تاثیر شاخصه های پلی اتیلن پایه بر خواص لوله های پلی اتیلنی

ماده خام لوله هاي پلی اتیلن یک پلیمر پلی اتیلنی است. مقادیر کمی از رنگدانه ها، پایدار کننده ها، آنتی اکسیدان ها و سایر ترکیباتی که براي بهبود خواص ماده و حفاظت از آن در طی فرآیندهاي تولید، نگهداري و کار لازم اند، به پلی اتیلن افزوده می شود.

تاثیر شاخصه های پلی اتیلن پایه بر خواص لوله های پلی اتیلنی

شاخصه های پلیمر 
پلی اتیلن ها با سه شاخصه مهم که تأثیر زیادي در فرآیندها و ویژگیهاي نهایی دارند، توصیف میشوند: چگالی، وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی. لازمه درك خواص فیزیکی و شاخصه هاي فرآیندي هر نوع رزین پلی اتیلنی، دانستن نقش هر یک از این سه پارامتر اصلی در خواص محصول نهایی است.

چگالی
پلی اتیلن اولین بار بوسیله فرآیندهاي تحت فشار بالا تولید شد که منجر به تولید محصولی با شاخه هاي جانبی قابل ملاحظه گردید. شاخه هاي جانبی حاصل ایجاد پیوندهاي تصادفی بین زنجیره هاي پلیمري کوتاه و زنجیره پلیمري اصلی است. از آنجایی که شاخه هاي جانبی مانع از قرار گرفتن تنگاتنگ زنجیرها میشود، ماده حاصل از این روش، چگالی نسبتاً کمی داشت که به همین دلیل آن را پلی اتیلن سبک مینامیدند.

با گذشت زمان و تولید رزین هایی با درجه شاخه اي شدن متفاوت، نیاز به استانداردهاي صنعتی که رزین ها را بر اساس چگالی طبقه بندي کنند، توسعه یافت. جامعه آزمایش کننده مواد آمریکا (ASTM) روش طبقه بندي جدول زیر را ارائه نمود. این طبقه بندي، بخشی از استاندارد ASTM D1248 با عنوان ویژگی هاي استاندارد قالب گیري و اکستروژن پلاستیکهاي پلی اتیلنی ست. هم اکنون این استاندارد با استاندارد ASTM D 3350 جایگزین شده است؛ استاندارد ASTM D 1248 دیگر در مورد مواد اولیه لوله هاي پلیاتیلن کاربردي ندارد.

نوع I رزین سبکی است که بیشتر با فرآیندهاي پر فشار تولید شده است. پلی اتیلن سبک خطی (LLDPE)  نیز در همین محدوده چگالی قرار می گیرد که پیشرفت در حوزه تولید پلی اتیلن با استفاده از فرآیندهاي کم فشار را نشان میدهد. نوع II رزینی با چگالی متوسط است که با هر دو فرآیند پر فشار و کم فشار تولید میشود.

نوع III و IV پلی اتیلن هاي سنگین (HDPE) هستند. مواد نوع III معمولاً با استفاده از مقدار کمی کومونومر (عموماً بوتن یا هگزن( که براي کنترل میزان شاخه اي شدن زنجیر مورد استفاده قرار میگیرد، تولید میشود. کنترل میزان شاخه اي شدن منجر به بهبود عملکرد در کاربردهایی میشود که شامل تنشه اي خاصی هستند. از آنجایی که در فرآیند پلیمریزه کردن رزین هاي نوع IV فقط از اتیلن استفاده میشود، از آنها به نام هوموپلیمر یاد میشود که این موضوع باعث شکلگیري ماده اي با کمترین انشعاب به همراه بالاترین چگالی ممکن میشود. میشود. شکل زیر ساختارهای مختلف مولکولی هر یک از انواع پلی اتیلن را نشان میدهد.

بلورینگی
چگالی مولکول هاي پلی اتیلن توسط مقدار شاخه هاي جانبی مشخص میشود. هر چه شاخه هاي جانبی بیشتر باشند، چگالی کمتر است. آرایش مولکولی پلی اتیلن را میتوان با استفاده از دو مفهوم مناطق بلورین یا منظم و مناطق آمورف یا بی نظم توضیح داد. شکل زیر به صورت شماتیک نواحی بلورین و آمورف پلی اتیلن را در کنار یکدیگر نشان می دهد. وقتی مولکول ها در تنگاتنگ یکدیگر قرار میگیرند، فضاي بین مولکولی کاهش مییابد.

پلی اتیلن یکی از پلیمرهایی است که بخش هایی از زنجیر پلیمري آن در مناطقی خاص، به صورت آرایشی بسیار منظم و فشرده در بلورهاي چند وجهی میکروسکوپی قرار میگیرند که گویچه نامیده میشود. سایر بخش هاي زنجیره پلیمر در نواحی بی نظم قرار میگیرند که نظم مولکولی خاصی ندارند. از آنجایی که پلی اتیلن هم داراي نواحی بلورین و هم نواحی بی نظم است، یک ماده نیمه بلورین نامیده میشود. برخی انواع پلی اتیلن هاي سنگین تا %90 از بلورینگی دارند، در حالی که پلی اتیلن سبک از %40 نواحی بلورین ساخته شده اند. چگالی مناطق بلورین بدلیل تراکم زنجیرها، بیشتر از نواحی بی نظم است. بنابراین چگالی پلیمر بیانگر درجه بلورینگی آن است. همزمان با افزوده شدن شاخه هاي جانبی به زنجیر اصلی پلی اتیلن طی فرآیندهاي کوپلیمریزاسیون، محل و فراوانی شاخه هاي جانبی، دیگر جنبه هاي شبکه بلورین/آمورف را تحت تأثیر قرار میدهد. این جنبه ها شامل محل و نحوه توزیع گویچه ها، و همچنین طبیعت شبکه مولکولی در بین گویچه ها میشود.  برای مثال پلیمري که با استفاده از کومونومر بوتیل تولید شده است نسبت به پلیمري که با کومونومر بوتن ساخته میشود، چگالی کمتري خواهد داشت. داشتن شاخه هاي جانبی طولانی تر موجب کاهش بلورینگی و چگالی می شود. در پلی اتیلن هاي سنگین، تعداد شاخه هاي کوتاه در حدود 3 تا 4 شاخه در هر 1000 اتم کربن است. این مقدار شاخه براي تأثیر بر چگالی بسیار ناچیز است.

چگالی رزین بر تعدادي از خواص فیزیکی رزین تأثیرگذار است. شاخصه هایی چون استحکام تسلیم و سفتی )مدول خمشی یا مدول کششی) با افزایش چگالی افزایش مییابند.

وزن مولکولی
اندازه یک مولکول پلیمر توسط وزن مولکولی آن بیان میشود که برابر با مجموع وزن اتمی همه اتمهاي تشکیل دهنده مولکول است. وزن مولکولی تأثیر بسزایی بر فرآیند پذیري و خواص فیزیکی و مکانیکی نهایی پلیمر دارد. وزن مولکولی در طی فرآیند تولید، کنترل میشود. معمولاً تغییرات طول زنجیر پلیمر تابعی از کاتالیست، شرایط پلیمریزه شدن، و نوع فرآیندهاي بکار رفته است. ضمن تولید پلی اتیلن، همه مولکول ها به یک اندازه رشد نمی کنند. از آنجایی که پلیمرها شامل مولکول هایی با طول هاي متفاوت هستند، وزن مولکولی معمولاً بعنوان مقدار میانگین بیان میشود. 

وزن مولکولی اصلی ترین فاکتور در تعیین خواص مربوط به دوام یک پلیمر است. استحکام بلند مدت، چقرمگی، چکش خواري و مقاومت در برابر خستگی با افزایش وزن مولکولی، افزایش می یابند. وزن مولکولی بر گرانروي مذاب پلیمر یا بعبارت دیگر قابلیت جریان یافتن پلیمر در حالت مذاب تأثیر میگذارد. 

میتوان از نرخ جریان مذاب بعنوان راهنمایی حدودي براي کسب اطلاعات درباره وزن مولکولی و فرآیند پذیري پلیمر استفاده کرد. رزین هایی که وزن مولکولی پایینی دارند، براحتی از روزنه جریان مییابند و نرخ جریان مذاب بالایی دارند. رزین هایی با طول زنجیره بلندتر، در مقابل جریان یافتن مقاومت میکنند و نرخ جریان مذاب پایینی دارند.

اثر توزیع وزن مولکولی بر خواص پلیمر
معمولاً توزیع اندازه مولکول ها در یک پلیمر پلی اتیلنی، از یک منحنی توزیع نرمال زنگوله شکل که در نظریه احتمالات گوسی تشریح شده است، تبعیت میکند. مثل همه جامعه هاي آماري دیگر، نمودار زنگوله شکل میتواند نمود توزیع باریک تا پهن باشد. پلیمري با توزیع وزن مولکولی باریک، داراي مولکول هایی است که از نظر وزن مولکولی تقریباً با یکدیگر یکسان هستند. چنین پلیمري با آهنگ سریعتر و یکنواخت تري بلورین میشود. قطعه حاصل از این بلورینگی کمتر تاب برمی دارد. پلیمري که زنجیره هایی با طول هاي مختلف از کوتاه تا بلند دارد، توزیع وزن مولکولی عریض دارد. رزین هایی با این نوع توزیع وزن مولکولی، مقاومت خوبی در برابر رشد آرام ترك (SGC)  دارند، همچنین مقاومت در برابر ضربه و فرآیند پذیري خوبی دارند.

برخی پلیمرها توزیع مولکولی دوقله اي دارند که بیانگر وجود مخلوطی از دو جمعیت پلیمري مختلف است که هر یک وزن مولکولی متوسط و توزیع وزن مولکولی بخصوص خود را دارند. رزین هایی که توزیع وزن مولکولی دوقله اي دارند، حاوي مولکول هاي پلی اتیلن با زنجیره هاي خیلی کوتاه و خیلی بلند هستند که ضمن حفظ فرآیند پذیري خوب، باعث ایجاد خواص فیزیکی عالی در رزین میشود.

توزیع وزن مولکولی وابستگی زیادي به نوع فرآیندهایی دارد که براي تولید رزین پلی اتیلن مورد استفاده قرار گرفته اند. پلیمرهایی که چگالی و متوسط وزن مولکولی یکسانی دارند، آهنگ جریان مذاب نسبتاً مستقل از توزیع وزن مولکولی است. بنابراین رزین هایی که چگالی و شاخص ذوب یکسانی دارند، میتوانند توزیع وزن مولکولی بسیار متفاوتی داشته باشند. تأثیرات چگالی، وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی بر خواص فیزیکی در جدول زیر خلاصه شده اند.

جدول تأثیرات چگالی، وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی بر خواص فیزیکی

منابع و مراجع
SECOND EDITION HANDBOOK OF PE PIPE, Palstics Pipe Institute 
https://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene
راهنمای جامع لوله های پلی اتیلن، نویسنده: تونی رادوزسکی، ترجمه: شرکت آوند پلاست کرمان