1. مقدمة
البولي إيثيلين (PE) هو بوليمر يتم إنتاجه عن طريق بلمرة مونومر الإيثيلين (CH₂=CH₂).
تم تسويقه لأول مرة في ثلاثينيات القرن العشرين, يتوفر PE الآن في أشكال هندسية متعددة يتم تحديد خصائصها بالوزن الجزيئي, هندسة السلسلة (المتفرعة), والمعالجة (بما في ذلك التشابك).
مزيج PE من الخمول الكيميائي, قابلية المعالجة, إن التكلفة المنخفضة ومجموعة من السلوكيات الميكانيكية - بدءًا من الأفلام المرنة إلى المواد الصلبة فائقة الصلابة - تفسر انتشارها في كل مكان عبر التغليف, بناء, ينقل, مستهلك, القطاعات الطبية والصناعية.
2. ما هو البولي ايثيلين (PE)?
البولي إيثيلين (PE) هي عائلة من اللدائن الحرارية شبه البلورية التي يتم إنتاجها عن طريق بلمرة الإيثيلين (CH₂=CH₂).
إنه البلاستيك الأكثر استخدامًا في العالم بسبب مزيجه من التكلفة المنخفضة, القصص الكيميائية, نافذة معالجة واسعة ومجموعة قابلة للضبط من السلوكيات الميكانيكية - من الناعمة, أفلام مرنة صعبة للغاية, المواد الصلبة المقاومة للاهتراء.
الخصائص الرئيسية
- المقاومة الكيميائية: ممتاز لمعظم الأحماض, القلويات, المذيبات والوقود.
- ميكانيكي: نطاق واسع - LDPE ناعم وقابل للتوسيع; HDPE قاسية وقوية; يجمع UHMWPE بين القوة العالية ومتانة الصدمات الاستثنائية.
- حراري: نقاط الانصهار عادة ~ 105-135 درجة مئوية حسب الدرجة; درجات حرارة الخدمة محدودة بشكل عام مقارنة بالبلاستيك الهندسي.
- رُطُوبَة: في الأساس غير استرطابي (امتصاص ضئيل للمياه).
- يرتدي & احتكاك: يتمتع UHMWPE بمقاومة منخفضة للاحتكاك والتآكل.
3. درجات PE التجارية وما يجعلها مختلفة
يتم تصنيف PE عادة على النحو التالي:
- LDPE (البولي ايثيلين منخفض الكثافة): الكثافة ~0.910–0.925 جم/سم3; مرن, وضوح جيد (أفلام), قوة الشد منخفضة. شائع في زجاجات الضغط, أفلام, سترات الكابلات.
- البولي إثيلين المنخفض الكثافة الخطي (البولي إيثيلين الخطي منخفض الكثافة): كثافة مماثلة لـ LDPE; قوة شد فائقة ومقاومة للثقب في الأفلام بسبب تفرع السلسلة القصيرة. يستخدم على نطاق واسع للأغشية الممتدة والهياكل المبثوقة.
- إم دي بي إي (PE متوسط الكثافة): الكثافة ~0.926–0.940 جم/سم3; تستخدم لأنابيب الغاز وبعض صب النفخ.
- HDPE (البولي ايثيلين عالي الكثافة): الكثافة ~0.940–0.970 جم/سم3; قاسٍ, مقاومة كيميائية جيدة, تستخدم للأنابيب, الحاويات, أجزاء دوارة.
- أوهموب (PE عالي الوزن الجزيئي): مو عادة >3×10⁶ جم/مول; مقاومة التآكل المعلقة, احتكاك منخفض جدًا; تستخدم للبطانات, المحامل, التطبيقات المنزلقة وبعض الغرسات الطبية.
- XLPE (عبر ربط PE): PE كيميائيًا أو إشعاعيًا متشابكًا لتحسين درجة الحرارة, زحف والمقاومة الكيميائية; تستخدم لأنابيب درجة الحرارة العالية وعزل الكابلات.
- PE المحفز بالميتالوسين (mPE / ملي إل بي إي): توزيع أكثر إحكامًا للوزن الجزيئي والتحكم المحسّن في الخصائص الميكانيكية - يتيح أفلامًا عالية الوضوح وسلوكًا ميكانيكيًا مخصصًا.
تم تحسين كل درجة من أجل قابلية المعالجة وأداء التطبيق عن طريق ضبط Mw, محتوى الكومونومر والمحفزات.
4. الخصائص الفيزيائية والميكانيكية النموذجية
الجدول أدناه يعطي ممثل, النطاقات النموذجية لدرجات PE الشائعة. استخدم أوراق بيانات الشركة المصنعة للقيم المهمة للتصميم.
| ملكية | LDPE | البولي إثيلين المنخفض الكثافة الخطي | إم دي بي إي | HDPE | أوهموب |
| كثافة (G · cm⁻⁻) | 0.910-0.925 | 0.915-0.930 | 0.926-0.940 | 0.940-0.970 | 0.930-0.940 |
| قوة الشد (MPA) | 8-15 | 12-20 | 14-25 | 20-37 | 30-45 |
| استطالة عند الاستراحة (%) | 200-800 | 200-600 | 200-400 | 100-600 | 100-400 |
| معامل يونغ (GPA) | 0.2-0.4 | 0.3-0.6 | 0.6-0.9 | 0.8-1.5 | 0.8-1.5 |
| نقطة الانصهار (درجة مئوية) | 105-115 | 105-120 | 120-130 | 125-135 | 130-138 |
| حقق ايزود (يظهر KJ حصيرة) | 30-100 (قاسٍ) | 30-100 | 20-60 | 10-40 | 50-200 (صعبة للغاية) |
| ارتداء المقاومة | قليل | معتدل | معتدل | جيد | ممتاز |
| درجة حرارة الخدمة المستمرة (درجة مئوية) | ~65-80 | ~65-80 | ~ 80-90 | ~ 80-110 | ~80-120 |
| المقاومة الكيميائية | ممتاز | ممتاز | ممتاز | ممتاز | ممتاز |
| امتصاص الماء | لا يكاد يذكر | لا يكاد يذكر | لا يكاد يذكر | لا يكاد يذكر | لا يكاد يذكر |
5. طرق المعالجة واعتبارات التصنيع
تتم معالجة PE بواسطة كل تقنيات اللدائن الحرارية تقريبًا:
- البثق - الأنابيب, أوراق, فيلم, ملفات تعريف. يتم مقذوف HDPE وUHMW في الأنابيب والبطانات أو مقذوف بالكبش.
- صب النفخ - الزجاجات والحاويات (HDPE, LDPE).
- صب الحقن - التجهيزات, المساكن والمكونات (HDPE, متغيرات البولي إثيلين المنخفض الكثافة (LDPE).).
- التناوب (com.rotomolding) - أجزاء مجوفة كبيرة (الدبابات, قوارب الكاياك).
- صب الفيلم / فيلم منتفخ - أفلام التعبئة والتغليف (LDPE, البولي إثيلين المنخفض الكثافة الخطي, ملي إل بي إي).
- تلبيد الضغط / قذف الكبش / صب الضغط - غالبًا ما تتم معالجة UHMWPE بهذه الطريقة بسبب ارتفاع Mw للغاية (لا يوجد تدفق ذوبان تقليدي).
- طرق التشابك — كيميائي (بيروكسيدات), تطعيم السيلاني أو شعاع الإلكترون / إشعاع جاما لإنتاج XLPE لدرجات حرارة أعلى أو مقاومة زحف محسنة.
6. التطبيقات الرئيسية حسب الصف
- LDPE / البولي إثيلين المنخفض الكثافة الخطي: فيلم مرن, أكياس التسوق, بطانات, تغليف الفيلم, تغليف الكابل, افلام زراعية.
- HDPE: أنابيب توزيع المياه والغاز, حاويات مقولبة بالنفخ (زجاجات الحليب), الأغشية الأرضية, الدبابات الدوارة, المكونات الهيكلية.
- إم دي بي إي: أنبوب توزيع الغاز, الأغشية الأرضية.
- أوهموب: ارتداء شرائط, المزالق والبطانات, محامل انزلاقية, أدلة السلسلة, يزرع العظام (مكونات الورك والركبة), الألياف الباليستية (ألياف UHMWPE مثل Dyneema® / سبكترا®).
- XLPE: تطبيقات الأنابيب ذات درجة الحرارة العالية (الماء الساخن/الصناعية), عزل الكابلات.
7. تحديات الأداء وأوضاع الفشل
على الرغم من قوتها كيميائيا, لدى PE العديد من آليات الفشل المعروفة التي يمكن تصميمها ضدها:
تكسير الإجهاد البيئي (خروج)
- تعريف: تشكيل الشقوق وانتشارها تحت الضغط في وجود مواد كيميائية محددة أو مواد خافضة للتوتر السطحي.
وضع الفشل الأكثر خطورة في PE - يمكن أن تتسبب مستويات الضغط الأقل من الإنتاجية في حدوث تشقق مع مرور الوقت عند ملامستها للمنظفات, جلايكول, أو بعض الهيدروكربونات. - التخفيف: اختر تركيبات مقاومة ESC, تقليل الإجهاد المتبقي/المحاصرة (تحسين المعالجة ويصلب), تجنب الشقوق الحادة وتقليل ضغوط الشد المستمرة.
زحف وتشوه على المدى الطويل
- يُظهر PE زحفًا كبيرًا تحت الحمل المستمر, خاصة عند ارتفاع درجة الحرارة.
تصميم للزحف مع عوامل السلامة; استخدم البولي إيثيلين عالي الكثافة, XLPE أو حدد UHMW لتقليل الزحف عند الحاجة.
الأشعة فوق البنفسجية / التحلل التأكسدي
- يتحلل البولي إيثيلين غير المستقر تحت الأشعة فوق البنفسجية والأكسجين: الطباشير السطحية, الهشاشة وفقدان الخواص الميكانيكية.
الاستقرار مع امتصاص الأشعة فوق البنفسجية, يعد تصبغ الكربون الأسود ومضادات الأكسدة أمرًا روتينيًا للتطبيقات الخارجية.
صلابة منخفضة عند درجات الحرارة العالية وحدود الأبعاد
- ينخفض معامل PE مع درجة الحرارة; بالنسبة للتطبيقات الهيكلية التي تقترب من حدود درجة حرارة الخدمة، حدد مواد ذات صلابة أعلى أو تشابك لزيادة انحراف الحرارة.
الانصهار / اعتبارات اللحام (للأنابيب)
- عادةً ما يتم ربط أنابيب HDPE عن طريق الدمج التناكبي أو الصهر الكهربائي; يؤدي اللحام السيئ إلى ضعف المفاصل والفشل المبكر - تعد إجراءات اللحام وتأهيل المشغل أمرًا بالغ الأهمية.
8. البيئة, جوانب إعادة التدوير والاستدامة
- Recyclabality: PE قابل لإعادة التدوير بشكل كبير (إعادة التدوير الميكانيكية); تتم إعادة معالجة HDPE وLDPE بشكل شائع في منتجات التعبئة والتغليف وغير الحرجة. تم تعيين رموز إعادة التدوير لـ PE: #2 (HDPE) و #4 (LDPE).
- القيود: تلوث, تعمل البوليمرات والمواد المضافة المختلطة على تعقيد مسارات إعادة التدوير. من الصعب إعادة معالجة UHMWPE والدرجات المملوءة إلى منتجات عالية القيمة.
- الخيارات الحيوية: يمكن إنتاج الإيثيلين من الإيثانول الحيوي (الحيوي PE) مع خصائص مماثلة للPE القائم على الحفريات.
- نهاية الحياة: الحرق مع استعادة الطاقة وإعادة تدوير المواد الكيميائية (إزالة البلمرة) هي الخيارات التقنية; يعتمد تحليل دورة الحياة على معدلات التطبيق والاسترداد.
- المخاوف البيئية: إنتاج المواد البلاستيكية الدقيقة من الأفلام وجزيئات التآكل (على سبيل المثال, من بطانات الناقل) يتطلب النظر.
9. التحليل المقارن — البولي إيثيلين (PE) مقابل. مواد مشتركة أخرى
الجدول أدناه يقارن PE مع العديد من مهندسي المواد الذين يعتبرون عادة بدائل للأجزاء, أفلام, الأنابيب أو ارتداء المكونات.
| ملكية / معيار | PE (LDPE / HDPE) | ص (البولي بروبيلين) | PVC (جامد) | بوم / أسيتال | نايلون (PA6 / PA66) |
| كثافة (G · cm⁻⁻) | 0.91-0.97 | 0.90-0.91 | 1.34-1.45 | ≈ 1.41 | 1.12-1.15 |
| قوة الشد (MPA) | 8-37 (إل دي → إتش دي) | 30-40 | 35-60 | 50-75 | 50-90 |
| معامل يونغ (GPA) | 0.2-1.5 | 1.0-1.8 | 2.7-3.5 | 2.8-3.5 | 2.5-3.5 |
| ذوبان / درجة حرارة صالحة للاستعمال (درجة مئوية) | تم ~ 105-135 / استخدم ≈ 65-110 | تم ~ 160-170 / استخدم ≈ 90-120 | تيراغرام / تليين ~ 75-80 / استخدم ≈ 40-60 | تم ~ 165-175 / استخدم ≈ 80-100 | تم ~ 215-265 / استخدم ≈ 80-120 |
| المقاومة الكيميائية | ممتاز (الأحماض, قواعد, العديد من المذيبات) | جيد جدًا (على غرار PE) | جيد (الأحماض, أملاح, العديد من المواد الكيميائية) | جيد (الوقود, زيوت) | جيد (الهيدروكربونات, زيوت) |
| امتصاص الرطوبة | لا يكاد يذكر | لا يكاد يذكر | لا يكاد يذكر | ~ 0.2-0.3 ٪ | 1-3 ٪ (استرطابي) |
يرتدي / سلوك الاحتكاك |
جيد (HDPE أفضل من LDPE) | معتدل | معتدل | ممتاز (احتكاك منخفض, ارتداء منخفض) | جيد |
| الاستقرار الأبعاد | معتدل (زحف تحت الحمل) | معتدل | جيد | ممتاز | معتدل (تتأثر بالرطوبة) |
| مقاومة الأشعة فوق البنفسجية (غير مستقر) | فقير (يحتاج إلى مثبتات) | فقير | أحسن (تعتمد الصياغة) | فقير | فقير |
| قابلية المعالجة | ممتاز (البثق, ينفخ, حقن, com.rotomolding) | ممتاز | جيد (ولكن نافذة المعالجة ضيقة) | جيد (حقن, الآلات) | جيد (يتطلب التجفيف قبل صب) |
| Recyclabality | جيد جدًا (HDPE/LDPE معاد تدويره على نطاق واسع) | جيد جدًا | محدود (محتوى الكلور) | محدود | معتدل |
| التطبيقات النموذجية | أفلام, زجاجات, الأنابيب, الدبابات, بطانات | تقليم السيارات, مفصلات, الحاويات | الأنابيب, ملفات تعريف النافذة, التركيبات | التروس الدقيقة, البطانات, الصمامات | التروس, المحامل, العلب, أنابيب |
10. الاستنتاجات
البولي إيثيلين عبارة عن عائلة من اللدائن الحرارية متعددة الاستخدامات تغطي درجاتها المختلفة نطاقًا واسعًا جدًا من السلوكيات الميكانيكية والمعالجة.
نقاط قوة PE هي المقاومة الكيميائية, قابلية المعالجة, تتراوح التكلفة المنخفضة والقدرة من الأفلام المرنة إلى الأجزاء المنزلقة فائقة الصلابة.
المزالق الهندسية الأكثر شيوعًا هي التشقق الناتج عن الإجهاد البيئي, الزحف وتدهور الأشعة فوق البنفسجية - يمكن معالجة كل منهما من خلال اختيار الدرجة, الاستقرار والتصميم.
بالنسبة لمعظم المصممين الصناعيين, تظل PE خيارًا اقتصاديًا وقويًا عندما يتم فهم حدودها وإدارتها من خلال المواصفات والاختبار.
الأسئلة الشائعة
ما هو الفرق بين البولي إثيلين المنخفض الكثافة (LDPE) والبولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE).?
يحتوي LDPE على المزيد من التفرع في السلسلة, انخفاض التبلور وانخفاض الكثافة (≈0.91–0.925 جم/سم3) → ليونة, أفلام أكثر مرونة.
HDPE لديه القليل من المتفرعة, تبلور أعلى (≈0.94–0.97 جم/سم³) → أكثر صلابة, أجزاء وأنابيب أقوى.
لماذا يتشقق البولي إيثيلين تحت المواد الكيميائية الخفيفة في بعض الأحيان؟?
هذا هو تكسير الإجهاد البيئي (خروج): تعمل بعض المواد الخافضة للتوتر السطحي والمنظفات على تعزيز نمو الشقوق البطيء تحت ضغط الشد. إن اختيار الدرجات المقاومة لـ ESC وتقليل تركيزات الضغط يخفف من المخاطر.
هل يمكن استخدام PE لأنابيب الضغط؟?
نعم - يتم استخدام HDPE وMDPE على نطاق واسع لتوزيع مياه الشرب والغاز. يعد اللحام بالصهر المناسب والمواد / العمليات المؤهلة أمرًا ضروريًا.
متى يجب أن أختار UHMWPE؟?
اختر UHMWPE عندما تكون مقاومة التآكل عالية جدًا, مطلوب احتكاك منخفض وصلابة التأثير (بطانات الناقل, ارتداء وسادات, محامل انزلاقية, بعض الغرسات الطبية).
هل البولي إيثيلين قابل لإعادة التدوير؟?
نعم: يعد HDPE وLDPE من بين أكثر المواد البلاستيكية المعاد تدويرها, لكن التلوث والبوليمرات المختلطة تؤثر على جودة إعادة التدوير.
يتم استخدام كل من إعادة التدوير الميكانيكية وطرق إعادة التدوير الكيميائي الناشئة.
