آیا در مورد پلیمراسیون چیزی می‌دانید؟ در دنیای شیمی و صنایع مربوط به ان، فرایند پلیمری شدن از اهمیت بالایی برخوردار است. به رخ دادن واکنش پلیمری شدن پلیمراسیون می گویند. پلی اتیلن نیز از فرایند پلیمراسیون به وجود می آید. از آنجایی که پلی اتیلن در انواع مختلفی وجود دارد، فرایند پلیمراسیون هم برای هر کی از آن ها متفاوت است. در این مقاله با ما همراه باشید تا با فرایند پلیمراسیون انواع پلی اتیلن آشنا شوید.
پلی اتیلن چیست؟
پلی اتیلن (Polyethylene) یک نوع پلیمر است که به صورت گسترده در صنایع مختلف استفاده می‌شود. ورق پلی اتیلن یکی از پرکاربردترین پلیمرها در جهان است و به دلیل ویژگی‌های مناسبش مانند مقاومت در برابر ضربه، انعطاف‌پذیری، عایق بودن، ضداستخراج و قابلیت تولید به صورت رنگی، در بسیاری از محصولات مورد استفاده قرار می‌گیرد. پلی اتیلن به صورت یک ماده سفید و بی‌بو تولید می‌شود و می‌توان آن را به راحتی رنگ‌آمیزی کرد. موضوع مهم دیگر در مورد پلی اتیلن این است که در انواع مختلفی وجود دارد که عبارتند از:
- پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق‌العاده بالا
- پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار کم
- پلی اتیلن با وزن مولکولی بالا
- پلی اتیلن چگالی بالا
- پلی اتیلن پیوند عرضی چگالی بالا
- پلی اتیلن با چگالی متوسط
این پلیمر دارای مقاومت بالا در برابر تغییرات شیمیایی و حرارتی است و به طور طبیعی ضد آب است. به علاوه، قابلیت قالب‌گیری و تشکیل از پلی اتیلن، سبب شده است که در تولید انواع بطری‌ها، ظروف مواد غذایی، فیلم‌ها، لوله‌ها، کیسه‌ها و بسیاری از محصولات بسته‌بندی دیگر استفاده شود. با توجه به وزن سبک، پایین بودن هزینه تولید و قابلیت بازیافت، پلی اتیلن به عنوان یک جایگزین مناسب برای موادی مانند فلزات و شیشه مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین، این ماده در صنایع مختلفی از جمله خودروسازی، الکترونیک، ساختمان، کشاورزی و بسیاری صنایع دیگر، به طور گسترده استفاده می‌شود
پلیمراسیون چیست؟
پلیمراسیون به معنای روند شیمیایی تشکیل یک پلیمر است. پلیمرها مولکول‌های بزرگی هستند که از تکرار واحدهای کوچکتر به نام مونومرها ساخته شده‌اند. در فرآیند پلیمراسیون، مونومرها با هم ترکیب می‌شوند و لینک های شیمیایی (معمولاً لینک های کربن-کربن) بین آنها شکل می‌گیرد. این فرآیند به صورت متمرکز (تمام مونومرها در یک مرحله) یا پیوسته (مونومرها به تدریج به پلیمر تبدیل می‌شوند) انجام می‌شود. در پلیمراسیون، مواد اولیه یا مونومرها به عنوان واحدهای سازنده استفاده می‌شوند. این مونومرها می‌توانند همانند یا مختلف باشند و با رابطه شیمیایی مناسب به یکدیگر متصل می‌شوند. پس از اتصال مونومرها، مونومری بزرگتر به نام پلیمر تشکیل می‌شود.
پلیمراسیون به عنوان یک فرآیند تولید پلیمرها در صنایع مختلف از جمله صنایع پلاستیک، الیاف مصنوعی، پوشاک و صنایع شیمیایی استفاده می‌شوند. دو نوع اصلی پلیمراسیون شامل پلیمراسیون رادیکالی و پلیمراسیون یونی است. در پلیمراسیون رادیکالی، رادیکال‌ها (اتم‌ها یا گروه‌هایی با الکترون آزاد) در فرآیند ترکیب مونومرها نقش اساسی دارند. در پلیمراسیون یونی، یون‌ها (مثبت یا منفی) برای تشکیل لینک های شیمیایی در فرآیند پلیمراسیون استفاده می‌شوند. پلیمراسیون امکان تولید پلیمرهای مختلف با خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت را فراهم می‌کند و از طریق تغییر شرایط فرآیند می‌توان به کنترل خواص پلیمرها پرداخت.
نحوه پلیمراسیون پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق‌العاده بالا
پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق‌العاده بالا، به عنوان پلی اتیلنی با فشار بالا یا پلی اتیلن با فشار فوق بالا شناخته می‌شود. پلی اتیلن برای ساخت وسایلی از جمله لوله‌ها، فیلم‌ها، و نخ‌های فیبری استفاده می‌شود. روشی که برای پلیمراسیون پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق‌العاده بالا استفاده می‌شود، روش پلیمراسیون به روش زنجیره باز است. در این روش، مونومر اتیلن به وجود می‌آید که از طریق واکنش همزمان بین مولکول‌های پلیمری بسیار کوچک به یکدیگر، به شکل زنجیره‌ای بلندتر پلیمریزه می‌شود. این روند می‌تواند به دو صورت زیر صورت بگیرد:
- پلیمراسیون برخط (Bulk Polymerization): در این روش، مونومر اتیلن در یک واکنش‌گر بزرگ با فشار بالا و دمای بالا قرار می‌گیرد. معمولاً از یک کاتالیست مثل فلز نیکل یا زیرکونیوم استفاده می‌شود. پلیمراسیون برخط باعث تشکیل زنجیره‌های پلیمری بلند و پیچیده می‌شود.
- پلیمراسیون در حالت محلول (Solution Polymerization): در این روش، مونومر اتیلن در یک محلول حلال قرار می‌گیرد که حلال معمولاً یک هیدروکربن سبک مانند هگزان است. کاتالیست نیز به طور عمومی موجود است. در این روش، پلیمراسیون با دقت کنترل می‌شود و می‌توان وزن مولکولی بالا را کنترل کرد.
هر دو روش بالا قابلیت تولید پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق‌العاده بالا را دارند، ولی روش پلیمراسیون در حالت محلول به عنوان روشی دقیق‌تر و قابل کنترل‌تر شناخته می‌شود.
نحوه پلیمراسیون پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار کم
پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار کم به عنوان پلی اتیلن با نشانه‌گذاری Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene (UHMWPE) شناخته می‌شود. پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار کم به طور معمول با استفاده از فرآیند پلیمراسیون رادیکالی تولید می‌شود. در این فرآیند، رادیکال‌های آزاد برای رشته‌بندی و ایجاد لنگرها در مولکول‌های مونومری پلی اتیلن به کار می‌روند. مراحل اصلی فرآیند پلیمراسیون پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار کم عبارتند از:
- آماده‌سازی مونومر: در این مرحله، مونومر اتیلن (C2H4) تحت فشار بالا و در حضور یک ماده رادیکالیزه کننده مانند پراکسید بنزوئیل به عنوان آغازگر رادیکالی تهیه می‌شود.
- رشته‌بندی: مونومر اتیلن در حضور آغازگر رادیکالی و در شرایط حرارتی مناسب قرار می‌گیرد. آغازگر رادیکالی طبق یک مکانیسم رادیکالیزه نیومن در دستگاه همزن، به رادیکال‌های آزاد تبدیل می‌شود. این رادیکال‌های آزاد با مونومرهای اتیلن باز‌واکنش می‌کنند و لنگرها را در مولکول پلی اتیلن بسیار کم ایجاد می‌کنند.
- رشد زنجیره: پس از تشکیل لنگرها، رادیکال‌های آزاد به طور مداوم با مونومرهای اتیلن باز‌واکنش می‌کنند و زنجیره‌های پلیمری را رشد می‌دهند. این فرآیند ادامه می‌یابد تا وزن مولکولی مورد نظر برای پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار کم به دست آید.
- پایان فرآیند: پس از دست‌یابی به وزن مولکولی مطلوب، فرآیند پلیمراسیون متوقف می‌شود و پلیمرهای UHMWPE به عنوان محصول نهایی جدا می‌شوند. به عنوان یک نکته، برای تولید پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار کم، شرایط و عوامل فرآیند مانند آغازگر رادیکالی، دما، فشار و نسبت مونومر به آغازگر رادیکالی باید به دقت تنظیم شوند.
نحوه پلیمراسیون پلی اتیلن با وزن مولکولی بالا
پلی اتیلن با وزن مولکولی بالا به عنوان یک پلیمر بسیار مهم در صنعت به کار می‌رود. فرایند پلیمراسیون پلی اتیلن با وزن مولکولی بالا، به طور عمده به دو روش زیر صورت می‌گیرد: پلیمراسیون رادیکالی و پلیمراسیون یونی.
پلیمراسیون رادیکالی
پلیمراسیون رادیکالی شامل سه مرحله اصلی است: آماده‌سازی ماده، آغاز رشته و پایان رشته.
آماده‌سازی ماده
در این مرحله، یک مونومر به عنوان واکنش‌گر و یک آغازگر رادیکالی اضافه می‌شود. آغازگرهای رادیکالی معمولاً آزمایشگاهی هستند و حاوی یک گروه رادیکالی، مانند پراکسید بنزوئیل (BPO) یا آزبیس‌ایزوبوتیرونیتریل (AIBN) هستند. همچنین، برای کنترل وزن مولکولی، ممکن است ماده‌ای به عنوان مهارکننده زنجیره نیز اضافه شود.
آغاز رشته
در این مرحله، آغازگر رادیکالی تحت تأثیر گرما یا نور تجزیه می‌شود و رادیکال آزاد تولید می‌شود. این رادیکال آزاد سپس به مونومرها متصل می‌شود و زنجیره‌های پلیمری را شروع می‌کند. این فرایند ادامه می‌یابد تا زمانی که آغازگرها تمام شوند یا مونومرها به پایان برسند.
پایان رشته
در این مرحله، رادیکال‌های آزاد به تدریج تجزیه می‌شوند و رشته‌های پلیمری تشکیل شده پایان می‌یابند. در این مرحله نیز ممکن است مهارکننده زنجیره به عنوان کنترل‌کننده وزن مولکولی مورد استفاده قرار گیرد.
پلیمراسیون یونی
در پلیمراسیون یونی، پلیمراسیون با استفاده از یون‌ها انجام می‌شود. دو روش رایج در این دسته عبارتند از:
- پلیمراسیون یونی رادیکالی (ROP): در این روش، مونومرهایی با گروه‌های فعالیت یونی تهیه می‌شوند و توسط یون‌های رادیکالی یا مولکول‌های رادیکالی به هم پیوند می‌شوند.
- پلیمراسیون یونی یونی (IONP): در این روش، مونومرهای با گروه‌های فعالیت یونی تهیه می‌شوند و توسط یون‌های مثبت یا منفی به هم پیوند می‌شوند.
در هر دو روش پلیمراسیون رادیکالی و پلیمراسیون یونی، عوامل متفاوتی مانند نوع و غلظت آغازگر، دما، زمان و مهارکننده زنجیره می‌توانند بر وزن مولکولی پلی اتیلن تأثیر بگذارند. هر چند که برای اطلاعات دقیق‌تر و بررسی فرایند تولید پلی اتیلن با وزن مولکولی بالا، بهتر است به منابع علمی و کتب مرجع مراجعه کنید.
نحوه پلیمراسیون پلی اتیلن چگالی بالا
پلیمراسیون پلی اتیلن چگالی بالا به صورت عمده توسط روش پلیمراسیون با فشار بالا (High Pressure Polymerization) انجام می‌شود. در این روش، اتیلن گاز در فشار و دمای بالا به وجود می‌آید و در حضور کاتالیست پلیمریزه می‌شود. به طور کلی، فرایند پلیمراسیون پلی اتیلن چگالی بالا شامل مراحل زیر است:
- آماده‌سازی راکتور: راکتوری که برای پلیمراسیون پلی اتیلن چگالی بالا استفاده می‌شود، باید مقاومت در برابر فشار و دمای بالا را داشته باشد. در این مرحله، راکتور به شکل مناسبی آماده می‌شود و هرگونه رطوبت و آلودگی احتمالی از آن حذف می‌شود.
- تزریق گاز: اتیلن گاز به صورت فشرده وارد راکتور می‌شود. اتیلن با افزایش فشار و دما و در حضور کاتالیست پلیمریزه می‌شود
- پلیمراسیون: در این مرحله، کاتالیست پلیمریزه عملکرد خود را شروع می‌کند و زنجیره‌های پلیمری را با یکدیگر پیوند می‌دهد. اتیلن به صورت پلی اتیلن به طول زیادی پلیمریزه می‌شود و پلیمرهای زنجیره‌ای بزرگ و چگال تشکیل می‌دهد.
- خنک‌کننده: پس از پلیمراسیون، حرارت تولیدشده باید از راکتور حذف شود و دما را به حداقل مقدار مناسب برساند. برای این منظور از سیستم‌های خنک‌کننده استفاده می‌شود.
- جداسازی و فرآیندهای پس‌از پردازش: پس از خنک‌کردن پلیمر، آن را از راکتور جدا می‌کنند. سپس پلیمر را به مراحل پس‌از پردازش مانند خرد کردن، ذوب، فشرده‌سازی و موارد دیگر تحت می‌گیرند.
این فرایند پلیمراسیون پلی اتیلن چگالی بالا یکی از روش‌های رایج برای تولید پلی اتیلن با چگالی بالا است. در این روش، نیاز به کاتالیست‌های خاصی مانند آلومینیم سولفات یا آلومینیم تری‌بوتیل وجود دارد تا بتوانند فرایند پلیمراسیون را آغاز کنند و تشکیل زنجیره‌های پلیمری را ایجاد کنند.
نحوه پلیمراسیون پلی اتیلن پیوند عرضی چگالی بالا
پلیمراسیون پلی اتیلن پیوند عرضی (Cross-linking) یک روش است که با استفاده از آن می‌توان پلی اتیلن با چگالی بالا و خواص فیزیکی و مکانیکی بهتری تولید کرد. در این روش، پلیمر پلی اتیلن اصلی (بدون پلیمراسیون پیوند عرضی) با استفاده از یک عامل پلیمراسیون پلی اتیلن پیوند عرضی بهبود یافته و سه بعدی می‌شود. فرآیند پلیمراسیون پلی اتیلن پیوند عرضی معمولاً با استفاده از تابش یونیزان (Ionizing Radiation) مانند پرتو گاما یا پرتو ایکس انجام می‌شود.
در این فرآیند، پلی اتیلن به عنوان ماده اولیه در قالب قرص‌ها، ورق‌ها یا شیشه‌ها قرار می‌گیرد. سپس تابش یونیزان به آن اعمال می‌شود که منجر به تشکیل رادیکال‌ها در ساختار پلی اتیلن می‌شود. رادیکال‌ها به عنوان نقاط شروع برای پلیمراسیون پیوند عرضی عمل می‌کنند. آنها با زنجیره‌های پلی اتیلن موجود بازی‌های شیمیایی را آغاز می‌کنند و باعث تشکیل پلیمری سه بعدی می‌شوند. پلیمراسیون پیوند عرضی می‌تواند به وسیله عواملی مانند آزوبیسیسیانات‌ها (Azobisisocyanates)، پلیمراسیون پلی اتیلن آمینی (Polyethyleneimine)، رادیکال‌های آزاد یا پلی اتیلن گلیکول دی متاکریلات (Polyethylene Glycol Dimethacrylate) انجام شود.
پس از پلیمراسیون پیوند عرضی، پلیمر پلی اتیلن سه بعدی که به عنوان پلیمر پلی اتیلن پیوند عرضی شناخته می‌شود، دارای ساختاری شبکه‌ای است که باعث می‌شود چگالی آن بالاتر از پلی اتیلن اصلی باشد. این ساختار شبکه‌ای منجر به بهبود ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی مانند مقاومت در برابر حرارت، مقاومت در برابر شیمیایی‌ها، و مقاومت در برابر تنش می‌شود.
نحوه پلیمراسیون پلی اتیلن با چگالی متوسط
پلیمراسیون پلی اتیلن یک فرایند شیمیایی است که به وسیله آن مونومرهای اتیلن به ساختار پلیمری طولانی متصل می‌شوند. چگالی متوسط پلی اتیلن (MDPE) به معنی چگالی میانی بین پلی اتیلن بافتی (LDPE) و پلی اتیلن بافت دار (HDPE) است. در ادامه، فرایند پلیمراسیون پلی اتیلن با چگالی متوسط را شرح می‌دهیم:
- خوراک مونومر: ابتدا، مونومر اتیلن در یک واکنشگاه تهیه می‌شود. مونومر اتیلن معمولاً به صورت گازی است و به صورت صنعتی تولید می‌شود.
- پلیمراسیون: مونومر اتیلن وارد واکنشگاه پلیمراسیون می‌شود. در این واکنش، مولکول‌های مونومر اتیلن به صورت زنجیره‌های پلیمری طولانی به یکدیگر متصل می‌شوند. این واکنش معمولاً تحت فشار و در حضور یک کاتالیزور (مانند زئولیت) انجام می‌شود. در این مرحله، چگالی متوسط پلی اتیلن شکل می‌گیرد.
- برش و خنثی کردن: بعد از تشکیل زنجیره‌های پلیمری، پلی اتیلن تشکیل شده به قطعات کوچکتر بریده می‌شود. این عملیات برش ممکن است با استفاده از مواد شیمیایی یا با روش‌های مکانیکی (مانند آسیاب کردن) انجام شود.
- فرآیندهای پس‌پردازش: پس از برش پلی اتیلن، می‌توان فرآیندهای پس‌پردازش را انجام داد تا خواص و ویژگی‌های مورد نیاز در محصول نهایی به دست آید. این فرآیندها شامل افزودن عوامل ضداکسیدان، رنگ‌دهی، تقویت کننده‌ها و غیره می‌شوند.
به طور کلی، پلیمراسیون پلی اتیلن با چگالی متوسط نیاز به تجهیزات و شرایط خاصی دارد. همچنین، تولید پلی اتیلن با چگالی متوسط در صنعت پلاستیک و فرایندهای پیچیده‌تری مانند پلیمراسیون متالوسنتز و متالوسنتز گازی نیز امکان‌پذیر است.
سخن پایانی
در این مقاله با انواع پلی اتیلن و فرایند پلیمراسیون هر یک از آنها آشنا شدید. دانستید پلی اتیلن از طریق فرایند پلیمراسیون تولید می‌شود. از آنجایی که پلی اتیلن در دنیای امروز نقش مهم و پررنگی دارد، اطلاع از فرایند تولید آن نیز از اهمیت بالایی برخوردار است.