مواد پلی اتیلن مورد استفاده در تولید انواع مختلف لوله

بر اساس نوع کاربری، لوله‌های پلی اتیلن را می‌توان بصورت زیر طبقه بندی نمود:
1.‌ لوله‌های آبرسانی
2.‌ لوله‌های آبیاری جانبی
3.‌ لوله‌های گازرسانی
4.‌ لوله‌های فاضلابی
5.‌ لوله‌های محافظ کابل برق
6.‌ لوله‌های کاروگیت

تفاوت اصلی مواد مختلف پلی اتیلنی از وجود شاخه‌های جانبی نشات می‌گیرد که طبیعت کلی ماده را تغییر می‌دهند. بر این اساس در کاربری‌های متفاوت، از گریدهای مختلف مواد استفاده می‌گردد. طبقه بندی مواد پلی اتیلنی بر اساس ساختار عبارتند از [2]:

HDPE (پلی اتیلن با دانسیته بالا): پلی اتیلن با زنجیرهای خطی و با حداقل شاخه‌های جانبی مورد استفاده در لوله‌های آبرسانی و گازرسانی است.

رنج دانسیته این مواد 0.941-0.965 g/cm3 بوده و به دلیل تراکم و دانسیته بالا، سخت بوده و نفوذ پذیری آن حداقل می‌باشد. برای تولید مواد HDPE، کاتالیست‌های زیگلر-ناتا، متالوسنی و کاتالیست کروم-سیلیکا با روش پلیمریزاسیون رادیکالی استفاده می‌شود.

با انتخاب مناسب نوع کاتالیست و کنترل شرایط دمایی و واکنش می‌توان تعداد شاخه های جانبی را کنترل نمود[3]. این نوع پلی اتیلن به دلیل ویژگی‌های فیزیکی مکانیکی مناسب دارای گستره‌ی بسیار وسیعی از کاربردها در زمینه های پزشکی، لوازم خانگی، کشاورزی و غیره می‌باشد.

MDPE (پلی اتیلن با دانسیته متوسط): پلی اتیلن با دانسیته متوسط دارای تعدادی شاخه جانبی در زنجیره اصلی است. مقاومت این ماده در برابر رشد ترک نسبتاً خوب است و رنج دانسیته آن 0.926-0.940 g/cm3 است. این مواد در لوله‌های فاضلابی کاربرد دارد.

LDPE (پلی اتیلن با دانسیته پایین): پلی اتیلن با زنجیرهای شاخه‌ای مورد استفاده در لوله‌های آبیاری جانبی دارای شاخه‌های جانبی متعددی است همین امر سبب شده است که فضای خالی ایجاد شده بین شاخه های جانبی از تراکم زنجیرها جلوگیری کند و دانسیته مواد افت پیدا کند. محدوده دانسیته مواد LDPE، 0.91-0.925 g/cm3 است [3].

برای ساخت لوازم خانگی، لوله‌های آبیاری، بسته بندی و پلاستیک‌های قابل انعطاف از این دسته استفاده می‌شود.

LLDPE (پلی اتیلن خطی با دانسیته پایین): در این مواد، تعداد زیاد زنجیر با شاخه‌های کوتاه برخلاف زنجیرهای LDPE، قابلیت حرکت بر روی یکدیگر بدون گره خوردگی زنجیرها را دارد و همین امر سبب استحکام کششی و ضربه بالاتر و مقاومت در برابر پارگی در LLDPE شده است.

محدوده دانسیته این مواد 0.91-0.94 g/cm3 است[3]. از این مواد به منظور ساخت بشکه، لوازم اسباب بازی، پلاستیک‌‌های شفاف و فیلم‌های گلخانه‌ای استفاده می‌شود.

XLPE (پلی اتیلن با اتصالات عرضی): پلی اتیلنی با دانسیته بالا است که بین زنجیرهای پلیمری آن اتصالات کوالانسی وجود دارد.

این اتصالات عرضی توسط گرمادهی و استفاده از مواد شیمیایی یا پرتودهی منجر به شکل گیری یک شبکه سه بعدی پلیمر ترموست با وزن ملکولی بالا شده است و آن را برای کاربرد در دماهای بالا مناسب کرده است.

این اتصالات عرضی زنجیرهای پلیمر را به یکدیگر متصل کرده و منجر به خواص مکانیکی و فیزیکی بهتر، استحکام بالا دربرابر رشد ترک، افزایش چقرمگی، مقاومت در برابر سایش و مقاومت شیمیایی بالاتر در مقایسه با HDPE می‌شود. دانسیته این مواد حدود 0.93 g/cm3است [4]. از این مواد برای ساخت لوله‌ها و اتصالات استفاده می‌شود.

شکل 1: ساختار زنجیرهای پلیمری انواع مختلف پلی اتیلن [5]

جدول 1: اطلاعات فیزیکی انواع پلی اتیلن [2, 6-8]

مواد پلی اتیلن سنگین (HDPE) را می توان بر اساس نمودار توزیع وزن ملکولی طبقه بندی نمود. همانطور که از نمودار زیر مشهود است، وزن ملکولی بیشتر پلیمرها منجر به چقرمگی بالاتر می‌شود چراکه درگیری زنجیرها در لاملاهای مختلف بیشتر می باشد، از طرف دیگر وزن ملکولی پایین تر منجر به فرآیند پذیری بهتری می شود [9].

شکل 2: توزیع وزن ملکولی پلی اتیلن سنگین [9]

مواد پلی اتیلنی که برای ساخت لوله‌های انتقال آب و یا گاز استفاده می‌شوند باید بتوانند در طول 50 سال مدت استفاده، فشار بالا را تحمل کنند و دچار نقص نشوند. بدین منظور پلی اتیلن هایی با توزیع وزن ملکولی دوقله ای مناسب است [9].

زنجیرهای پلیمری در پلی اتیلن نیاز دارند که یک سد محکمی در برابر سیالات باشند تا بتوانند فشار بالا را متحمل شوند به همین دلیل زنجیرها باید ساختار کریستالی داشته باشند و فضای لازم برای نفوذ را به حداقل برسانند.

استفاده از پلی اتیلن با دانسیته بالا در صنعت آبرسانی به دلیل همین امر می‌باشد. زنجیرهای پلیمری با طول مشخص منجر به شکل گیری لاملاهای کریستالی می‌شوند [9].

اما حضور لاملاهای کریستالی به تنهایی کافی نیستند زیرا موادی که شامل زنجیرهای ملکولی متراکم با وزن ملکولی پایین است، به مرور زمان دچار شکست می‌شود زیراکه لاملاهای کریستالی تحت تنش شروع به حرکت می کنند و لوله در طول دچار شکست می‌شود.

به منظور تحمل تنش در طول مدت زمان استفاده، لاملاها باید به یکدگیر متصل شده و گره خوردگی‌هایی بینشان ایجاد شود. این گره خوردگی توسط زنجیرهای بلند پلیمر که آمورف هستند رخ می‌دهد [9].

پلی اتیلن‌هایی که برای ساخت لوله ‌های فشار قوی استفاده می‌شوند باید دارای دو نوع زنجیر پلی اتیلنی باشند، زنجیرهای کوتاه هموپلیمری که ساختار لاملا را تشکیل می‌دهند و زنجیرهای بلند که آمورف هستند و شامل تعدادی کومونومر می‌باشند.

به بیانی دیگر پلی اتیلن برای این کاربرد باید BIMODAL (دو قله‌ای) باشد. دو روش برای دستیابی به پلی اتیلن دوقله‌ای وجود دارد؛ (1) چند راکتوری (2) چند کاتالیستی، در روش اول از یک فرآیند دو مرحله‌ای با استفاده از یک کاتالیست ولی در 2 راکتور استفاده می‌شود درحالیکه روش دوم شامل مخلوطی از کاتالیست‌ها در یک راکتور است [10].

شکل 3: روش¬های تولید پلی اتیلن دوقله‌ای [10]

انواع مختلف مواد پلی اتیلن با دانسیته بالا [11]:

PE63: این مواد دارای خواص مکانیکی پایین و دانسیته کم هستند به همین دلیل لوله‌هایی که با این مواد تولید می‌شوند دارای ضخامت بالایی هستند که این امر موجب مصرف بیشتر مواد شده و توجیه اقتصادی ندارد.

از طرفی حداقل استحکام لازم این مواد در دمای 20 درجه سانتیگراد و در طول 50 سال پایین است (MRS=6.3 مگاپاسکال). اخیرا استفاده از مواد PE63 در ساخت لوله‌های پلی اتیلنی منسوخ شده‌است. با این وجود در برخی مکان‌ها از این مواد برای ساخت لوله‌های فاضلابی استفاده می‌شود.

PE80: با پیشرفت در صنعت لوله، تولیدکنندگان دریافتند که با افزایش دانسیته مواد می توان لوله‌های محکم‌تر ولی با ضخامت پایین‌تر تولید نمود. این لوله‌ها با ضخامت کمتر نسبت به مواد PE63 تحمل بار بیشتری دارند و می‌توان از آن‌ها برای انتقال آب با فشار بالا استفاده کرد.

این مواد نسبت به مواد PE100 خواص مکانیکی پایین‌تر، استحکام کمتر در دمای 20 درجه سانتیگراد در طول 50 سال (MRS=8 مگاپاسکال) ، مدول کمتر، زمان آسایش بیشتر و تنش تسلیم پایین‌تری دارند. این نوع مواد به طور گسترده در لوله‌های آبرسانی، فاضلابی و لوله‌های صنعتی استفاده می‌شوند [1].

PE100: این مواد به دلیل استحکام طولانی مدت بالا و با داشتن نمودار توزیع وزن ملکولی دوقله‌ای (BIMODAL) خواص مکانیکی و چقرمگی بالایی را نتیجه می‌دهند.

دانسیته مواد PE100 نسبت به سایر گریدهای HDPE بالاتر است و با این مواد می‌توان لوله‌هایی با ضخامت کمتر ولی با تحمل فشار بالا تولید نمود.

حداقل استحکام لازم (MRS) در لوله های PE100 در دمای 20 درجه سانتیگراد و در 50 سال، 10 مگاپاسکال است. این مواد به دلیل خواص مکانیکی بالا و عمر طولانی به طور گسترده در لوله-های آبرسانی و گازرسانی استفاده می‌شوند [1].

جدول 2: مقایسه ویژگی‌های پلی اتیلن 100 و 80 [1]

مواد پلی اتیلن سنگین به دو صورت خودرنگ و مواد سفید در پتروشیمی‌های کشور تولید می‌شوند. مواد خودرنگ که به طور مستقیم در صنعت لوله‌های پلی اتیلنی مورد استفاده قرار می‌گیرد ولیکن مواد سفید باید به همراه درصدی مستربچ مشکی حاوی دوده مصرف گردد که بر اساس استانداردهای موجود درصد مصرف مستربچ مشکی 5 تا 6 درصد می‌باشد.

مزیتی که مواد خودرنگ نسبت به مواد خام یا سفید دارند، مقاومت در برابر اشعه ماورابنفش نور خوشید است، دلیل افزودن مستربچ مشکی نیز جلوگیری از تخریب لوله بواسطه نور خورشید است.

مواد پلی اتین با دانسیته پایین:

PE40 ،PE32: این مواد از اولین نسل‌های پلی اتیلن هستند. فشار اسمی لوله‌های تولید شده با این مواد پایین است و تنها برای کاربرد آبیاری جانبی در مزارع استفاده می‌شود.

حداقل استحکام لازم برای لوله‌های تولید شده با مواد PE40 در دمای 20 درجه و در مدت 50 سال، 4 مگاپاسکال و برای لوله های PE32، 3.2 مگاپاسکال می‌باشد [12].

شکل 4: تغییرات ضخامت دیواره و وزن لوله با به کارگیری انواع مختلف گریدهای پلی اتیلن

جدول 3: مقایسه حداقل استحکام لازم انواع پلی اتیلن

جدول 4: ظرفیت تولید HDPE در پتروشیمی های ایران

برای اطلاع از قیمت روز لوله های پلی اتیلن می توانید به صفحه خرید لوله پلی اتیلن ویکی پایپ مراجعه کنید.
 

تهیه کنندگان: دکتر سیف الله جمال پور، رکسانا معرف

مراجع:

1. Zhang, Y. and P.-Y.B. Jar, Comparison of Mechanical Properties Between PE80 and PE100 Pipe Materials. Journal of Materials Engineering and Performance, 2016. 25(10): p. 4326-4332.

2. Coutinho, F.M., I.L. Mello, and C. Luiz, Polietileno: principais tipos, propriedades e aplicações. Polímeros: ciência e tecnologia, 2003. 13(1): p. 1-13.

3. Iqubal, M.A., Polyethylene: A Crisp Overview| Sciencemonk. com.

4. Khonakdar, H., et al., Thermal and wide angle X‐ray analysis of chemically and radiation‐crosslinked low and high density polyethylenes. Journal of applied polymer science, 2006. 100(4): p. 3264-3271.

5. Khanam, P.N. and M.A.A. AlMaadeed, Processing and characterization of polyethylene-based composites. Advanced Manufacturing: Polymer & Composites Science, 2015. 1(2): p. 63-79.

6. Feldman, D. and A. Barbalata, Synthetic polymers: technology, properties, applications. 1996: Springer Science & Business Media.

7. Hadi, A.J., G.F. Najmuldeen, and K.B. Yusoh, Dissolution/reprecipitation technique for waste polyolefin recycling using new pure and blend organic solvents. Journal of Polymer Engineering, 2013. 33(5): p. 471-481.

8. Madhu, G., et al., Physico-mechanical properties and biodegradation of oxo-degradable HDPE/PLA blends. Polymer Science Series A, 2016. 58(1): p. 57-75.

9. Paulik, C., G. Spiegel, and D. Jeremic, Bimodal Polyethylene: Controlling Polymer Properties by Molecular Design, in Multimodal Polymers with Supported Catalysts. 2019, Springer. p. 243-265.

10. Thomas, A., B.R. Mantha, and C.C. Menassa, A framework to evaluate the life cycle costs and environmental impacts of water pipelines, in Pipelines 2016. 2016. p. 1152-1163.

11. Hubert, L., et al., Physical and mechanical properties of polyethylene for pipes in relation to molecular architecture. II. Short‐term creep of isotropic and drawn materials. Journal of applied polymer science, 2002. 84(12): p. 2308-2317.

12. Nezbedová, E., et al., The applicability of the Pennsylvania Notch Test for a new generation of PE pipe grades. Polymer Testing, 2013. 32(1): p. 106-114.

ویکی پلاست | توسعه ارتباطات، افزایش اطلاعات