پیدایش پلی اتیلن ها، انواع و کاربرد

مواد پلیمری یا مصنوعی کاربردهای وسیعی، از جمله در ساخت وسایل خانگی، اسباب بازی‌ها، بسته بندی‌ها، کیف و چمدان، کفش، میز و صندلی، شلنگ‌ها و لوله های انتقال آب، مواد پوششی به عنوان رنگ‌ها برای حفاظت از خوردگی و زینتی، لاستیک های اتومبیل و بالاخره به عنوان پلیمرهای مهندسی با استحکام بالا، حتی در دماهای نسبتا زیاد، در ساخت اجزایی از ماشین آلات، کاربرد دارند.

پلیمرها خواص فیزیکی و مکانیکی نسبتا خوب و مفیدی دارند. آنها دارای وزن مخصوص پاییین و پایداری خوب در مقابل مواد شیمیایی هستند. بعضی از آنها شفاف بوده و می توانند جایگزین شیشه ها شوند. اغلب پلیمرها عایق الکتریکی هستند. اما پلیمرهای خاصی نیز وجود دارند که تا حدودی قابلیت هدایت الکتریکی دارند.

عایق بودن پلیمرها به پیوند کووالانسی موجود بین اتم‌ها در زنجیرهای مولکولی ارتباط دارد. اما تحقیقات انجام شده در سال‌های اخیر نشان داد که امکان ایجاد خاصیت هدایت الکتریکی در امتداد محور مولکول‌ها وجود دارد.

این نوع پلیمرها اساسا از پلی استیلن تشکیل شده اند. با نفوذ دادن عناصری مانند فلزات قلیایی یا هالوژنها «فرایند دوپینگ» به زنجیرهای مولکولی پلی استیلن به ترتیب نیمه هادی های پلیمری از نوع N و P به دست می آیند. افزودن عناصر یا دوپینگ سبب می شود که الکترون ها بتوانند در امتداد اتم‌های کربن در زنجیر حرکت کنند.

تفلون از مواد پلیمری است که به دلیل ضریب اصطکاک پایینی که دارد به عنوان پوشش برای جلوگیری از چسبیدن مواد غذایی در وسایل پخت و پز استفاده می شود.

نحوه ساختار پلیمرها

اغلب پلیمرهای متداول از پلیمریزاسیون مولکول‌های ساده آلی به نام منومر به دست می آیند. برای مثال پلی اتیلن (PE) پلیمری است که از پلیمریزاسیون با افزایش (ترکیب) چندین مولکول اتیلن به دست می آید. هر مولکول اتیلن یک منومر نامیده می شود.

با ترکیب مناسبی از حرارت، فشار و کتالیزور، پیوند دوگانه بین اتم‌های کربن شکسته شده و یک پیوند ساده کووالانسی جایگزین آن می شود.

اکنون دو انتهای آزاد این منومر به رادیکال‌های آزاد تبدیل می شود، به طوری که هر اتم کربن یک تک الکترون دارد که می‌تواند به رادیکال‌های آزاد دیگر افزوده شود.

از این رو در اتیلن دو محل (مربوط به اتم کربن) وجود دارد که مولکول‌های دیگر می‌توانند در آنجا به آن ضمیمه شوند.

این مولکول با قابلیت انجام واکنش، زیربنای پلیمرها بوده و به (مر) یا بیشتر واحد تکراری موسوم است. واحد تکراری در طول زنجیر مولکول پلیمر به تعداد دفعات زیادی تکرار می شود.

طول متوسط پلیمر به درجه پلیمرزاسیون یا تعداد واحدهای تکراری در زنجیر مولکول پلیمر بستگی دارد. بنابراین نسبت جرم مولکولی پلیمر به جرم مولکولی واحد تکرای به عنوان (درجه پلیمریزاسیون) تعریف شده است.

با بزرگتر شدن زنجیر مولکولی (در صورتی که فقط نیروهای بین مولکولی سبب اتصال مولکول‌ها به یکدیگر شود) مقاومت حرارتی و استحکام کششی مواد پلیمری هر دو افزایش می یابند.

به طور کلی فرایند پلیمریزاسیون می‌تواند به صورت‌های مختلفی مانند افزایشی، مرحله ای و …. انجام گیرد. در پلیمریزاسیون افزایشی، تعدادی از واحدهای تکراری به یکدیگر اضافه شده و مولکول بزرگتری را به نام پلیمر تولید می کنند.

در این نوع پلیمریزاسیون ابتدا در مرحله اول رادیکال آزاد، با دادن انرژی (حرارتی، نوری) به مولکول های اتیلین با پیوند دوگانه و شکست پیوند دوگانه، به وجود می آید. سپس رادیکال های آزاد با اضافه شدن به واحدهای تکراری مراکز فعالی به نام آغازگر شکل می‌گیرند و هر یک از این مراکز به واحدهای تکراری دیگر اضافه شده و رشد پلیمر ادامه می یابد.

از نظر تئوری درجه پلیمریزاسیون افزایشی می تواند نامحدود باشد، که دراین صورت مولکول زنجیره ای بسیار طویلی از اتصال تعداد زیادی واحدهای تکراری به یکدیگر شکل می گیرد. اما عملا رشد زنجیر به صورت نامحدود صورت نمی گیرد. هر چه قدر تعداد مراکز فعال یا آغازگرهای شکل گرفته بیشتر باشد، تعداد زنجیرها زیادتر و نتیجتا طول زنجیرها کوچکتر می شود و بدین دلیل است که خواص پلیمرها تغییر می کند.

البته سرعت رشد نیز در اندازه طول زنجیرها موثر است. هنگامی که واحدهای تکراری تمام و زنجیرها به یکدیگر متصل شوند، رشد خاتمه می یابد.

از دیگر روش های پلیمریزاسیون، پلیمریزاسیون مرحله ای است که در آن منومرها با یکدیگر واکنش شیمیایی داده و پلیمرهای خطی را به وجود می آورند. در بسیاری از واکنش‌های پلیمریزاسیون مرحله ای مولکول کوچکی به عنوان محصول فرعی شکل می گیرد. این نوع واکنش ها گاهی پلیمریزاسیون کندنزاسیونی نیز نامیده می شوند.

سنتزی به نام پلی اتیلن

پلی اتیلن یا پلی اتن یکی از ساده ترین و ارزان‌ترین پلیمرها است. پلی اتیلن جامدی مومی و غیرفعال است. این ماده از پلیمریزاسیون اتیلن به‌دست می آید و به‌طور خلاصه بصورت PE نشان داده می شود.

مولکول اتیلن (C2H4) دارای یک بند دوگانه C=C است در فرایند پلیمریزاسیون بند دوگانه هر یک از منومرها شکسته شده و به جای آن پیوند ساده ای بین اتم‌های کربن مونومرها ایجاد می شود و محصول ایجاد شده یک درشت‌مولکول است.

پلی اتیلن اولین بار به طور اتفاقی توسط شیمیدان آلمانی Hans von pechmanv سنتز شد. او در سال ۱۸۹۸ هنگام حرارت دادن دی آزومتان ترکیب مومی شکل سفیدی را سنتز کرد که بعدها پلی اتیلن نام گرفت.

اولین روش سنتز صنعتی پلی اتیلن به طور تصادفی توسط ازیک ناوست و رینولرگیسون (از شیمیدان های ICI) در ۱۹۳۳ کشف شد. این دو دانشمند با حرارت دادن مخلوط اتیلن و بنزاهید در فشار بالا ماده ای موم مانند بدست آوردند. علت این واکنش وجود ناخالصی های اکسیژن دار در دستگاه های مورداستفاده توسعه داد و تحت فشار بالا پلی اتیلن را سنتز کرد که این روش، اساسی برای تولید صنعتی LDPE در سال ۱۹۳۹ شد.

اتفاق مهم در سنتز پلی اتیلن کشف چندین کاتالیزور جدید بود که پلیمریزاسیون اتیلن را در دما و فشار ملایمتری نسبت به روش های دیگر امکان پذیر می کرد.

اولین کاتالیزور کشف شده در این زمینه تری اکسیدکروم بود که در ۱۹۵۱ توس روبرت بانکس و جان هوسن در شرکت فیلیپس تپرولیوم آنرا کشف کردند. در سال ۱۹۳۵ کارل زیگلر شیمیدان آلمانی سیستم های کاتالیزور شامل هالیدهایتیتان و ترکیبات آلی آلومینیوم دار را توسعه داد.

این کاتالیزورها در شرایط ملایم‌تری نسبت به کاتالیزورهای فیلیپس قابل استفاده بودند و همچنین پلی اتیلن یک آرایش (با ساختار منظم) تولید می کردند.

سومین نوع سیستم کاتالیزوری استفاده ازترکیبات متالوسن بود که در سال ۱۹۷۶ در آلمان توسط والتر کامینیکی و هانس ژوژسین تولید شد. کاتالیزورهای زیگلر و متالوسن از لحاظ کارکرد بسیار انعطاف پذیر هستند و در فرایند کوپلیمریزاسیون اتیلن با سایر اولفین ها که اساس تولید پلیمرهای مهمی مثل VLDPE و LLDPE و MDPE هستند مورد استفاده قرار می گیرند.

اخیرا کاتالیزوری ازخانواده متالوین ها با قابلیت استفاده بالا برای پلیمریزاسیون پلی اتیلن به نامزیرکونوسن دی کلریدساخته شده است که امکان تولید پلیمر با ساختار بلوری (تک آرایش) بالا را می دهد.

همچنین نوع دیگری از کاتالیزورها به نام کمپلکس ایمینوفتالات با فلزات گروه ششم مورد توجه قرار گرفته است که کارکرد بالاتری نسبت به متالوسن هانشان می دهند.

طبقه بندی اتیلن ها بر اساس دانسیته آنها صورت می گیرد. که در مقدار دانسیته اندازه زنجیر پلیمر و نوع و تعداد شاخه های موجود در زنجیر دخالت دارد.

HDPE پلی اتیلن سنگین چیست؟

این پلی اتیلن دارای زنجیر پلیمری بدون شاخه است. بنابراین نیروی بین مولکولی در زنجیره بالا و استحکام کششی آن بیشتر از بقیه پلی اتیلن ها است.

شرایط واکنش و نوع کاتالیزور مورد استفاده در تولید پلی اتیلن HDPE مؤثر است. برای تولید پلی اتیلن بدون شاخه معمولاً از روش پلیمریزاسیون با کاتالیزور زیگلر ـ ناتا استفاده می شود.

LDPE پلی اتیلن سبک چیست؟

این پلی اتیلن دارای زنجیری شاخه دار است. بنابراین زنجیرهای LDPE نمی توانند به خوبی با یکدیگر پیوند برقرار کنند و دارای نیروی بین مولکولی ضعیف و استحکام کششی کمتری است این نوع پلی اتیلن معمولاً با روش پلیمریزاسیون رادیکالی تولید می شود از خصوصیات این پلیمر انعطاف پذیری و امکان تجزیه به وسیله میکرو ارگانیهای است.

LLDPE پلی اتیلن خطی با دانسیته پایین چیست؟

این پلی اتیلن یک پلیمر خطی با تعدادی شاخه های کوتاه است و معمولاً از کوپلیمریزاسیون اتیلن با آلکن‌های بلند زنجیر ایجاد می شود. MDPE پلی اتیلن با دانستیه متوسط است.

کاربرد
پلی اتیلن کاربرد فراوانی در تولید انواع لوازم پلاستیک مورد استفاده در آشپزخانه و صنایع غذایی دارد. از LDPE در تولید ظروف پلاستیکی سبک و همچنین کیسه های پلاستیک استفاده می شود.

LDPE در تولید ظروف شیر و مایعات و انواع وسایل پلاستیکی آشپزخانه کاربرد دارد. در تولید لوله های پلاستیکی واتصالات لوله کشی معمولاً از MDPE استفاده می کنند.

LLDPE به دلیل بالا بودن میزان انعطاف پذیری در تهیه انواع وسایل پلاستیکی انعطاف پذیر مانند لوله هایی با قابلیت خم شدن کاربرد دارد.

اخیرا پژوهش های فراوانی در تولید پلی اتیلن هایی با زنجیر بلند و دارای شاخه های کوتاه انجام شده است این پلی اتیلن ها در اصل HDPE با تعدادی شاخه های جانبی هستند این پلی اتیلن ها ترکیبی استحکام HDPE و انعطاف پذیری LDPE را دارد.

کاربرد پلیمر در عایق کاری ساختمان چیست؟

فوم‌های پلیمری فوم جسمی است که از دو فاز مختلف گاز و جامد تشکیل شده است. در مورد فوم‌های پلیمری فاز جامد از پلیمر ساخته شده است. در یک توده فومی دو نوع فضای خالی در بخش پلیمری می‌تواند وجود داشته باشد که آنها را سلول می‌نامند.

از این‌رو دو نوع سلول شامل باز و بسته در فوم‌ها وجود دارند. در مورد فوم‌های سلول باز فاز گاز موجود نیز پیوسته است در حالی که در فوم‌های سلول بسته فاز گاز ناپیوسته است. نوع سلول شدیدا خواص مکانیکی و حرارتی فوم‌های پلیمری را تغییر می‌دهد.

انواع فوم‌های پلیمری به شرح زیر است:
فوم پلی‌استایرن
فوم پلی‌یورتان
فوم فنلیک
فوم اوره فرمالدئید
فوم پلی وینیل کلراید ‌
فوم پلی وینیل الکل _ فرمالدئید
فوم اپوکسی
فوم‌های دیگر از میان این فوم‌ها مورد یک تا پنج در عایق‌کاری ساختمانی و پانل‌های ساندویچی به کار برده شده‌اند. شایان ذکر است که در پانل‌های ساندویچی اغلب فوم‌های سخت که سلول باز هستند به کار برده می‌شوند.

پلیمرهایی که در ساخت این فوم‌ها استفاده می‌شوند به دو دسته کلی گرمانرم و گرماساخت تقسیم می‌شوند.

فوم‌های پلی‌استایرن و PVC مثال‌های مورد اول و فوم‌های فنلیک، اوره فرمالدئید و پلی‌یورتال مثال‌های مورد دوم هستند. از این رو بسته به نوع پلیمر به کار رفته در فوم ساخته شده نحوه تولید آن متفاوت است. آنچه که در مورد فوم‌های مختلف اهمیت دارد نوع پلیمر و نوع گازی است که در سلول‌های آن قرار دارند.

این دو عامل ضریب هدایت حرارتی و یا توانایی یک فوم را در ایفای نقش عایق حرارتی تعیین می‌کند. پلی‌استایرن منبسط مصالح عایق‌کاری حرارتی فوم پلی‌استایرن صلب، مصالح پلاستیک سلولی صلبی با یک ساختار عمدتا سلول بسته است که از پلی‌استایرن یا از کوپلیمرهایی که تشکیل‌دهنده اصلی آنها پلی‌استایرن است، ساخته می‌شود. بنابر روش تولید، تمایزی بین فوم پلی‌استایرن تولید شده با انبساط دانه‌های پلی‌استایرن برای تشکیل حبه‌ها (به اختصار فوم منبسط شده EPS) که پس از آن به هم متصل می‌شود تا تخته‌ها را تشکیل دهند و فوم پلی‌استایرن فوم شده با اکسترود کردن، (به اختصار فوم اکسترود شده XPS) وجود دارد.

فوم پلی‌استایرن به طور وسیعی در عایق حرارتی به کار برده شده است. قیمت آن پایین بوده، در دسترس بوده و به راحتی ساخته می‌شود، محکم و پایدار بوده و در برابر تخریب مقاوم است.

پلی‌استایرن اکسترود شده به صورت تخته در اندازه‌های مختلف جهت ساخت دیوار و عایق بام در دسترس است. دانه‌های قابل انبساط پلی‌استایرن را نیز می‌توان به صورت صفحاتی برای نما در ساختمان‌سازی ساخته و به کار برد. در مواردی که کاربرد عایق حرارتی موردنظر است مقاومت بالا لازم نبوده و پلی‌استایرن منبسط به اندازه کافی مقاومت دارد.

از آنجا که مقاومت برشی فوم PVC بالاست سطح آن برای اعمال سیمان و گچ بسیار مناسب است.

مزیت عمده فوم‌های PVC عملکرد بهتر آنها در برابر آتش نسبت به سایر فوم‌های پلیمری است. از این‌رو این نوع پانل‌ها در کاربردهای دریایی و ساختمانی در اروپا پذیرفته شده‌اند.

منبع: پلاستو ایران / ویرایش: ویکی پلاست