پلیاتیلنها گروهی از خانواد بزرگ‌تر پلی‌الفین‌ها هستند که به‌لحاظ تولید و مصرف در میان پلیمرها در بالاترین رتبه بوده و از پلیمریزاسیون مونومرهای خطی حاوی گروه‌هاي وینیلی تولید می‌شوند. سه نوع اصلی آنها عبارتند از:
1- پلی‌اتیلن سنگین (HDPE)
2- پلی‌اتیلن سبک خطی (LLDPE)
3- پلی‌اتیلن سبک (LDPE)
تاریخچه
اولین محصول تجاری پلی‌اتیلن، در سال ۱۹۴۰ از نفت خام یا گاز طبیعی تهیه شده است. این ماده ترموپلاستیک است که بسته به ساختار مولکولی از نوعی به نوع دیگر متفاوت است. در حقیقت با تغییر وزن مولکولی (طول زنجیر)، تبلور (وضعیت زنجیر) و خواص شاخه آن (پیوند شیمیایی بین زنجیرهای مجاور) می‌توان محصولات متنوعی تولید کرد. دمای انتقال شیشه‌ای در حدود 80- درجه سانتی‌گراد است و با توجه به درصد تبلور پلیمر تغییر می‌کند. ساختار این پلیمر در شکل 1 مشاهده می‌شود.
شکل 1. ساختار مولکولی پلی‌اتیلن
خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی انواع پلیاتیلنها
خواص پلیاتیلنها تا حد زیادی به یک‌دیگر وابسته‌اند و در جدول 1 نشان داده شده‌اند.
جدول 1. خواص فیزیکی انواع پلیاتیلنها
| خواص فیزیکی | HDPE | LLDPE | LDPE |
| شاخص/سرعت جریان مذاب MFI/MFR [gr/10Min] | 0.25 تا 20 | 0.9 تا 50 | 0.2 تا 30 |
| چگالی [gr/cm³] | 0.945 تا 0.960 | 0.918 تا 0.936 | 0.917 تا 0.922 |
| درصد کریستالینیتی [%] | 70 تا 80 | 35 تا 60 | 35 تا 55 |
| جرم مولکولی × 103 | 96 تا 500 | 96 تا 500 | 28 تا 87 |
| نفوذپذیری اکسیژن × 1016 [cm³.cm/cm2.s.Pa] | 625 | 1920 | 2082 |
| نفوذپذیری رطوبت × 1011 [cm³.cm/cm2.s.Pa] | 1.37 | 4.06 | 4.37 |
| دمای نرم‌شدگی [°C] | 120.6 تا 130 | 86.1 تا 120.6 | 80.6 تا 102.2 |
| دمای ذوب [°C] | 134 | 116 | 113 |
| مقاومت شیمیایی | خوب | خوب | خوب |
در شکل 2 تفاوت شکل ظاهری انواع گریدهای پلی‌اتیلن مشاهده می‌شود.
|
|  پلی‌اتيلن با دانسيته پايين (LDPE) |
پلی‌اتيلن با دانسيته بالا (HDPE)
پلی‌اتيلن سبك خطی (LLDPE)شکل 2. تفاوت شکل ظاهری گریدهای مختلف پلی‌اتیلن
همان‌طور که در جدول 2 مشاهده می‌شود، خواص مکانیکی پلیاتیلنها با بالا رفتن میزان شاخه‌ای شدن، کاهش می‌یابد.
جدول 2. خواص مکانیکی انواع پلیاتیلنها
| خواص مکانیکی | HDPE | LLDPE | LDPE |
| استحکام کششی نقطه تسلیم [Kg/cm²] | 172.3 تا 323.4 | 75.9 تا 218 | 64.3 تا 142 |
| ازدیاد طول در نقطه شکست [%] | 4 تا 1000 | 350 تا 910 | 87 تا 710 |
| پایداری محیطی | 48 | بیش از 1000 | 4.5 |
| سختی | 59 تا 71 | 49 تا 62 | 40 تا 56 |
| استحکام ضربه به‌روش Izod [kg.cm/cm] | 0.1 تا 51.7 | 24.5 تا 54.4 | 35.9 تا 44.6 |
در نهایت، مهم‌ترین خواص شیمیایی این پلیمرها عبارتند از:
– هیدروکربن غیر قطبی و اشباع با جرم مولکولی بالا دارای خواص شیمیایی مشابه پارافین
– شکل بلورین به‌دلیل تقارن ساختاری؛ افزایش چگالی و پایداری مکانیکی و شیمیایی با افزایش بلورینگی
– پایداری شیمیایی بالا
– حلالیت در هیدروکربن‌های آروماتیک مانند تولوئن و زایلن یا حلال‌های کلرینه مانند تری کلرواتان یا تری کلروبنزن در دمای بالاتر از دمای محیط
– عدم جذب آب
– نفوذپذیری کم گازهای قطبی و بخار آب و عبورپذیری بالای اکسیژن و دی اکسید کربن
– شکننده شدن در صورت قرار گرفتن در معرض تابش نور خورشید؛ استفاده از کربن بلک به‌عنوان پایدارکننده اشعه ماوراء بنفش
– سوختن آرام با شعله آبی و بوی پارافین
– چاپ‌پذیری تنها در صورت اصلاح
فرآیند تولید و فرآوری
از طریق استفاده از کاتالیست و تغییر 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 در آنها را کنترل کرد. با استفاده از اکسترودر، فرآوری و شکل‌دهی پلیمرها انجام می‌شود. قسمت‌های مختلف اکسترودر در شکل 3 مشخص شده‌اند.
شکل 3. اکسترودر و اجزای مختلف آن
انواع پلی‌اتیلن
یکی از مهم‌ترین خواص پلیاتیلنها چگالی آنها است که با توجه به آن، مطابق شکل 4 طبقه‌بندی می‌شوند.
شکل 4: انواع پلی‌اتیلن
1- با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE): پلی‌اتیلن با وزن مولوکولی بالا زنجیره‌های خطی طولانی، مقاومت ضربه، سایش، سختی و شکست فشاری بالایی دارد و برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر سایش دارند به‌کار می‌رود. فرآیندپذیری این پلیمر گرمانرم دشوار است و از آن برای ساخت فیبرهای بسیار قوی استفاده می‌کنند تا بتواند جایگزین کولار (نوعی پلی آمید) در جلیقه‌های ضد گلوله شود. هم‌چنین صفحات بزرگ آن را می‌توان به‌عنوان جایگزین زمین‌های اسکیت یخی استفاده کرد.
2- با دانسيتۀ بالا (HDPE): پلی اتیلن خطی سخت‌تر از پلی‌اتیلن شاخه‌ای است و استحکام کششی بالایی دارد، اما پلی‌اتیلن شاخه‌ای آسان‌تر و ارزان‌تر ساخته می‌شود. پلیمریزاسیون این پلی‌اتیلن خطی در فشار و دماهای نسبتاً پایین انجام می‌شود و تنها اکسیدکننده‌های قوی، به‌طور محسوس، در محدوده دمایی مشخص، به این پلیمر حمله خواهند کرد. خواص مکانیکی این ماده، استفاده از آنها را در شکل‌های بزرگ‌تر و کاربردهایی نظیر مواد ورقه‌ای در داخل مخازن، به‌عنوان عایق‌کاری در ستون‌ها گسترش داده است. در این ماده از جوش حرارتی می‌توان استفاده کرد.
3- با اتصالات عرضی (PEX یا XLPE): پلی‌اتیلن با اتصالات عرضی است که از طریق ایجاد پیوندهای عرضی در ساختار پلیمر، آن را گرماسخت کرده و چگالی آن را افزایش می‌دهد. خواص این پلیمر در دمای بالا افزایش یافته، جریان‌پذیری آن کاهش و مقاومت شیمیایی آن بهبود می‌یابد. PEX در لوله‌کشی آب آشامیدنی به‌کار می‌رود؛ به این صورت که با انبساط‌دهی می‌توان آن را روی اتصالات فلزی کشید. با گذشت زمان و برگشت آن به حالت اولیه، یک اتصال دائمی ایجاد می‌شود. این پلیمر هم‌چنین برای عایق‌بندی کابل الکتریکی با ولتاژ متوسط یا بالا، لوله‌های آب گرم و قطعات قالب‌گیری‌شده به‌کار می‌رود.
4- متوسط (MDPE): این نوع پلی‌اتیلن مقاومت به ضربه خوبی دارد و مقاومت تنش-کرنش آن بیش از نوع HDPE است. این پلیمر بالاترین مقاومت شیمیایی را دارد و به‌طور معمول در لوله‌های گاز و اتصالات، بسته‌بندی، کیسه‌های حامل و درب‌های بطری استفاده می‌شود.
5- سبك خطي (LLDPE): این پلیمر از طریق کوپلیمریزاسیون مونومر اتیلن با α-اولفین‌های کوتاه‌زنجیر مانند 1-بوتن یا 1-هگزن با 1-اوکتن با شاخه‌های هیدروکربن کوتاه به‌دست می‌آید و از آن اغلب برای ساخت اشیایی شبیه فیلم‌های پلاستیکی (کیسه فریزر) استفاده می‌کنند. مقاومت کششی، ضربه و سوراخ‌شدگی آن بیشتر از نوع LDPE است و در مقایسه با آن، امکان ساخت فیلم دمشی با ضخامت کمتر با مقاومت تنش-شکست محیطی بهتر وجود دارد اما فرآوری آن آسان نیست.
6- سبک با دانسيته پايين (LDPE): در این نوع پلی‌اتیلن، مولکول‌های اتیلن به‌شکل تصادفی به یک‌دیگر متصل می‌شوند و شکل بسیار نامنظمی را ایجاد می‌کنند. تولید آن تحت فشار و دمای بالا و اغلب با استفاده از پلیمریزاسیون رادیکال‌های آزاد وینیلی و پلیمریزاسیون زیگلر-ناتا است. LDPE دارای سختی، مقاومت فشاری، شفافیت، انعطاف‌پذیری و خاصیت انبساط‌پذیری است؛ از این رو برای لوله‌کشی و بسته‌بندی‌ها استفاده می‌شود. مقاومت شیمیایی آن به‌اندازه HDPE و پلی‌پروپیلن نیست، اما در مقابل بسیاری از اسیدهای معدنی (HCl و HF) و قلیاها (NH4OH، KOH و NaOH) مقاوم بوده؛ ولی باید از تماس آن با آلکان‌ها، هیدروکربن‌های آروماتیک، هیدروکربن‌های کلرینه و اکسیدکننده‌های قوی (HNO3) اجتناب کرد. اتصال قسمت‌های مختلف از جنس پلی‌اتیلن با استفاده از جوش ذوبی انجام می‌شود. به این ترتیب، انجام لوله‌کشی به این شکل ارزان بوده و نسبت به دیگر مواد موجود، برای خطوط آب و فاضلاب و دیگر سرویس‌هایی که در معرض فشارها و یا درجه حرارت‌های بالا قرار نمی‌گیرند، بهترین انتخاب است.
7- خيلي سبك (VLDPE): پلی‌اتیلن با ساختار خطی دارای سطوح بالای شاخه‌های کوتاه‌زنجیره را پلی‌اتیلن VLDPE می‌گویند. این پلیمر از طریق کوپلیمریزاسیون اتیلن با α-اولفین‌های کوتاه‌زنجیره یا بهره‌گیری از کاتالیست‌های متالوسنی تولید می‌شود و در تولید شلنگ و لوله، کیسه‌های یخ و مواد غذایی یخ‌زده، بسته‌بندی مواد غذایی و هم‌چنین اصلاح‌کننده‌های ضربه (از طریق ترکیب با پلیمرهای دیگر) استفاده می‌شود.
ساختار مولکولی انواع پلی اتیلن
ساختار مولکولی انواع مختلف پلی‌اتیلن بر رفتار آنها مؤثر است و با کاهش شاخه‌ای شدن زنجیره‌های پلیمری و جرم مولکولی، بلورینگی آنها افزایش می‌یابد. چگالی و بلورینگی با یک‌دیگر رابطه مستقیم دارند و درجه شاخه‌ای شدن انواع پلی‌اتیلن، به‌طور مقایسه‌ای در شکل 5 مشاهده می‌شود.
| HDPE: |  |
| LLDPE: |  |
| LDPE: |  |
شکل 5. ساختار انواع پلی‌اتیلن
شاخه‌های زنجیره
میزان شاخه‌های جانبی پلی‌اتیلن به فرآیند تولید آن بستگی دارد و نوع و تعداد شاخه‌ها خواص را تحت تأثیر قرار می‌دهد. پلی‌اتیلن سبک با دانسيته پايين از طریق فرآیند فشار بالا با پلیمریزاسیون رادیکالی تولید می‌شود که هم‌زمان با آن، تعدادی شاخۀ کوتاه‌زنجیر نیز شکل می‌گیرد. این شاخه‌ها از طریق واکنش‌های انتقال، به زنجیر درون مولکولی بوتیل یا اتیل شکل می‌گیرند و مکانیسم آن در شکل 6 نشان داده شده است.
شکل 6: مکانیسم واکنش‌های انتقال به زنجیر درون مولکولی بوتیل یا اتیل در حین تولید LDPE
