روند رو به رشد استفاده از مواد پلاستیکی و به طور خاص پلی اتیلن در صنعت، حاصل خواص و مشخصات این مواد و کاربردهای آنها بوده است. این موضوع باعث شده است، در مدت زمان کوتاهی که از عمر آنها می گذرد، از پیشرفت چشمگیر در تولید و کاربری برخوردار باشد. طبیعی است، این رشد چشمگیر در حالتی ادامه می یابد که گذشت زمان شاهد استفاده از فناوری های جدید در تهیه مواد اولیه، فرایند ساخت و روش های اتصال و نصب این گونه لوله ها در صنعت باشیم. انواع مختلف مواد اوليه پلی اتیلن براساس نوع و دمای کاربرد آن ها و نیز درجه سختی و تحمل فشار موجودند که با تغییراتی در چگالی آمیزه یا فرایند تولید، در راستای رفع مشکلات دسته قبلی و کمک به صنعت فعلی تهیه می شوند. در این مقاله روند سیر تکاملی، مشخصات، روش های تولید انواع بهبود یافته، مزایای هر نوع و ارزیابی محصولات حاصل از این مواد، با نگرشی بر استانداردهای موجود به تفصیل ارایه می شود.

مقدمه

پلی اتیلن از مطرح ترین مواد اولیه در ساخت لوله های مصرفی شبکه های آبرسانی، فاضلاب، گاز رسانی، زهکشی، سامانه های مایعات و فاضلاب صنعتی، شبکه های آبیاری تحت فشار و سامانه های آبیاری متحرک است که به دلیل دارا بودن هم زمان ویژگی های منحصر به فردی همچون مقاومت در برابر خوردگی، وزن کم، انعطاف پذیری قابل ملاحظه و ویژگی های هیدرولیکی بسیار عالی، در حال حاضر به عنوان راه حلی مقرون به صرفه و و قابل اطمینان برای بسیاری از کاربردهای مربوط به خطوط لوله به شمار می رود. بررسی های زیادی روی لوله های پلی اتیلنی، در شرایط مختلف انجام گرفته است. نتایج نشان داد، عواملی مانند محل و دمای کاربرد، درجه سختی، مقدار تحمل فشار و تنش های محیط صنعت در کاربرد آنها مهم است. در راستای بهینه کردن خواص یاد شده و رفع مشکلات دسته قبلی، با تغییر در چگالی آمیزه یا فرایند تولید، نسل جدیدی از لوله های پلی اتیلنی در هر دوره زمانی تهیه شده اند.

بهبود عملکرد مورد انتظار برای لوله پلی اتیلن، در هر دوره زمانی شامل فرایند پذیری بهتر و مقدار خروجی بیشتر، انعطاف پذیری بهتر برای کلاف پیچی، مقاومت بیشتر در برابر رشد آرام ترک (SCG) رشد سریع ترک (RCP) و فشار هیدروستاتیکی است.

نام گذاری انواع مختلف مواد و آمیزه در ساخت لوله های پلی اتیلن، بر اساس تعاریف استانداردهای ملی بر مبنای حداقل مقدار استحکامی است که در دمای کار کرد ۲۰ درجه سانتی گراد و ۵۰ سال پس از نصب و راه اندازی لوله انتظار می رود. البته به وزن مولکولی پلی اتیلن نیز اشاره دارد که برای انواع مختلف لوله، مطابق جدول زیر است.

شماره طراحی مواد (نام گذاری)فشار (Bar)استحکام (MPa)
1PE 10010010
2 PE 80 808
3 PE 63 636.3
4 PE 40 404
5 PE 32 323.2

تاریخچه لوله های پلی اتیلن

لوله های پلی اتیلن اولین بار در دهه ۱۹۵۰ میلادی به عنوان لوله های تحت فشار استفاده شدند که بر پایه پلی اتیلن کم چگالی با نام های 32 PE 40 ، PE و 63 PE بودند. این نسل مستعد ترک برداری ناشی از تنش بودند. همچنین، نسبت به رشد سریع ترک، ضعیف بودند. ولی با تمام این مشکلات، این لوله ها نسبت به سامانه های فلزی سبک تر و حمل آنها آسان تر بود و در معرض ریسک خوردگی نیز نبودند. با این حال، لوله های مزبور برای حصول کاربری مناسب، وزن و ضخامت زیادی داشتند که باعث ازدیاد هزینه تولید آنها می شد.

برای رفع مشکلات مطرح شده در این دوره، از مواد با چگالی متوسط به نام E80 استفاده شد. با افزایش چگالی مواد، لوله با ضخامت دیواره کمتر همراه با استحکام مناسب فراهم شد که این موضوع وزن کمتر و تحمل فشار بیشتری را در محصول نهایی سبب شد. همچنین با کاهش ضخامت دیواره، ظرفیت جریان نیز افزایش یافت که صرفه اقتصادی نیز به همراه داشت. با مشاهده اثر افزایش چگالی در رفع مشکلات این لوله ها، انتظار می رفت، افزایش بیشتر مقدار این ویژگی، بهبود بیشتر خواص را به همراه داشته باشد که 100 PE به صنعت تولید این لوله ها راه یافت.

این محصول از نظر مشخصات فیزیکی و عملکردی، ویژگی های منحصر به فردی ایجاد کرد که با چگالی بیشتر و وزن و ضخامت کمتر قابلیت تحمل فشار بیشتری را نیز داشت. امروزه این نوع پلی اتیلن در تولید لوله استفاده می شود ، ولی به علت کاهش فرایند پذیری آن و همچنین نیاز به کاربرد لوله در دماهای بیشتر و کاربردهای جدیدتر اصلاحاتی روی پلی اتیلن انجام گرفت.

پلی اتیلن با مقاومت به دمای افزایش یافته (PE-RT) مطابق با تعریف های بین المللی، دسته ای از مواد پلی اتیلنی اصلاح شده برای کاربرد در دمای زیاد است. در این دسته، ساختار و بلورینگی پلی اتیلن پرچگالی اصلاح شد. این دسته با توجه به ساختار می تواند نسبت به سایر پلیمرهای سنگین پرچگالی تحمل گرمایی داشته باشد. اما، عواملی مانند مقاومت کم نسبت به خزش به علت ساختار جدید و مدت زمان تحمل فشار برای این نوع که ۲۰ سال است، استفاده از آن را محدود کرده است.

پلی اتیلن پرچگالی در جهت بهبود عملکرد به روش شبکه ای شدن و ایجاد پیوندهای عرضی در زنجیرهای آن نیز اصلاح شد. این پلیمر بود. این پلیمر دارای زمان مصرف است، یعنی از زمان تولید در کارخانه تولید کننده تا لحظه مصرف در کارخانه مصرف کننده (تولید لوله پنج لایه یا تک لایه)، به دلایل ساختاری زمان مشخصی دارد. چرا که در ابتدا، این پلیمر از دسته پلیمرهای گرمانرم است. با گذشت زمان در این پلیمر شبکه ای می شود، از این رو به مرور از حالت گرمانرم به گرماسخت تبدیل می شود و در همین زمان کوتاه باید استفاده شود. این مشکل و حساسیت مستقیم به رطوبت هوا و هزینه زیاد تولید از محدودیت های این نوع پلی اتیلن است.

به این دلایل، نیاز به مواد پلی اتیلنی جدید با ترکیب مفید و متعادل کننده از خواص گرمایی، مکانیکی و فرایند پذیری، بدون نیاز به شبکه ای شدن افزایش یافت. در این راستا، سامانه های با توزیع مرکبی از وزن مولکولی ایجاد شد. برای درک بهتر چگونگی توزیع مولکولی لازم است تا به فرآیند تولید این مواد بطور مختصر اشاره شود.

فرایند تولید

در راکتور تولید پلی اتیلن، طی واکنش پلیمر شدن، اتیلن به عنوان مونومر، یک آلفا-اولفين (شامل اولفین با ۴ تا ۲۰ اتم کربن) نظیر ابوتن، ۱-پنتن، 1-هگزن، ۱- هپتن، یا ۱-اکتن یا یک دی اولفین غير مزدوج (دارای ۶ تا ۱۸ اتم کربن) نظیر 1 ، 4- هگزادیان به عنوان کومونومر برای تنظیم چگالی، هیدروژن برای کنترل جرم مولکولی با طول زنجیر پلیمر، به طوری که طی واکنش مزبور زنجیر فعال به زنجیر خاتمه یافته تبدیل شود و کاتالیزور مناسب به همراه کمک کاتالیزور برای فعال سازی کاتالیزور، شرکت می کنند. کاتالیزور به همراه خوراک (اتیلن هیدروژن و آلفا-اولفین) و هگزان (بستر محیط واکنش پلیمرشدن) وارد راکتورها میشود.واکنش پلیمرشدن در یک یا دو راکتور بسته به نوع موردنظر با موازی یا متوالی شدن راکتورها انجام میپذیرد.

پس از راکتورهای اولیه، جریان تعليق (ذرات جامد پلیمر معلق در هگزان) خروجی، برای انجام واکنش های نهایی وارد راکتور سوم می شود که مقدار تبدیل در خروجی راکتور به مقدار تقریبی ٪۹۹ می رسد. در ادامه، هگزان موجود در جریان تعليق با دستگاه های مرکز گریز از محصول پودر پلیمر جداسازی شده و برای خالص سازی به ناحيه تقطیر ارسال می شود. پودر تر خروجی از مرکز گریز برای خشک سازی به خشک کن بستر سیال ارسال و پس از خروج از آن با سامانه انتقال پودر به بخش اکستروژن ارسال می شود تا از پودر به دانه تبدیل شود. در بخش اکستروژن با توجه به کاربرد محصول، پس از اضافه شدن افزودنی های مورد نیاز و اختلاط با آن، در نهایت با دستگاه اکسترودر پودر تولیدی بخش پلیمر، محصول به دانه پلی اتیلن تبدیل می شود.

از میان کاتالیزورهای استفاده شده در این صنعت، کاتالیزورهای زیگلر – ناتا به عنوان دسته مهمی از کاتالیزورهای صنعتی نقش به سزایی در تولید پلی اولفین ها دارند. تکامل فناوری کاتالیزور و طراحی راکتور، اجازه تولید پلیمرهایی با کارایی افزوده را می دهد. همچنین در روش های مزبور، وزن مولکولی مدنظر با تنظیم دمای فعالیت کاتالیزور کنترل می شود. البته همیشه باید این نکته را در نظر داشت، عواقب بالقوه فاجعه بار شکست مواد، پذیرش هرگونه لوله های پلاستیکی آب یا گاز، علاوه بر عوامل تولید و فرآیند به استانداردهای محصول و استاندارد های عملکردی نسز مربوط است.

توزیع وزن مولکولی

 در حین تولید پلی اتیلن، همه مولکول ها با طول مشابه و یک اندازه رشد نمی کنند و همیشه مخلوطی از وزن های مولکولی متفاوت ایجاد می شود. بنابراین، در تعیین وزن مولکولی مواد پلیمری، همواره میانگینی از آن به دست می آید.

وزن مولکولی پلیمر با اندازه مولکول آن ارتباط دارد و به عنوان مجموع وزن تمام اتم های تشکیل دهنده پلیمر بیان می شود. وزن مولکولی پلیمر خروجی از راکتور، اثر بسزایی بر چگونگی فرایند پذیری و خواص فیزیکی محصول نهایی آن دارد. 

سامانه های پلی اتیلن با توزیع وزن مولکولی دوقله ای (bimodal) و چند قله ای (multimodal) از روش های بهبود خواص پلی اتیلن در تنظیم ساختار مولکولی است. در واقع با این توزیع که در شکل زیر مشخص شده است، به دلیل وجود وزن های مولکولی کم می توان فرایند پذیری راحت تری را از مواد ایجاد کرد. وجود وزن های مولکولی زیاد، خواص مهندسی محصول نهایی را تضمین کرده و بر ایندی از خواص فیزیکی مکانیکی مطلوب با شرایط فراورش آسان را فراهم می کند.

توزیع وزن مولکولی

برای تولید پلی اتیلن با توزیع چندقله ای (دو یا بیشتر) و داشتن چند وزن مولکولی با توزیع دلخواه در کنار هم، باید شرایط تولید و مواد تحت کنترل باشد. این کار با استفاده از کاتالیزور با یک یا چند موضع فعال در چند راکتور طی روند تولید یا کاتالیزورهایی با چند موضع فعال در یک راکتور واحد و به دنبال آن استفاده از انواع پلی اتیلن دارای گروه های قطبی، امکان پذیر است.

شاخص شناسایی

ساده ترین، اما متداول ترین فن، در شناسایی ویژگی های ساختاری پلی اتیلن، رنگ نگاری اندازه طردی (size exclusion chromatog raphy , SEC) است. در این روش، جداسازی مولکول های پلیمر بر اساس اندازه قطعات و طول زنجیرهای پلیمری نمونه است. این روش به نام های فیلتر کردن ژل، تراوش ژل، ممانعت مولکولی و رنگ نگاری مولکولی نیز مشهور است. اساس این نوع رنگ نگاری بر جداسازی ذرات بر اساس اندازه های مولکولی آنها استوار است. در این روش، مواد متخلخل به عنوان فاز ثابت استفاده می شود. با کنار هم قرار گرفتن این مواد، خلل و فرج های بسیار کوچک موقت ایجاد می شود که می تواند مولکول های کوچک را به طور موقت به دام اندازد. مولکول ها با اندازه بزرگ در فاز متحرک باقی می مانند و به سرعت از ستون شسته می شوند.

نمایش جداسازی ذرات براساس اندازه در روش GPC

روش دیگری از این دسته جداسازی، رنگ نگاری ژل تراوایی (GPC) است. این روش بر اساس اندازه است که به علت نوع فاز ساکن انتخابی به این نام معروف شده است. در واقع، نوعی رنگ نگاری شویشی مایع – جامد است که با غربال کردن به وسیله ژل یا سایر مواد پرکننده الک، پلیمر به اجزای آن تفکیک می شود.

در شکل بالا مراحل این روش نشان داده شده است که در آن، اجزا بر اساس اندازه از هم جدا شده و منحنی توزیع جرم مولکولی ثبت می شود. با دست یابی به این نوع پلی اتیلن انتظار می رود، ترکیبی از فرایند پذیری و خواص مکانیکی خوب با هم حاصل شود. ولی همان گونه که پیشتر اشاره شد، پذیرش هرگونه لوله های پلاستیکی آب یا توزیع گاز منوط به استانداردهای محصول و عملکرد مربوط است.

فرایند تولید لوله پلی اتیلن

فرایند تولید لوله های پلی اتیلن مطابق با شكل زیر به روش اکستروژن است. مواد اولیه به شكل گرانول به داخل دستگاه اکسترودر وارد شده و در اثر گرما ذوب می شود. سپس، مواد ذوب شده به وسیله پیچ به جلو رانده شده و پس از خروج از اکسترودر وارد قالب می شود. مواد پخت شده پس از خروج از سر قالب، وارد تنظیم کننده قطر (مخزن خلا) شده و با اعمال فشار مناسب شکل داده می شوند. سطح لوله به محض خروج از تنظیم کننده، با لایه هایی از جریان آب سرد خنک می شود. لوله پلی اتیلن تولید شده با دستگاه کشنده به تدریج از درون مخازن خلا و خنک کننده کشیده شده و با دستگاه نشانه زن، مشخصات فنی، تاریخ تولید، علامت استاندارد و نشان اختصاری نام شرکت روی آن ثبت می شود. سپس لوله ها، با دستگاه برش در متراژهای مختلف و معین بریده می شوند.

مراحل تولید لوله پلی اتیلن

اکسترودرهای پیچی رایج ترین نوع هستند. سرعت و شکل پیج انتخابی، معین کننده خروجی، سرعت اختلاط و فشار قالب اکسترودر است. در واقع، با پیچ، پلیمر متراکم، گرم، گاززدایی و ذوب می شود. از ابتدای ناحیه انتقال، عمق کانال پیچ به تدریج کاهش می یابد. این کاهش یکنواخت ابتدا هوا را به بیرون می راند و سپس مواد را متراکم می کند.

برای تولید لوله های پلی اتیلن از اکسترودرهای تک پیچ، استفاده می شود. روی پیچ مناطقی برای هدایت خوراک ورودی به داخل سیلندر، فشرده سازی، تهیه مذاب یکنواخت و پمپ کردن مذاب به داخل قالب تعبیه شده است.

کلیه مراحل تولید باید با دستگاه های کاملا خودکار کنترل و بازرسی شود تا کیفیت محصول نهایی مطابق با استاندارد باشد. محصول به دست آمده باید در کلیه مراحل تولید تحت کنترل و با استانداردهای موجود منطبق باشد.

آزمون های متداول استاندارد در بررسی عملکرد و کیفیت لوله پلی اتیلن

 شاخص جریان مذاب

 در آزمون شاخص جریان مذاب (MFI) سرعت جریان ذوب مواد در دما و زمان ثابت، مطابق با استاندارد ملی ایران به شماره ۶۹۸۰ – ۱ اندازه گیری می شود تا از نتایج حاصل، چگونگی رفتار مواد در داخل اکسترودر بررسی شود. این آزمون برای مواد اولیه و بررسی کیفیت مواد و نیز روی محصول انجام می شود. مقدار MFI محصول نباید بیشتر از 2٪ با MFI ماده اولیه تفاوت داشته باشد.

تعیین چگالی

چگالی مواد اولیه و محصول مطابق با استاندارد ملی ایران به شماره ۷۰۹۰، به روش شناورسازی با استفاده از ترازوی دقیق و سیالی، معین می شود. چگالی به دست آمده، معرف كیفیت فرایند تولید است.

تعیین درصد کربن

مقدار کربن در مواد اولیه و محصول نهایی مطابق با استاندارد ISO 18553 و 6964 ISO معین می شود. بدین منظور، مقدار معینی از مواد اولیه، در کوره ای تا دمای ۸۰۰درجه سانتی گراد در جو گاز نیتروژن خالص پیرولیز شده و مقدار کربن به جا مانده در اثر اکسیژن، سوزانده می شود تا در صد خاکستر (مواد افزودنی) در نمونه اولیه معین می شود. درصد مجاز کربن در لوله پلی اتیلن ۲ تا ۲/ ۵ درصد وزنی است که باید به طور یکنواخت در سراسر آن توزیع شده باشد. در مناطقی که تجمع کربن بیش از درصد مجاز باشد، تمرکز تنش به وجود می آید و لوله آسیب پذیر می شود. در حالتی که مقدار کربن کمتر از حد مجاز باشد، استحکام لوله در برابر تابش فرابنفش خورشید کاهش می یابد.

آزمون کشش

با استفاده از دستگاه های تخصصی آزمایشگاهی، خواص مکانیکی لوله های پلی اتیلن از جمله خواص کششی را می توان مطابق با استاندارد 6259 ISO اندازه گیری کرد. با توجه به نتایج حاصل از این آزمون، می توان چگونگی عملکرد محصول را در شرایط عملیات بررسی کرد.

آزمون فشار هیدرواستاتیک

این آزمون به منظور بررسی استحکام محصول در برابر فشارهای هیدروستاتیکی مطابق با استاندارد ملی ایران به شماره های ۱۲۱۸۱ – ۱ و ۲-۱۲۱۸۱ انجام می پذیرد. در این آزمون، نمونه های لوله پس از غوطه ور شدن در حوضچه آب با توجه به اندازه آن و نوع مواد اولیه در دمای ۲۰درجه سانتی گراد به مدت ۱۰۰ساعت یا 80درجه سانتی گراد به مدت ۱۶۵ ساعت یا ۸۰درجه سانتی گراد به مدت ۱۰۰۰ساعت، تحت فشار داخلی ثابت قرار داده می شوند. پیدایش هر گونه نقص در نمونه ها (ترکیدگی، بادکردگی، تورم موضعی، نشتی و ترک های مویی) به معنای مردود بودن محصول است.

آزمون فشار ترکیدگی

در این آزمون، مطابق با استاندارد ملی ایران به شماره ۱-۱۲۱۸۱، نمونه های لوله در حوضچه ای با دمای ثابت ۲۳درجه سانتی گراد شناور می شوند. سپس، لوله ها تحت اثر فشار داخلی افزاینده قرار می گیرند، به گونه ای که طی ۶s تا ۷۰ثانیه دچار تورم و پس از آن ترکیدگی می شود.

لوله ای که با مواد مرغوب و فرایند صحیح تولید شده باشد، دچار تغییر شکل پلاستیکی شده و باد می کند. سپس، به شکل نوک منقاری دچار ترکیدگی می شود. در این حالت، مقطع شکست عمود بر محور طولی لوله است. لوله ای که بدون باد کردگی دچار ترکیدگی یا شکاف طولی شود، غیر قابل مصرف است.

آزمون برگشت گرمایی

در این آزمون، مطابق با استاندارد 2505 ISO نمونه ها با طول تقریبی ۳۰سانتی متر درون گرم خانه، با گردش هوای داغ تقریبی در دمای ۱۱۰درجه سانتی گراد به مدت ۱ تا ۳ساعت (با توجه به ضخامت جداره لوله) قرار و داده شدند. پس از سرد شدن نمونه ها، طول لوله، کمتر از حالت اولیه در دمای معمولی می شود. این رفتار در لوله های نصب شده می تواند منجر به تغییر در گردی لوله شود، از این رو با این آزمون حد مجاز تغییرات طولی (حداکثر تا ۳ درصد) در آزمایشگاه بررسی می شود.

اندازه گیری ابعاد و بررسی ظاهری لوله

هنگامی که لوله های پلی اتیلن مطابق با استاندارد ملی به شماره 10610 آزمون می شوند، باید عاری از ناصافی (داخلی و سطحی) و خلل و فرج عمیق باشند. فرورفتگی های جزیی به شرط آنکه ضخامت را تا کمتر از حد مجاز کاهش ندهند قابل چشم پوشی است.

آزمون زمان القای اکسایش

آزمون زمان القای اکسایش (Oxidation Induction Yimes, OIT) مطابق با استاندارد ملی ایران به شماره 7186-5 روی مواد اولیه انجام می گیرد. هدف از انجام این آزمون تعیین مقدار پایداری گرمایی مواد است. مطابق با این استاندارد زمان تخریب پلی اتیلن نباید کمتر از 20دقیقه باشد.

نتیجه گیری

در دهه های اخیر روند رو به رشد استفاده از مواد پلاستیکی و به طور خاص پلی اتیلن، مرهون خواص و ویژگی های این مواد و اصلاح انواع متفاوتی از مواد اولیه آن بوده است. این کار باعث شده است تا در مدت زمان کوتاهی که از عمر آن می گذرد، از پیشرفت چشمگیری در تولید و مقدار کاربردی در صنایع مختلف برخوردار باشد. به عنوان مثال تولید پلی اتیلن های چند قله ای و دو قله ای به علت دارا بودن خواص فرآیند پذیری، عملکردی و مکانیکی مطلوب رویکرد جدیدی در تولید لوله های پلی اتیلن است. افزون بر این برای غلبه بر نگرانی های موجود در معایب کاربردی این لوله ها توجه مداوم به استاندارد های محصول لازم است. با این حال زمینه های پژوهشی زیادی در دست یابی به انواع اصلاح شده همواره لازم است.






دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *