دانلودستان مهندسی شیمی

وبلاگ دانشجویان مهندسی شیمی دانشگاه آزاد دشتستان

پلی اتیلن

پلی‌اتیلن‌ها خانواده‌ای از گرمانرم‌ها می‌باشند که از طریق پلیمریزاسیون گاز اتیلن ( C2H4 ) بدست می‌آیند . از طریق کاتالیست و 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 را در آنها کنترل کرد. پلیمرهای با وزن مولکولی پائین را به عنوان روان کننده(Lubricant) به کار می‌برند. پلیمرهای با وزن مولکولی متوسط واکس هایی امتزاج پذیر (مخلوط پذیر) با پارافین می‌باشند و نهایتا پلیمرهایی با وزن مولکولی بالاتر از 6000 در صنعت پلاستیک بیشترین حجم مصرف را به خود اختصاص می‌دهند. پلی اتیلن شامل ساختار بسیار ساده‌ای است ، به طوری که ساده تر از تمام پلیمرهای تجاری می‌باشد . یک مولکول پلی اتیلن زنجیر بلندی از اتم های کربن است که به هر اتم کربن دو اتم هیدروژن چسبیده است که شکل آن را می‌توانید در زیر مشاهده کنید:

 

گاهی اوقات به جای اتم های هیدروژن در مولکول(پلی اتیلن)، یک زنجیر بلند از اتیلن به اتم های کربن متصل می‌شود که به آنها پلی اتیلن شاخه‌ای یا پلی اتیلن سبک (LDPE) می‌گویند؛ چون چگالی آن به علت اشغال حجم بیشتر، کاهش یافته است. در این نوع پلی اتیلن مولکولهای اتیلن به شکل تصادفی به یکدیگر متصل می‌شوند و ریخت و شکل بسیار نامنظمی را ایجاد می‌کنند. چگالی آن بین 910/0 تا 925/. است و تحت فشار و دمای بالا و اغلب با استفاده از پلیمریزاسیون رادیکال آزاد وینیلی (Free radical polymerization) تولید می‌شود. البته برای تهیهء آن می‌توان از پلیمریزاسیون زیگلر ناتا (Ziegler-Natta polymerization)نیز استفاده کرد شکل آن به صورت زیر است :

 

وقتی هیچ شاخه‌ای در مولکول وجود نداشته باشد آن را پلی اتیلن خطی (HDPE) می نامند. پلی اتیلن خطی سخت تر از پلی اتیلن شاخه‌ای است اما پلی اتیلن شاخه‌ای آسانتر و ارزانتر ساخته می‌شود. ریخت و شکل این پلیمر بسیار کریستالی شکل است. پلی اتیلن خطی محصول نرمالی با وزن مولکولی 200000-500000 است که آن را تحت فشار و دماهای نسبتاً پائین پلیمریزه می‌کنند. چگالی آن بین 941/0 تا 965/0 است و آن را بیشتر به وسیلهء فرآیند مشکلی که پلیمریزاسیون زیگلر ناتا نامیده می‌شود، تهیه می‌کنند. شکل این پلی اتیلن را در تصویر بالا می‌توانید مشاهده کنید. پلی اتیلنی نیز وجود دارد که چگالی آن مابین چگالی این دو پلیمر است یعنی در محدودهء 926/0 تا 940/0 ؛ و آن را پلی اتیلن نیمه سنگین یا متوسط می نامند. پلی اتیلن با وزن مولکولی بین 3 تا 6 میلیون را پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا یا UHMWPE می نامند و با پلیمریزاسیون کاتالیست متالوسن تولید می‌کنند. مادهء مذبور فرآیند پذیری دشوارتری برخوردار بوده ولی خواص آن عالی است. هنگامی که از طریق تشعشع یا استفاده از مواد افزودنی شیمیایی ، این پلیمر تماما شبکه‌ای شود، پلی اتیلن یاد شده دیگر گرما نرم نخواهد بود. این ماده با پخت حین قالب گیری یا بعد از آن یک گرما سخت واقعی با استحکام کششی، خواص الکتریکی و استحکام ضربهء خوب در دامنهء وسیعی از دماها خواهد بود. از آن برای ساخت فیبرهای بسیار قوی استفاده می‌کنند تا جایگزین کولار (نوعی پلی آمید)در جلیقه‌های ضد گلوله کنند ؛ و همچنین صفحات بزرگ آن را می‌توان به جای زمین های اسکیت یخی استفاده کرد. به وسیلهء کوپلیمریزاسیون مونومراتیلن با یک مونومر آلکیل شاخه دار، کوپلیمری با شاخه‌های هیدروکربن کوتاه بدست می‌آید که آن را پلی اتیلن خطی با چگالی کم یا LLDPE می نامند و از آن اغلب برای ساخت اشیاءای شبیه فیلم های پلاستیکی ( کسیه فریزر ) استفاده می‌کنند.

پلی اتیلن در یک نگاه

موارد استفاده : به صورت ترموپلاستیک، الیاف، لوله، فیلم و ...

مونومر : اتیلن

روشهای پلیمریزاسیون : زنجیر رادیکالی آزاد

ریخت شناسی : بسیار بلورین(پلی اتیلن خطی)، بی نظم(آمورف) با درصد تبلور پایین (پلی اتیلن شاخه‌ای)

دمای ذوب : در حدود 120-130 درجه سانتیگراد

دمای انتقال شیشه‌ای : در حدود 80- درجه سانتیگراد( با توجه به درصد تبلور پلیمر تغییر می‌کند)

برخی ویژگیهای پلی اتیلن

مهم‌ترین ویژگی های ذاتی پلی اتیلن های تجاری برای کاربردهای اصلی عبارت‌اند از:

1) چگالی 2) نمایهء مذاب 3) توزیع وزن مولکولی

چگالی

همان طور که قبلا اشاره شد چگالی انواع پلی اتیلن ها در محدودهء 910/0 تا 965/0 دارد و علت اینکه آن را تا سه رقم اعشار ذکر می‌کنند این است که 003/0 تغییر در چگالی باعث تغییر قابل توجه‌ای در ویژگی ها می‌شود. به طور کلی با افزایش چگالی، خطی بودن، سفتی، استحکام کششی، استحکام پارگی، دمای نرم شدن، شکنندگی، عمر خمشی، تمایل به ترک برداشتن افزایش می‌یابد. پلی اتیلن‌ها بسته به چگالی، به چهار گونه پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE)، پلی اتیلن با چگالی کم خطی (LLDPE)، پلی اتیلن با چگالی متوسط (MDPE) و پلی اتیلن با چگالی زیاد (HDPE) تقسیم می‌شوند.

نمایه مذاب یا شاخص جریان مذاب Melt Flow Index) MFI)

کاربردی ترین نشانهء ارتباط دهندهء ویژگی های پلی اتیلن به متوسط وزن مولکولی است. نمایهء مذاب وزن (گرم) پلی اتیلنی است که در عرض ده دقیقه از میان یک روزنهء ثابت در دمای 190 درجه سانتیگراد بیرون می‌آید، و این در حالی است که وزنهء استانداردی بر روی پیستون محفظهء رانش که حاوی سه گرم پلی اتیلن است، قرار دارد. نمایهء مذاب تا حدودی (اما نه دقیق ) نسبت معکوس با گرانروی مذاب دارد. بنابر این با افزایش وزن مولکولی متوسط ، کاهش می‌یابد. نمایهء مذاب بیشتر، نشان دهندهء روانی بیشتر در دماهای فرآورش است. این نماد در اصل برای نشان دادن ویژگی های سیلانی (روانی) به عنوان معیاری از قابلیت اکسترود شدن است. به طور کلی با افزایش نمایهء مذاب ،استحکام کششی ، مقاومت پارگی، دمای نرم شدن و چقرمگی پلی اتیلن کاهش می‌یابد.

توزیع وزن مولکولی

توزیع وزن مولکولی (Mw/Mn) نیز اثر بارزی بر روی ویژگیها دارد. با افزایش نسبت Mw/Mn استحکام کششی، دمای نرم شدن و چقرمگی کاهش می‌یابد و شکنندگی و تمایل به ترک برداشتن افزایش می‌یابد.

کاربردهای پلی اتیلن

از فیلم های پلی اتیلنی برای بسته بندی مواد غذایی، البسه، کیسه‌های پلاستیکی، فیلم های محافظ درکاربردهای ساختمانی، عایق های رطوبت، گلخانه ها، پوششهای صندلی اتومبیلهای نو، تارپولین ها و غیره استفاده کرد. از کاربردهای دیگر آن می‌توان به استفاده از آن در عایق های الکتریکی کابلها وسیمها، ظروف خانگی، قطعات مختلف مصرفی در صنایع خودروسازی، قطعات تزریقی، انواع لوله ها، مخزنهای نگهداری مواد شیمیایی و تجهیزات آزمایشگاهی و از پودر آن برای بهبود خواص مختلف رزین های گرمانرم و گرماسخت و غیره اشاره کرد.

بررسی میزان تاثیر ضربه قوچ در لوله های پلی اتیلن

   ضربه قوچ در اثر بستن و یا باز کردن ناگهانی و یا تدریجی شیر تغذیه کننده لوله و یا

دریچه و یا سوپاپ موجود در قسمت انتهای لوله حامل سیال تحت فشار ، ایجاد می شود 
که با تغییرات سرعت و تغییر اندازه حرکت همراه  و سبب ایجاد یک افزایش فشار و یا کاهش فشار 
در لوله می گردد و بصورت موج منفی و مثبت با سرعتی که به سرعت موج موسوم است در طول لوله
 پیش می رود .

سرعت این موج به تراکم پذیری مایع و ضریب کشسانی لوله بستگی دارد چون تغییر فشار در لوله بصورت حرکت موج ظاهر می شود . بستن سریع شیر بخاطر تبدیل انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل می تواند ایجاد موج فشاری کند. این موج درسیستم حرکت می کند و می تواند در محلی بسیار دورتر از منبع آن ایجاد خطر کند. اندازه ضربه قوچ بستگی به خصوصیات و سرعت سیال، مدول الاستیسیته لوله، ضخامت لوله، طول خط لوله و شدت تغییر ممنتم سیال دارد. مدول الاستیسیته کم در لوله های پلی اتیلن باعث توانایی بالای دفع نیروی موج و کاهش تاثیر موج در سیستم می شود . شدت موج فشاری در لوله های فلزی بخاطر بالا بودن مدول الاستیسیته آنها بیشتر است . بدین ترتیب شدت ضربه قوچ در لوله های پلی اتیلن بسیار کمتر در شرایط مشابه در لوله های کربن استیل یا چدنی می باشد . مقدار فشار ماکزیمم در نزدیکی انتهای لوله که شیر فلکه مستقر می باشد باید تعیین شود

از T  به دوره تناوب ضربه قوچ  نام می برند .بعد از محاسبه سرعت انتشار آشفتگی مقدار
 ضربه قوچ و یا اضافه فشار ناشی از آن با استفاده از فرمول ذیل محاسبه  می گردد :

منابع

کتاب پلاستیکهای گرمانرم (تألیف س.س.شوارتز و س.ه.گودمن و ترجمه آقایان مهندس علی عباسیان و مهندس سام منوچهری و دکتر حسین نازک دست)

+