انعطاف را می توان با تغییر مقادیر اتن و کومونومرهای موجود در آن تا حد زیادی کنترل کرد و تغییر داد.

نحوه تولید پلی اتیلن های با وزن مولکولی بالا (UHMWPE):

این نوع پلی اتیلن ها با استفاده از نوع خاصی از کاتالیست ها به نام متالوسن ها ساخته می شوند. به کاتالیست های متالوسن کاتالیست های تک جایگاهه نیز گفته می شود. مزیت به کارگیری این نوع کاتالیست ها این است که پلی اتلین های حاصل از به کارگیری آن ها به مقادیر بیشتری یک پارچه بوده و ساختار مولکولی با ثبات بالاتری در مقایسه با پلی اتیلن های حاصل از به کار گیری کاتالیست های زیگلر ناتا دارند. در این روش هر کاتالیست دارای یک جایگاه منفرد بوده و بنابراین هرکدام زنجیره هیدروکربنی مشابهی با ساختار مشابه تولید می کنند. پلی اتلین های ساخته شده با این روش می توانند به عنوان فیلم های بسیار نازک استفاده شوند و دارای خاصیت تخلخل بسیار پایین هستند و بنابراین برای بسته بندی موادغذایی و به خصوص مایعات بسیار مناسب خواهند بود.

موارد استفاده پلی اتیلن ها:

پلی اتیلن دارای موارد استفاده بسیار متنوع و مختلفی بر مبنای انواع و اقسام ساختاری آن است. پلی اتیلن مهم ترین منبع ساخت انواع پلاستیک ها در دنیا است و صدها میلیون تن از این ماده هر ساله برای تولید انواع و اقسام پلاستیک ها مصرف می شود.  به طور کلی پلی اتیلن های با درجه چگالی بالا (HDPEها) دارای سختی بیشتری بوده و به همین جهت در امور ساخت و ساز مورد استفاده قرار می گیرند. برای مثال این پلی اتلین ها منابع بسیار مناسبی برای ساخت لوله های آب و فاضلاب و مخازن آب پلی اتیلنی هستند. پلی اتیلن های سبک معمولا در ساخت پلاستیک هایی برای بسته بندی مانند کیسه های نایلونی و ساک های خرید مورد استفاده واقع می شوند. پلی اتلین های UHMW در ساخت تحهیزات پزشکی و یا لباس های حریق و ضدگلوله کاربرد فراوان داشته و به علت نفوذ ناپذیری بالایی که دارند معمولا امنیت زیادی برای مصرف کنندگان به همراه دارند.

آیا پلی اتیلن خطرناک است؟

  در حالت جامد پلی اتیلن هیچ گونه خطرزایی و خاصیت سمی ندارد. در حقیقت پلی اتیلن در بسیاری از موارد برای نگه داری و بسته بندی مواد غذایی و حتی ساخت ترکیبات آرایشی بهداشتی به کار می رود. پلی اتیلن زمانی می تواند خطرناک باشد که ترکیبات آن تنفس شود. به همین منظور از آتش زدن ترکیبات پلی اتیلنی و پلاستیکی جدا خودداری کنید. دود حاصل از سوختن ترکیبات پلاستیکی و پلی اتیلنی می تواند سرطانزا باشد.

مزایا و معایب پلی اتیلن ها چیست؟

   یکی از اصلی ترین معایب پلی اتیلن ها این است که بسیار گران تر از پلی پروپیلن ها (ترکیباتی که می توانند موارد استفاده مشابه با پلی اتیلن ها داشته باشند) هستند و در این زمینه می توانند انتخاب دوم بعد از پلی پروپیلن ها به شمار روند.

تاریخچه ساخت و کشف پلی اتیلن ها

کلمه پلی اتیلن یک کلمه با ریشه یونانی بوده و از ترکیب دو قسمت پلی به معنای چند و اتیلن اشاره کننده به واحد ساختاری زنجیره هیدروکربنی آن دارد و در کل به معنای زنجیره های هیدروکربنی متعددی است که به یک دیگر متصل شده اند. در بعضی موارد پلی اتیلن را مترادف با پلاستیک به کار می برند در صورتی که چنین نام گذاری اشتباه می باشد. به این دلیل که پلاستیک ها می توانند از ترکیبات مختلفی ساخته شوند و پلی اتیلن ها یکی از ترکیباتی هستند که درساخت پلاستیک ها به وفور استفاده می شوند. از طرف دیگر پلی اتیلن ها علاوه بر ساخت پلاستیک ها در ساخت بسیاری دیگر از محصولات و تجهیزات نیز کاربرد دارند و بنا بر این به کار بردن نام پلاستیک صرفا به عنوان یک مترادف برای پلی اتیلن ها اشتباه است. در تاریخ ۲۷ مارس ۱۹۳۳، دو شیمی دان متخصص روی زمینه شیمی آلی که برای آزمایشگاه تحقیقات صنایع شیمیایی امپریال کار میکردند، مواد شیمیایی مختلف را آزمایش کردند. شاید در آن زمان برای خود R.O Gibson و E.W. Fawcett نیز تعجب آور بود که مواد سفید کننده و مومی که آزمایش می کردند، تبدیل به یک ماده انقلابی شود که جهان را تغییر دهد. این دو محقق در واقع یک واکنش بین اتیلن و بنزالدئید را در یک اتوکلاو انجام دادند. به نظر می رسد ظرف آزمایشی که آنها برای استفاده انتخاب کرده بودند دارای نشتی بود و تمام فشارها از آن محیط فرار می کردند و بدین ترتیب ماده ای سفید و مومی به وجود می آمد که بسیار شبیه پلاستیک امروزی بود. با دقت بیشتر و تکرار و تجزیه و تحلیل آزمایش، این دو محقق کشف کردند که از دست دادن فشار ناشی از نشت دلیل ایجاد این ماده است. در واقع این دو محقق به صورت اتفاقی توانسته بودند مراحلی اولیه از روند پلیمریزاسیون را کشف کنند که پس از آن ماده ای که بر جا می ماند در واقع پلی اتیلن امروزی بود. این اختراع با نام پلی اتیلن در سال ۱۹۳۶ توسط صنایع شیمی امپریالیست ثبت شد. یک سال بعد اولین کاربرد عملی برای این ماده به عنوان یک فیلم کشف شد. در سال ۱۹۵۳ کارل زیگلر از موسسه کایرس ویلهم و ارهارد هولزکمپ با به کارگیری روش های کاتالیزوری توانستند پلی اتیلن با چگالی بالا را اختراع کنند که به همین جهت نیز کاتالیست مورد استفاده در تشکیل این نوع پلی اتیلن را با نام خود به ثبت رساندند (کاتالیست زیگلار ناتا). پس از این اختراع و پس از گذشت دو سال اولین بار این نوع پلی اتیلن در سال ۱۹۵۵ درساخت لوله استفاده شد و به همین مناسبت زیگلر جایزه نوبل شیمی دریافت نمود.

کاربردهای اولیه پلی اتیلن

آیا می دانستید که پلی اتیلن در طول جنگ جهانی دوم نقش کلیدی ایفا کرد؟ برای اولین بار به عنوان یک پوشش کابل زیر آب و سپس به عنوان یک ماده عایق بندی حیاتی برای کاربردهای حیاتی نظامی به عنوان عایق رادار استفاده شد. پس از جنگ جهانی دوم، پلی اتیلن با مصرف کنندگان فوق العاده بالایی روبرو شد و به عنوان اولین پلاستیک در ایالات متحده به کار برده شد به گونه ای که بیش از یک میلیارد پوند در سال به فروش می رسید.

نتیجه پایانی

 امروزه پلی اتیلن دارای مزایای رطوبت ناپذیری و مقاومت الکتریکی عالی است. به طور گسترده ای برای ساخت مخزن آب پلی اتیلن ، ظروف، عایق کابل سیم، لوله، پوشش، پوشش و فیلم های مهندسی استفاده می شود. هم چنین برای انتقال قدرت، کالاهای مصرفی، در امور بسته بندی، لوازم خانگی و موارد دیگر استفاده می شود. شاید بتوان گفت معضل اصلی آن استحکام مکانیکی ضعیف آن است با این حال پیشرفت های تکنولوژی همچنان به بهبود عملکرد آن کمک می کند و به نظر می رسد در آینده شاهد تفاوت های چشمگیری در زمینه تولیدات مرتبط با این ماده باشیم.