خواص فیزیکی

چگالی، عمومی ترین واژه ای است که در بیان ماهیت پلی اتیلن ها به کار می رود. زیرا ، تفاوت در خواص پلی اتیلن ها بر اساس چگالی آن ها، کاربردهای این پلیمرها را به نحوی متمایز می سازد که نام گذاری رزین های پلی اتیلنی نیز بر اساس مقدار چگالی آن ها انجام می گیرد. ارتباط بین خواص مکانیکی پلی اتیلن و چگالی آن، از ماهیت نیمه بلوری آن ناشی می شود، زیرا با افزایش مقدار سهم فاز قابل تبلور، چگالی آن نیز افزایش می یابد. عواملی که چگالی پلی اتیلن را معین می کنند، عواملی هستند که درجه تبلور آن را تحت تاثیر قرار می دهند. بنابراین، چگالی تابعی از مشخصات جرم مولکولی، مقدار شاخه های جانبی و شرایط تبلور است. در شرایطی که کلیه عوامل ثابت باشند، با کاهش مقدار شاخه های جانبی یا کاهش جرم مولکولی چگالی پلی اتیلن افزایش می یابد. در حالی که افزایش درجه جهت یافتگی، باعث افزایش چگالی پلی اتیلن می شود. از بین عوامل یاد شده، اثر مقدار شاخه های جانبی از سایرین بیشتر است. پس از آن جرم مولکولی و درجه جهت یافتگی و در نهایت نرخ تبلور در اثرگذاری بر چگالی اهمیت می یابند. تفاوت در مقدار بلورینگی و چگالی رزین های پلی اتیلن، به شدت روی خواص آن ها اثر می گذارد.

پلی اتیلن سنگین:

این نوع پلی اتیلن، به طور عمده دارای مولکول های خطی و بدون شاخه است، به نحوی که در زنجیر آن به ازای هر 200 اتم کربن کمتر از یک شاخه مشاهده می شود. ساختار خطی با تاثیر روی بلورینگی پلی اتیلن سنگین، باعث ایجاد بیشترین مدول به همراه کم ترین نفوذپذیری در میان سایر پلی اتیلن ها شده است. چگالی این نوع پلی اتیلن در محدوده 0.94-0.97 g/cm³ قرار دارد. رنگ قطعات ساخته شده با این نوع پلی اتیلن سفید و مات است و در تماس با دست کمی روغنی به نظر می رسند.

پلی اتیلن سبک:

این نوع پلی اتیلن دارای تعداد زیادی شاخه های کوتاه و بلند روی زنجیر اصلی( که اساسا از نوع اتیل و بوتیل هستند) است. وجود شاخه های جانبی کوتاه درجه تبلور را نسبت به پلی اتیلن سنگین کاهش می دهد. در نتیجه، این نوع پلی اتیلن از چگالی ( محدوده g/cm³  0.94-0.90 ) و دمای ذوب کمتری برخوردار است و قابلیت کشسانی زیادی دارد. وجود شاخه های جانبی بلند، خواص رئولوژیکی غیر نیوتونی را بهبود بخشیده و در حین فرایند گرانروی کم به همراه مقاومت مذاب زیاد فراهم می آورند. قطعاتی که از این نوع پلی اتیلن ساخته می شوند، کاملا شفاف، نرم و دارای زیر دست نرم هستند.

پلی اتیلن سبک خطی:

بدنه اصلی این نوع پلی اتیلن ساختار خطی دارد و گروه های آلکنی کوتاه به حالت شاخه ای و به شکل نامنظم به زنجیر اصلی متصل شده اند. این رزین از راه پلیمر شدن اتیلن با کومونومرهای 1-بوتن، 1-هگزن و 1-اکتن تولید می شود. متوسط فاصله بین شاخه ها در طول زنجیر اصلی پلیمر، عموما بین 25 تا 100 اتم کربن است. به دلیل تنوع در شاخه های جانبی، خواص این رزین ها در طیفی بین پلی اتیلن سبک خطی از لحاظ استحکام و شفافیت و پلی اتیلن سنگین از لحاظ سفتی و مات بودن قررار دارد. چگالی این نوع پلی اتیلن در محدوده پلی اتیلن سبک است. بنابراین، پلی اتیلن سبک خطی در بازار مصرف می تواند جانشین پلی اتیلن سبک شود. همچنین وجود شاخه ها تا حدودی مانع تشکیل بلور می شود و در نتیجه چگالی این نوع پلی اتیلن نسبت به گونه سبک کمتر است و در محدوده g/ cm³ 0.90-0.94 قرار می گیرد.

پلی اتیلن بسیار سبک خطی:

ساختار این نوع پلی اتیلن همانند نوع سبک خطی است، با این تفاوت که مقدار شاخه های کوتاه در آن بسیار بیشتر است. متوسط فاصله بین شاخه ها در طول زنجیر اصلی این نوع پلی اتیلن در حدود 7 تا 25 اتم کربن است. تعداد بسیار زیاد شاخه های جانبی به طور قابل توجهی از قابلیت تبلور می کاهد و به طور عمده ماده ای ماده ای غیر متبلور حاصل می شود. محدوده چگالی این نوع پلی اتیلن   0.86-0.9 g/cm³ است و رنگ آن کاملا شفاف و سطح آن کمی چسبنده است. فیلم های این نوع پلی اتیلن بسیار نرم و انعطاف پذیر است و به راحتی تغییر شکل می دهد.

خواص گرمایی

خواص گرمایی پلی اتیلن به ویژه دامنه نرمی و ذوب آن مهم ترین مواردی هستند که حوزه کاربردهای آن را معین می کند. پدیده ذوب در پلی اتیلن در گستره ای از دما اتفاق می افتد که می تواند از دمای محیط تا 140 درجه سانتی گراد باشد. خواص گرمایی پلی اتیلن به طور عمده متاثر از تبلور آن است. بنابراین، کلیه عوامل ساختاری که تبلور را کنترل می کنند، می توانند خواص گرمایی پلی اتیلن را نیز تحت تاثیر قرار دهند.

دامنه ذوب: مانند کلیه پلیمرهای نیمه بلوری، ذوب پلی اتیلن در دمای مشخصی انجام نمی پذیرد. در این پلیمرها انتقال از حالت نیمه بلوری به حالت مذاب در دامنه ای از دما انجام می شود که پهنای این دامنه می تواند از کمتر از 10 تا حدود 70 درجه سانتی گراد متغیر باشد. در دامنه ذوب، شکل شناسی نواحی بلوری به تدریج ویژگی حالت بی شکل را پیدا می کنند. دامنه وسیع دمای ذوب به دلیل هم پوشانی دماهای ذوب متفاوت لایه های بلوری با ضخامت های متفاوت است. توزیعی از ضخامت لایه های بلوری نتیجه درگیر شدن شاخه های جانبی است که زنجیرهای پلیمری را به توالی های قابل تبلور با طول های متفاوت تقسیم می کنند. این محدوده افزون بر مقدار تبلور به متغیرهایی هم چون وزن مولکولی و توزیع آن و نیز سرعت تبلور  وابسته است. کاهش جرم مولکولی، مقدار شاخه ها و نیز سرعت تبلور، روی باریک شدن دامنه ذوب اثر مستقیم دارد. به عنوان مثال، برای پلی اتیلن سبک خطی این محدوده از سایر پلی اولفین های نیمه بلوری، باریک تر است.

از میان کلیه عوامل ساختاری موثر روی دمای ذوب، اثر مقدار شاخه های جانبی از سایرین بیشتر است. به نحوی که در پلیمرهای حاوی شاخه های جانبی زیاد دمای ذوب تا حدود دمای محیط کاهش می یابد، اما با افزایش جرم مولکولی از 50000 تا 1000000 گرم بر مول افزایشی حدود 5 درجه سانتی گراد در دمای ذوب پلی اتیلن خطی اتفاق می افتد.

دمای تغییر شکل گرمایی:

دمای تغییر شکل گرمایی یک نمونه پلیمری، دمایی است که در آن دما نمونه زیر بار اعمال شده آغاز به تغییر شکل می کند. HDT یک پلیمر به مدول کشسانی نواحی بلوری و نامنظم، خواص آن ها و چگونگی ارتباط آن ها با یکدیگر وابسته است. دمای تغییر شکل گرمایی پلی اتیلن با افزایش درجه تبلور و ضخامت لایه های بلوری افزایش می یابد.

آنتالپی ذوب:

آنتالپی ذوب یک نمونه، مقدار گرمایی است که برای تبدیل ناحیه بلوری به شکل نامنظم به سیستم وارد می شود. بنابراین، منحصرا به درجه تبلور نمونه وابسته است. در واقع عواملی که آنتالپی ذوب را کنترل می کنند، به طور دقیق همان عواملی هستند که ترتیب زنجیرها را در حالت نیمه بلوری کنترل می کنند. آنتالپی ذوب پلی اتیلن در محدوده ای بین صفر تا نزدیک به Cal/g 69 ( آنتالپی ذوب پلی اتیلن کاملا متبلور) قرار می گیرد.

خواص مکانیکی

از جمله خواص مکانیکی پلی اتیلن جامد که مورد بررسی قرار می گیرند، خواصی از قبیل مدول کشسانی، سختی، مقاومت به ضربه و خزش را می توان نام برد. در واقع، خواص مکانیکی پلی اتیلن را می توان آن دسته از خواصی دانست که مربوط به آرایش فیزیکی مجدد مولکول های ماده یا تغییرشکل شکل شناسی آن در برابر اعمال نیرو باشند. در مقیاس قابل رویت، خواص مکانیکی در تغییر ابعاد نمونه ظاهر می شود. وقتی پلیمر در معرض تنش های خارجی مانند تنش، فشار، برش، گشتاور چرخشی یا تلفیقی از آنها قرار می گیرد، ایجاد آرایش مجدد در ساختار آن باعث تغییر شکل شناسی نمونه می شود.

تغییر شکل پلی اتیلن اساسا از راه تسلیم، نازک شدن و به دنبال آن سخت شدن در اثر کرنش انجام می گیرد. اولین مثال از این پدیده را می توان در فیلم های پلی اتیلن سنگین ( همانند کیسه های مصرفی در خواروبارفروشی ها) مشاهده کرد. این فیلم ها وقتی که در جهت عمود بر محور آرایش یافتگی خود کشیده می شوند، در برخی نواحی تسلیم شده، نازک شده و تشکیل یک یا چند گردنه باریک می دهند. اگر کشیدگی ادامه پیدا کند، این گردنه ها رشد کرده، با هم یکی می شوند و تمام نمونه را در بر می گیرند. در مرحله آخر، ناحیه نازک شده به شکل یکنواخت کش آمده و سختی کرنش در آن اتفاق می افتد و در نهایت نمونه پاره می شود.

خواص مکانیکی پلی اتیلن را به دو بخش عمده می توان تقسیم کرد: 1- خواص مربوط به کرنش های کوچک مانند تنش تسلیم و مدول اولیه 2- خواص مربوط به کرنش های بزرگ مانند استحکام کشش نهایی و نسبت کش آمدگی در نقطه پارگی.

به طور تقریبی، خواص مربوط به کرنش های کوچک به وسیله ساختار شکل شناسی نمونه و خواص مربوط به کرنش های بزرگ به وسیله مشخصه های مولکولی آن کنترل می شود.

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان