پلی اتیلن چیست | انواع، خواص و کاربرد‌ها

پلی اتیلن چیست؟ پلی اتیلن به انگلیسی PE یک پلیمر ترموپلاستیک یا گرمانرم (پلاستیک قابل ذوب و بازیافت) است که از پلیمریزاسیون اتیلن ساخته می شود. این ماده پرکاربردترین پلاستیک در جهان است که برای تولید محصولات متنوعی مانند نایلون های شفاف بسته بندی مواد غذایی، کیسه های خرید، مخازن سوخت خودرو، لوله ها و… استفاده می شود. پلی اتیلن به دلیل ویژگی های منحصر به فرد خود مانند سبکی، انعطاف پذیری، مقاومت در برابر مواد شیمیایی، خواص عایق الکتریکی و مقاومت در برابر رطوبت، به یکی از مهمترین مواد پلیمری در جهان تبدیل شده است.

تاریخچه پلی‌اتیلن به اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم مربوط می‌شود. در سال ۱۸۹۸ هانس فون پشمان شیمیدان آلمانی، به طور تصادفی در حین بررسی دی‌آزومتان، ماده‌ای سفید و مومی شکل را کشف کرد که بعدها به نام پلی‌متیلن شناخته شد. این ماده در واقع نوعی پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا بود. با این حال تولید صنعتی پلی‌اتیلن تا دهه ۱۹۳۰ به تأخیر افتاد. در سال ۱۹۳۳ اریک فاوت و رجینالد گیبسون دو شیمیدان در شرکت ICI در انگلستان، با استفاده از فشار و دمای بالا موفق به تولید پلی‌اتیلن با چگالی کم (LDPE) شدند. در طول جنگ جهانی دوم نیاز به عایق‌های الکتریکی سبک و مقاوم به توسعه و تولید پلی‌اتیلن سرعت بخشید و LDPE به دلیل ویژگی‌های عایق الکتریکی ممتازش در تجهیزات نظامی به کار رفت.

در دهه ۱۹۵۰ کشف کاتالیزورهای جدید توسط کارل زیگلر و جولیو ناتا، تولید پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE) را تحت شرایط ساده‌تری ممکن ساخت. این پیشرفت تحولی عظیم در صنعت پلی‌اتیلن ایجاد کرد و منجر به تولید انواع مختلفی از این پلیمر با ویژگی‌های منحصر به فرد گردید. تولید تجاری پلی‌اتیلن از سال ۱۹۴۲ آغاز شد و به سرعت در صنایع مختلف از جمله بسته‌بندی، لوله‌سازی و تولید قطعات پلاستیکی رایج شد. در حال حاضر انواع متنوعی از پلی‌اتیلن با خصوصیات متفاوت تولید می‌شوند که شامل پلی‌اتیلن با چگالی کم (LDPE)، پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE)، پلی‌اتیلن خطی با چگالی کم (LLDPE) و پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE) می‌باشد. هر یک از این انواع کاربردهای خاص خود را دارند و به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد، در زمینه‌های مختلف صنعتی و روزمره مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پلی اتیلن بر اساس چگالی و وزن مولکولی به چندین نوع تقسیم می‌شود. در ادامه به بررسی انواع اصلی پلی اتیلن خواهیم پرداخت:

پلی اتیلن سنگین (HDPE) یک نوع پلیمر ترموپلاستیک با چگالی بالا است که از فرآیند پلیمریزاسیون اتیلن تحت فشار پایین تولید می‌شود. چگالی این ماده بین 0.941 تا 0.965 گرم بر سانتیمتر مکعب متغیر است و ساختار مولکولی آن به صورت خطی با شاخه‌های جانبی کم طراحی شده است. این ویژگی‌ها سبب افزایش استحکام و مقاومت HDPE در برابر تنش‌ها و شرایط محیطی می‌شود. به دلیل ویژگی‌های برجسته‌ای همچون مقاومت شیمیایی، تحمل ضربه و کشش، و دوام بالای این ماده، HDPE در تولید انواع محصولات از قبیل لوله‌ها، بطری‌ها و بسته‌بندی‌ها به کار می‌رود. همچنین این پلیمر قابلیت بازیافت دارد و در کد بازیافت 2 قرار می‌گیرد. دمای ذوب HDPE بین 180 تا 280 درجه سانتیگراد است که نشان‌دهنده توانایی آن در تحمل دماهای بالا است.

پلی اتیلن سبک (LDPE) یک پلیمر نیمه سخت و نیمه شفاف با چگالی پایین است که از پلیمریزاسیون اتیلن تحت فشار بالا به دست می‌آید. این ماده به دلیل انعطاف‌پذیری و کشسانی بالا، مقاومت خوبی در برابر رطوبت و خواص عایق الکتریکی از خود نشان می‌دهد. LDPE به طور گسترده در صنایع مختلف به ویژه در تولید بسته‌بندی‌ها، کیسه‌های پلاستیکی، ظروف و اسباب بازی‌های پلاستیکی استفاده می‌شود. این پلیمر به دلیل ویژگی‌های خاص خود، به ویژه در صنعت بسته‌بندی به دلیل مقاومت در برابر رطوبت و قابلیت انعطاف، بسیار محبوب است. همچنین LDPE قابلیت بازیافت دارد و به عنوان یکی از پرمصرف‌ترین و مقرون به صرفه‌ترین پلیمرها در جهان شناخته می‌شود که به سازگاری آن با محیط زیست نیز کمک می‌کند.

پلی اتیلن سبک خطی (LLDPE) نوعی پلیمر ترموپلاستیک است که از فرآیند کوپلیمریزاسیون اتیلن و آلفا-الفین‌های بلندتر مانند بوتن، هگزن یا اکتن تولید می‌شود. این ماده به دلیل ساختار مولکولی خود که شامل زنجیره‌های خطی و شاخه‌های کوتاه جانبی است، ویژگی‌های منحصر به فردی دارد. چگالی LLDPE بین 0.915 تا 0.925 گرم بر سانتی‌متر مکعب قرار دارد و به همین دلیل ترکیبی از خواص مطلوب LDPE و HDPE را ارائه می‌دهد. از جمله این خواص می‌توان به مقاومت کششی بالا، انعطاف‌پذیری مناسب و مقاومت در برابر پارگی اشاره کرد. این پلیمر به ویژه به دلیل عملکرد مکانیکی برتر نسبت به LDPE و هزینه مناسب‌تر در مقایسه با HDPE در صنایع مختلفی از جمله تولید فیلم‌های پلاستیکی، کیسه‌های زباله، پوشش‌های کابل و محصولات بسته‌بندی کاربرد فراوانی دارد. همچنین قابلیت بازیافت LLDPE و مصرف انرژی کمتر در فرآیند تولید، آن را به گزینه‌ای سازگار با محیط زیست تبدیل می‌کند.

پلی اتیلن با چگالی متوسط (MDPE)  نیز نوعی پلیمر ترموپلاستیک است که از نظر چگالی و خواص فیزیکی، در میان LDPE و HDPE قرار می‌گیرد. چگالی MDPE معمولاً بین 0.926 تا 0.953 گرم بر سانتی‌متر مکعب است و دارای بلورینگی بین 70% تا 80% می‌باشد. این ماده به عنوان یک پلاستیک با ویژگی‌های متوسط شناخته می‌شود و از جمله خصوصیات آن می‌توان به مقاومت خوب در برابر ضربه و شوک، مقاومت بالا در برابر ترک‌های ناشی از تنش‌های محیطی و حفظ استحکام طولانی‌مدت اشاره کرد. MDPE نسبت به HDPE حساسیت کمتری به ترک‌ها دارد که این امر آن را برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر فشارهای محیطی دارند مناسب می‌سازد. در نتیجه MDPE در صنایع مختلف از جمله تولید لوله‌ها، اتصالات، فیلم‌های بسته‌بندی و محصولات پلاستیکی با نیاز به تعادل بین انعطاف‌پذیری و استحکام، به کار می‌رود.

پلی اتیلن متقاطع (XLPE) نوع دیگری از پلی اتیلن است که از طریق فرآیند شبکه‌ای شدن، به ساختاری سه‌بعدی و مستحکم تبدیل می‌شود. این فرآیند باعث بهبود ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی ماده می‌گردد و در نتیجه XLPE  قادر به تحمل دماهای بالا و شرایط سخت محیطی می‌باشد. به علت این خصوصیات منحصر به فرد این ماده در صنایع برق و الکترونیک به عنوان عایق کابل‌ها و سیم‌ها، در سیستم‌های لوله‌کشی آب سرد و گرم و همچنین در تولید تجهیزات پزشکی و بهداشتی به کار می‌رود. علاوه بر این مقاومت XLPE در برابر ترک‌خوردگی ناشی از تنش‌های محیطی (SCC) بسیار بالا است و به همین دلیل در کاربردهای با ولتاژ بالا به شدت مورد توجه قرار دارد. با توجه به دوام و پایداری این ماده می‌توان آن را گزینه‌ای مناسب برای کاربردهایی دانست که نیاز به مقاومت در برابر حرارت، فشار و مواد شیمیایی دارند. این ویژگی‌ها موجب می‌شود که XLPE به عنوان یکی از مواد کلیدی در صنایع مختلف به شمار آید.

پلی‌اتیلن به دلیل ساختار شیمیایی ساده و امکان تغییر در آرایش زنجیرهای پلیمری، خواص فیزیکی متنوعی دارد که آن را به ماده‌ای بسیار پرکاربرد در صنایع مختلف تبدیل کرده است. این خواص به طور عمده به عوامل زیر بستگی دارند:

• چگالی: چگالی پلی‌اتیلن به میزان فشردگی زنجیرهای پلیمری و میزان بلورینگی آن بستگی دارد. پلی‌اتیلن سبک (LDPE) معمولاً چگالی بین 0.910 تا 0.940 گرم بر سانتی‌متر مکعب دارد، در حالی که پلی‌اتیلن سنگین (HDPE) چگالی بین 0.941 تا 0.965 گرم بر سانتی‌متر مکعب دارد. چگالی بر خواصی مانند استحکام، سختی، و نفوذپذیری تأثیر می‌گذارد.
• میزان بلورینگی: پلی‌اتیلن ساختاری نیمه‌بلورین دارد، به این معنی که هم نواحی بلورین (منظم) و هم نواحی آمورف (نامنظم) در ساختار آن وجود دارد. میزان بلورینگی بین 35 تا 80 درصد متغیر است و به عواملی مانند وزن مولکولی و میزان شاخه‌دار بودن زنجیرها بستگی دارد. بلورینگی بالاتر منجر به افزایش استحکام، سختی، و مقاومت شیمیایی می‌شود.
• وزن مولکولی: وزن مولکولی پلی‌اتیلن بر خواصی مانند ویسکوزیته مذاب، استحکام، و مقاومت ضربه تأثیر می‌گذارد. پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بالاتر، استحکام و مقاومت ضربه بیشتری دارد.
• استحکام کششی: استحکام کششی پلی‌اتیلن به نوع و درجه شاخه‌دار بودن آن بستگی دارد و معمولاً بین 10 تا 30 مگاپاسکال (حدود 100 تا 300 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع) متغیر است.
• پلی اتیلن دمای ذوب: نقطه ذوب پلی‌اتیلن نیز به میزان بلورینگی آن بستگی دارد. LDPE نقطه ذوبی در حدود 105 تا 115 درجه سانتی‌گراد و HDPE نقطه ذوبی در حدود 120 تا 135 درجه سانتی‌گراد دارد.
• انعطاف‌پذیری: پلی‌اتیلن به ویژه LDPE، انعطاف‌پذیری بسیار خوبی دارد که آن را برای کاربردهایی مانند فیلم‌های بسته‌بندی مناسب می‌سازد.
• مقاومت ضربه: پلی‌اتیلن مقاومت ضربه خوبی دارد، به خصوص در گریدهایی با وزن مولکولی بالا.
• مقاومت شیمیایی: پلی‌اتیلن در برابر بسیاری از مواد شیمیایی مانند اسیدها، بازها، و حلال‌های آلی مقاوم است. این خاصیت آن را برای کاربردهایی مانند مخازن ذخیره مواد شیمیایی و لوله‌های انتقال مناسب می‌سازد.
• خواص الکتریکی: پلی‌اتیلن عایق الکتریکی بسیار خوبی است و به همین دلیل در کابل‌ها و عایق‌های الکتریکی کاربرد فراوانی دارد.
• مقاومت در برابر فرسایش محیطی: پلی‌اتیلن در برابر عوامل محیطی مانند نور خورشید، رطوبت، و تغییرات دما مقاومت نسبتاً خوبی دارد. با افزودن پایدارکننده‌ها می‌توان این مقاومت را بهبود بخشید.

در جواب سوال پلی اتیلن چگونه ساخته می شود، باید گفت که پلی اتیلن از طریق فرایند پلیمریزاسیون گاز اتیلن (C₂H₄) تولید می‌شود. این فرایند می‌تواند به چند روش مختلف انجام شود که هر کدام ویژگی‌ها و محصولات خاص خود را دارند. دو روش تولید پلی اتیلن عبارتند از: پلیمریزاسیون فشار بالا و پلیمریزاسیون فشار پایین.

روش تولید پلی اتیلن با چگالی پایین که اولین بار در سال ۱۹۳۳ توسط شرکت آی‌سی‌آی توسعه یافت، یک فرایند پیچیده و دقیق است که از مراحل متعددی تشکیل شده است. ابتدا اتیلن که از منابع هیدروکربنی به دست می‌آید، توسط فرآیند تقطیر جدا و خالص‌سازی می‌شود. سپس این گاز تحت فشار و دمای بسیار بالایی قرار می‌گیرد که معمولاً بین ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد و حدود ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ اتمسفر است. در مرحله بعد کاتالیستی خاص معمولاً پراکسید، به مخلوط اضافه می‌شود تا واکنش پلیمریزاسیون را آغاز کند. این واکنش باعث می‌شود که اتیلن به واحدهای پلیمری تبدیل شده و زنجیره‌های پلی اتیلن تشکیل دهد. در نهایت پلی اتیلن تولید شده از راکتور خارج شده، خنک و جامد می‌شود و برای استفاده‌های بعدی به صورت دانه‌های پلاستیکی بسته‌بندی می‌گردد. این فرایند نه تنها نیازمند دقت فنی بالایی است بلکه نیاز به تجهیزات پیشرفته و کنترل دقیق شرایط واکنش دارد تا محصول نهایی با کیفیت مطلوب و خصوصیات فیزیکی مناسب تولید شود.

روشی که توسط کارل زیگلر و جولیانی ناتا در سال ۱۹۵۳ توسعه یافت، امروزه به عنوان یکی از مهم‌ترین فرایندها در صنعت پلیمر شناخته می‌شود. این روش برای تولید پلی اتیلن با چگالی بالا و پلی اتیلن خطی با چگالی پایین به کار می‌رود و مزیت اصلی آن استفاده از دما و فشار پایین‌تر در حدود ۱۰۰ تا ۲۰۰ اتمسفر است که باعث می‌شود فرایند پلیمریزاسیون با کارایی بیشتر و هزینه کمتری انجام شود. کاتالیست‌های فلزی نقش کلیدی در این فرایند دارند زیرا باعث تسهیل واکنش‌های شیمیایی مورد نیاز برای تبدیل اتیلن به زنجیره‌های پلی اتیلن می‌شوند.

مراحل این فرایند شامل آماده‌سازی اتیلن که در آن اتیلن خالص‌سازی می‌شود، افزودن کاتالیست زیگلر-ناتا که شامل ترکیبات تیتانیوم و آلومینیوم است و پلیمریزاسیون که در آن اتیلن در دما و فشار پایین‌تر به زنجیره‌های پلی اتیلن تبدیل می‌شود، می‌باشد. بسته به نوع کاتالیست و شرایط فرایند، می‌توان انواع مختلفی از پلی اتیلن را تولید کرد. در نهایت، پلی اتیلن تولید شده از راکتور خارج شده، خنک و جامد می‌شود و به صورت دانه‌های پلاستیکی برای استفاده در محصولات مختلف بسته‌بندی می‌گردد.

این فرایند نه تنها به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است بلکه به دلیل کاهش نیاز به انرژی و فشار، از نظر زیست‌محیطی نیز مزایای قابل توجهی دارد. از این رو روش زیگلر-ناتا به عنوان یکی از پایه‌های اساسی در صنعت پلیمر و پتروشیمی محسوب می‌شود و تأثیر عمیقی بر توسعه مواد پلاستیکی داشته است که امروزه در سراسر جهان استفاده می‌شوند.

یکی از روش‌های متداول در تولید پلی اتیلن به ویژه برای تولید HDPE و LLDPE، استفاده از فرایندی است که در آن اتیلن در کنار کاتالیست در فاز گاز قرار می‌گیرد و پلیمریزاسیون در بستر سیال انجام می‌شود. این فرایند شامل مراحل زیر است: ابتدا اتیلن خالص‌سازی شده و به حالت گازی درآورده می‌شود. سپس کاتالیست به همراه اتیلن در راکتور بستر سیال مخلوط می‌گردد. در ادامه اتیلن در فاز گاز پلیمریزه شده و ذرات جامد پلی اتیلن تشکیل می‌یابند. در نهایت پلی اتیلن جامد از فاز گاز جدا شده، خنک سازی و بسته‌بندی می‌شود. این روش به دلیل کنترل دقیق‌تر شرایط واکنش و خواص محصول نهایی، اهمیت ویژه‌ای دارد.

در روش پلیمریزاسیون اتیلن در محلول ابتدا اتیلن و حلالی مانند هگزان یا بوتان خالص‌سازی می‌شوند. سپس کاتالیست مناسبی به مخلوط اضافه شده تا فرایند پلیمریزاسیون آغاز گردد. در این فرایند که معمولاً در دما و فشار متوسط صورت می‌گیرد، اتیلن در حلال پلیمریزه شده و پلی اتیلن تولید می‌شود. در نهایت پلی اتیلن از حلال جدا شده، خنک می‌گردد، به حالت جامد درمی‌آید و برای استفاده‌های بعدی بسته‌بندی می‌شود. این روش امکان تولید انواع مختلف پلی اتیلن را فراهم می‌آورد و برای مصارف گوناگون صنعتی کاربرد دارد.

پلی‌اتیلن با توجه به خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد خود در صنایع متنوعی کاربرد دارد. این ماده به دلیل انعطاف‌پذیری، مقاومت در برابر رطوبت و شفافیت، به طور گسترده‌ای در صنعت بسته‌بندی مورد استفاده قرار می‌گیرد که شامل تولید کیسه‌های پلاستیکی، فیلم‌های بسته‌بندی غذایی و صنعتی و ظروف پلاستیکی است.

در صنعت ساخت و ساز پلی‌اتیلن برای تولید لوله‌ها، ورق‌ها و مواد عایق به کار می‌رود که این استفاده به دلیل مقاومت بالای آن در برابر مواد شیمیایی و شرایط جوی مختلف است. لوله‌های پلی‌اتیلنی به ویژه لوله‌های HDPE، به دلیل مقاومت بالا در برابر فشار و ضربه، در پروژه‌های زیرساختی مورد توجه قرار گرفته‌اند.

در صنایع خودروسازی پلی‌اتیلن برای تولید قطعاتی مانند باک‌های سوخت، ضربه‌گیرها و عایق‌های صوتی استفاده می‌شود که ویژگی‌هایی مانند مقاومت به ضربه و سبک بودن آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای این کاربردها تبدیل کرده است.

همچنین به عنوان عایق الکتریکی در صنایع الکترونیکی به کار می‌رود که در تولید کابل‌ها و سیم‌های الکتریکی، عایق‌های ترانسفورماتورها و قطعات الکترونیکی مختلف استفاده می‌شود.

در صنایع پزشکی نیز به دلیل خنثی بودن و عدم واکنش با مواد بیولوژیکی، پلی‌اتیلن برای تولید تجهیزات پزشکی مانند سرنگ‌ها، لوله‌های آزمایشگاهی و بسته‌بندی‌های دارویی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این تنوع در کاربرد پلی‌اتیلن را به یکی از مواد پرکاربرد در صنایع مدرن تبدیل کرده است.

پلی اتیلن به دلیل مقاومت شیمیایی بالا در برابر بسیاری از مواد شیمیایی، برای کاربردهای مختلف صنعتی مناسب است. این ماده به خاطر انعطاف‌پذیری بالایی که دارد، در برابر ضربه و فشار مقاومت خوبی از خود نشان می‌دهد.

پلی اتیلن به دلیل چگالی پایین، بسیار سبک است و این ویژگی حمل و نقل و نصب آن را آسان می‌کند. همچنین در پاسخ به سوال آیا پلی اتیلن قابل بازیافت است؟ باید گفت بله پلی اتیلن به راحتی قابل بازیافت است و این امر در حفظ محیط زیست نقش مهمی دارد.

علاوه بر این پلی اتیلن به عنوان یک عایق الکتریکی و حرارتی بسیار خوب، در صنایع الکترونیکی و ساختمان‌سازی کاربرد فراوانی دارد. با این حال پلی اتیلن در معرض نور خورشید و اشعه ماوراء بنفش (UV) تجزیه می‌شود و خواص مکانیکی خود را از دست می‌دهد که برای جلوگیری از این مشکل معمولاً افزودنی‌های ضد UV به آن اضافه می‌شود.

همچنین پلی اتیلن در دماهای بالا نرم شده و خواص مکانیکی خود را از دست می‌دهد. بنابراین استفاده از آن در دماهای بالا محدود است. در نهایت پلی اتیلن در دماهای پایین شکننده شده و مقاومت به ضربه آن کاهش می‌یابد.

پلی اتیلن به عنوان یکی از پرکاربردترین پلیمرهای مصنوعی در جهان، در انواع مختلفی تولید می‌شود که هر کدام ویژگی‌های منحصر به فردی دارند. این انواع شامل پلی اتیلن سنگین (HDPE) با استحکام و مقاومت بالا، پلی اتیلن سبک (LDPE) با انعطاف‌پذیری عالی، پلی اتیلن سبک خطی (LLDPE) که ترکیبی از خواص HDPE و LDPE را دارد، پلی اتیلن با چگالی متوسط (MDPE) که تعادلی بین استحکام و انعطاف‌پذیری ایجاد می‌کند، و پلی اتیلن متقاطع (XLPE) با مقاومت حرارتی و شیمیایی بالا می‌شود.

هر یک از این انواع پلی اتیلن در صنایع مختلف از جمله بسته‌بندی، لوله‌کشی، الکترونیک، و تولید محصولات مصرفی کاربرد گسترده‌ای دارند. ویژگی‌های متنوع پلی اتیلن شامل مقاومت در برابر رطوبت، انعطاف‌پذیری، استحکام، مقاومت شیمیایی، مقاومت حرارتی، و قابلیت بازیافت است. به دلیل این ویژگی‌ها پلی اتیلن در تولید محصولات مختلفی مانند کیسه‌های پلاستیکی، بطری‌ها، لوله‌ها، فیلم‌های بسته‌بندی، عایق‌های الکتریکی، و قطعات خودرو استفاده می‌شود. انتخاب نوع مناسب پلی اتیلن برای هر کاربرد خاص، نقش مهمی در بهینه‌سازی عملکرد و کارایی محصولات نهایی دارد.