پلی‌اتیلن (PE) یکی از پرکاربردترین پلیمرهای ترموپلاستیک در جهان است که از پلیمریزاسیون اتیلن تولید می‌شود. فرمول شیمیایی آن (C₂H₄)ₙ است و به عنوان یک هیدروکربن خطی یا شاخه‌دار شناخته می‌شود. تولید سالانه پلی‌اتیلن بیش از ۱۰۰ میلیون تن است و حدود ۳۴ درصد بازار پلاستیک‌ها را تشکیل می‌دهد. کامپاندهای پلیمری بر پایه پلی‌اتیلن، مخلوط‌هایی هستند که در آن پلی‌اتیلن به عنوان ماتریس اصلی با افزودنی‌ها، پرکننده‌ها یا پلیمرهای دیگر ترکیب می‌شود تا خواص مکانیکی، حرارتی یا شیمیایی بهبود یابد. این کامپاندها در صنایع بسته‌بندی، ساختمانی، خودروسازی و پزشکی کاربرد دارند. در این مقاله، به بررسی انواع، تولید، خواص و جنبه‌های زیست‌محیطی این کامپاندها می‌پردازیم.

پلی‌اتیلن به دلیل خواصی مانند سبکی، مقاومت شیمیایی بالا و هزینه پایین، پایه‌ای ایده‌آل برای کامپاندها است. با این حال، محدودیت‌هایی مانند استحکام پایین در دماهای بالا یا حساسیت به تخریب نوری دارد که با کامپاندینگ برطرف می‌شود. کامپاندینگ شامل افزودن مواد مانند فیبرهای طبیعی، پرکننده‌های معدنی یا پلیمرهای زیستی است تا کامپوزیت‌هایی با عملکرد بهتر ایجاد شود.

انواع پلی‌اتیلن و پایه کامپاندها

پلی‌اتیلن بر اساس چگالی و شاخه‌داری به انواع مختلفی تقسیم می‌شود که هر کدام پایه‌ای برای کامپاندهای خاص هستند:

• پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE): چگالی بیش از ۰.۹۴۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب، شاخه کم، استحکام کششی بالا. مناسب برای کامپاندهای ساختمانی مانند لوله‌ها.
• پلی‌اتیلن با چگالی پایین (LDPE): چگالی ۰.۹۱۰ تا ۰.۹۴۰، شاخه زیاد، انعطاف‌پذیر. در کامپاندهای بسته‌بندی استفاده می‌شود.
• پلی‌اتیلن خطی با چگالی پایین (LLDPE): چگالی ۰.۹۱۵ تا ۰.۹۲۵، شاخه کوتاه، مقاومت ضربه‌ای بهتر از LDPE.
• پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE): وزن مولکولی ۳.۵ تا ۷.۵ میلیون، سختی بالا، برای کامپاندهای پزشکی مانند پروتزها.

علاوه بر این، انواع متقاطع‌شده (XLPE) یا کوپلیمرهایی مانند اتیلن-وینیل استات (EVA) برای بهبود خواص حرارتی یا الاستیکی استفاده می‌شوند. در کامپاندها، این انواع با پرکننده‌هایی مانند فیبر بامبو یا سلولز باکتریایی ترکیب می‌شوند تا خواص مکانیکی افزایش یابد.

مواد افزودنی و پرکننده‌ها

در کامپاندهای پلی‌اتیلن، پرکننده‌ها نقش کلیدی دارند. برای مثال، فیبرهای چوبی از بامبو (مانند Oxytenanthera abyssinica) در کامپوزیت‌های چوب-پلیمر (WPC) مبتنی بر پلی‌اتیلن بازیافتی استفاده می‌شود. این فیبرها با اندازه ۲۰۰ تا ۶۰۰ میکرومتر، همراه با عامل جفت‌کننده مانند maleic-anhydride-grafted polypropylene (MAPP)، چسبندگی را بهبود می‌بخشد.

پرکننده‌های دیگر شامل لاستیک طبیعی (NR) برای ایجاد کامپوزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر است. در مخلوط LDPE/NR با نسبت‌های ۹۰/۱۰ تا ۵۰/۵۰، NR هیدروفیلیسیته را افزایش می‌دهد و زاویه تماس را از ۷۹ درجه به ۵۰ درجه کاهش می‌دهد. مواد معدنی مانند کربنات کلسیم یا نانوکامپوزیت‌ها نیز برای افزایش سختی اضافه می‌شوند. در کامپوزیت‌های زیستی، پلی‌اتیلن با پلیمرهای زیستی مانند پلی‌پروپیلن زیستی ترکیب می‌شود تا پایداری محیطی بهبود یابد.

روش‌های تولید و پردازش

تولید کامپاندهای پلی‌اتیلن شامل پلیمریزاسیون اتیلن با کاتالیزورهای زیگلر-ناتا یا فیلیپس است که واکنشی گرمازا با آنتالپی -۱۰۷.۶ کیلوژول بر مول است. برای کامپاندینگ، روش‌هایی مانند اکستروژن دوپیچ، اختلاط مذاب یا پرس گرم استفاده می‌شود. در WPCها، پلی‌اتیلن بازیافتی (LLDPE، MDPE، HDPE) با ۴۰ تا ۶۰ درصد فیبر بامبو مخلوط شده و با MAPP جفت می‌شود تا چسبندگی افزایش یابد.

پردازش شامل خشک‌کردن مواد (رطوبت کمتر از ۲ درصد)، اختلاط در دمای ۱۴۰ درجه سانتی‌گراد تحت جو آرگون، و تست‌های استاندارد مانند ISO 527 برای استحکام کششی است. این روش‌ها خواص را بهینه می‌کنند، مانند افزایش مدول کششی تا ۲۷۵۶ مگاپاسکال در کامپوزیت‌های HDPE-based.

خواص کامپاندهای پلی‌اتیلن

خواص مکانیکی: افزودن NR استحکام کششی را ۵۰ تا ۷۴ درصد کاهش می‌دهد (از ۱۵.۱ به ۳.۹ مگاپاسکال)، اما کشیدگی نسبی را بهبود می‌بخشد. در WPCها، MAPP استحکام کششی را تا ۶۸ درصد افزایش می‌دهد.

خواص حرارتی: نقطه ذوب ۱۰۵ تا ۱۳۵ درجه سانتی‌گراد، پایداری حرارتی بالا با تجزیه در دمای بیش از ۳۰۹ درجه. کریستالیته با افزودن NR بیش از ۴۰ درصد کاهش می‌یابد.

خواص شیمیایی: مقاومت عالی به اسیدها و بازها، نفوذپذیری کم به آب، اما نفوذپذیر به گازهای غیرقطبی. خواص الکتریکی شامل عایق خوب با ثابت دی‌الکتریک ۲.۲ تا ۲.۴ است.

کاربردها

کامپاندهای پلی‌اتیلن در بسته‌بندی (فیلم‌ها، کیسه‌ها)، لوله‌کشی (HDPE برای آب)، خودرو (قطعات داخلی)، و پزشکی (UHMWPE برای关节 مصنوعی) استفاده می‌شوند. WPCها در مصالح ساختمانی مانند کف‌پوش‌ها کاربرد دارند و کامپوزیت‌های LDPE/NR در کشاورزی و بسته‌بندی زیستی مفید هستند. همچنین، در کابل‌ها و geomembraneها برای کنترل آلودگی.

جنبه‌های زیست‌محیطی

پلی‌اتیلن سنتی غیرزیست‌تخریب‌پذیر است و تجزیه آن از طریق اکسیداسیون نوری یا حرارتی رخ می‌دهد. اما کامپاندهای زیستی مانند LDPE/NR پس از ۲۴ ماه در خاک، کاهش وزن نشان می‌دهند و میکروارگانیسم‌ها سطح را تخریب می‌کنند. WPCهای مبتنی بر پلی‌اتیلن بازیافتی، زباله‌های شهری را کاهش داده و انتشار CO₂ را کم می‌کنند. پژوهش‌ها بر پلی‌اتیلن زیستی تمرکز دارند تا مشکلات بازیافت را حل کنند.

نتیجه‌گیری

کامپاند پلیمری بر پایه پلی‌اتیلن، با ترکیب خواص پایه و افزودنی‌ها، مواد پیشرفته‌ای برای صنایع مختلف فراهم می‌کنند. پیشرفت در کامپوزیت‌های زیستی و بازیافتی، آینده‌ای پایدار را نوید می‌دهد. با تمرکز بر تحقیق، می‌توان چالش‌های زیست‌محیطی را برطرف کرد و کاربردها را گسترش داد.