پلی اتیلن کراسلینک (PEX)

چکیده

PEX (پلی اتیلن متقاطع) به عنوان یک پلیمر همه‌کاره و بسیار کارآمد در صنایع مختلف ظاهر شده است و خواص استثنایی را نشان می‌دهد که به محبوبیت آن کمک می‌کند. در صنایع ساختمانی، لوله‌‎های PEX با انعطاف پذیری، دوام و مقاومت در برابر ترک خوردگی، خواصی مانند سهولت نصب را از خود نشان می‌دهند. این گزارش مروری بر روش تولید و ویژگی‌ها PEX ارائه می‌دهد.

کلمات کلیدی: : PEX، پلی اتیلن کراسلینک، لوله‌سازی، مزایای PEX

مقدمه

پلی اتیلن یا پلی تن(نام IUPAC پلی اتن یا پلی (متیلن))، رایج‌ترین پلاستیک تولید‌شده است. این پلیمر، در درجه اول برای بسته‌بندی (کیسه‌های پلاستیکی، فیلم‌های پلاستیکی، ژئوممبران‌ها و ظروف از جمله بطری‌ها و غیره) استفاده می‌شود. پلی‌ اتیلن بیش از 70% از کل بازار پلاستیک‌ها را تشکیل می‌دهد، به راحتی در دسترس است، هزینه نسبتا پایینی دارد و در دمای 150-250 به آسانی فرایند می‌شود.

 این پلیمر در اقلام خانگی، بسته‌بندی، عایق‌بندی و پزشکی کاریرد دارد. بیشتر ترکیبات پلی ‌اتیلنی حاوی مقادیر زیادی پر کننده (Fillers) هستند. این پلیمر، ترموپلاستیک است و بنابراین می‌تواند بارها فرآیند شود. با این حال پلی اتیلن نرم و روان می‌شود و در دمای بالا خواص فیزیکی حیاتی خود را از دست می‌دهد و در نتیجه کاربردهای آن را محدود می‌کند. ایجاد اتصالات عرضی (Crosslinking) در پلی اتیلن باعث حفظ خواص مطلوب آن در دماهای بالا، تغییر ماهیت پلی اتیلن از ترموپلاستیک به ترموست و در نتیجه ایجاد ماتریس پلیمری پایدارتری می‌شود.

انواع پلی اتیلن مانند پلی اتیلن خطی با چگالی کم (LLDPE)، پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE)، پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) و کوپلیمر اتیل وینیل استات (EVA) و الاستومر پلی الفینیک (POE)، قابلیت شبکه‌ای شدن را دارا هستند. در بین ساختارهای مختلف زنجیره‌های پلی اتیلن، ساختارهای شاخه‌ای برای ایجاد اتصالات عرضی مناسب‌تر هستند بنابراین، ایجاد اتصالات عرضی در LLDPE و HDPE نیاز به توجه بیشتری دارد.

با ایجاد اتصالات عرضی، پلیمری نامحلول و غیر قابل ذوب تشکیل می‌شود که در آن زنجیره‌های پلیمری به هم متصل می‌شوند تا ساختارهای 3 بعدی را ایجاد کنند. همچنین ایجاد اتصالات عرضی در پلی اتیلن، شبکه‌ای متراکم با وزن ملکولی بالا را تشکیل می‌دهد که استحکام ضربه (Impact strength)، مقاومت نسبت به رشد ترک (ESCR) و مقاومت نسبت به خزش و سایش را بدون تاثیر بر روی استحکام کششی و چگالی، به میزان قابل توجهی بهبود می‌بخشد و در مقابل ازدیاد طول در نقطه شکست (Elongation at break) و نرخ جریان مذاب (Melt flow index) را کاهش می‌دهد. شکل 1، نشان دهنده تصویری از زنجیره‌های پلی اتیلن قبل و بعد از ایجاد اتصالات عرضی می‌باشد.‌

روش‌های سنتز PEX

فرآیند اتصال عرضی پلی اتیلن به دو طریق فیزیکی و شیمیایی صورت می‌گیرد.

1-روش فیزیکی: (PEX-c)

در این روش اتصالات عرضی با رادیکال‌های آزاد تولید شده توسط تشعشعات با انرژی بالا ایجاد می‌شود. این فرآیند به صورت شماتیک در شکل 2 نشان داده شده است:

مزایای استفاده از روش تابش در ایجاد اتصالات عرضی پلی اتیلن

1-واکنش ایجاد اتصالات عرضی در دمای اتاق انجام می‌گیرد.

2-واکنش به‌سرعت کامل می‌شود و بازده بالایی دارد.

3-واکنش می‌تواند بدون هیچ‌گونه افزودنی انجام شود.

4-ایجاد اتصالات عرضی تنها در یک مرحله انجام می‌شود.

معایب استفاده از روش تابش در ایجاد اتصالات عرضی پلی اتیلن

1-هزینه بالا.

2-ایجاد اتصالات عرضی در مواد با اشکال نامنظم و پیچیده دشوار است.

3-اقدامات ایمنی برای محافظت از اپراتورها در برابر تشعشع مورد نیاز است.

2-روش شیمیایی:

اتصال عرضی شیمیایی روشی است که در آن از مواد شیمیایی یا آغازگرها برای تولید رادیکال‌های آزاد استفاده می‌شود که به نوبه خود منجر به ایجاد اتصالات عرضی در پلیمر خواهد‌ شد. در این روش، اتصالات عرضی از‌ طریق پیوندهای مستقیم کربن-کربن یا از طریق پل‌های شیمیایی که مولکول‌های مختلف پلی اتیلن را به‌هم متصل می‌کنند، صورت می‌گیرد.

دو روش عمده ایجاد اتصالات عرضی شیمیایی عبارتند از:

1-مبتنی بر پراکسید(PEX-a)

2-مبتنی بر سیلان (با استفاده از رطوبت- Moisture cured )(PEX-b)

درجه اتصالات عرضی (Degree of crosslinking) در رزین های ترموپلاستیک باتوجه به فرایند اتصال عرضی متفاوت است. روش ایجاد اتصالات عرضی با استفاده از پراکسید، در مقایسه با روش فیزیکی، بالاترین و یکنواخت‌ترین درجه اتصالات عرضی را ایجاد می‌کند. درجه اتصالات عرضی در روش تابش 75-34% می باشد در حالی‌که در روش شیمیایی با استفاده از پراکسید این مقدار به بالاتر از 90% هم می‌رسد و در روش شیمیایی به کمک سیلان، درجه اتصالات عرضی 70-45% می‌باشد.

اتصال عرضی شیمیایی مبتنی بر پراکسید: (PEX-a)

در این روش از پراکسید آلی به عنوان آغازگر استفاده می‌شود.ترکیب پلی اتیلن و پراکسید باید در دمای پایین‌تر از دمای تجزیه پراکسید انجام شود. ایجاد اتصالات عرضی در تجهیزات پایین‌دستی و در دما و فشار بالا انجام می‌گیرد. دمای بالاتر از دمای تجزیه پراکسید، آغازگر را تجزیه و باعث ایجاد رادیکال آزاد شده که این رادیکال آزاد اتم هیدروژن را از زنجیره پلیمر جدا کرده و به رادیکال فعال تبدیل شده و یک پیوند عرضی با یک رادیکال فعال دیگر از زنجیره مشابه یا متفاوت تشکیل می‌دهد. این واکنش تا زمانی رخ می‌دهد که تمام پراکسید مصرف شود یا دما به زیر نقطه تجزیه برسد. نمایش شماتیک این واکنش در شکل 3 نشان داده ‌شده‌است.

مزایای روش پراکسیدی

1-پایداری حرارتی عالی

2-سهولت در ترکیب کردن

3-ماندگاری بالا

معایب روش پراکسیدی

1-هزینه بالا

2-چسبندگی سطح در حضور اکسیژن

اتصال عرضی شیمیایی به‌کمک سیلان: (PEX-b)

در این روش ملکول‌های سیلان بر روی زنجیره پلی اتیلن پیوند زده می‌شود که برای پیوند این ملکول‌ها، ابتدا درصد کمی از پراکسیدهایی مانند دی کیومیل پراکسید با پلی اتیلن مخلوط می‌شوند. پراکسید در ابتدا روی زنجیره پلی اتیلن رادیکال آزاد تولید می‌کند و پیوند سیلان با پلی اتیلن در محل تولید رادیکال آزاد صورت می‌گیرد و در نهایت محصولات اکسترود شده یا قالب‌گیری تزریقی شده در حضور بخار آب دارای اتصالات عرضی می‌شوند. فرایند اتصال عرض سیلانی به صورت شماتیک در شکل 4 نشان داده شده ‌است:

مزایای روش ایجاد اتصالات عرضی سیلانی:

1-فرایند اتصالات عرضی در دمای اتاق انجام می‌شود.

2-هزینه نسبتا پایین‌تری نسبت به روش قبلی دارد.

3-درصد ژل بالاتر نسبت به روش فیزیکی

معایب روش ایجاد اتصالات عرضی سیلانی:

1-زمان پخت در مقایسه با روش پراکسیدی طولانی‌تر است.

2-تجهیزات پایین‌دستی اضافی مورد نیاز است.

3-استحکام پیوندهای اتصال عرضی شده نسبت به روش پراکسیدی پایین‌تر است.

بیشترین کاربرد پلی اتیلن شبکه‌ای شده در صنعت کابل‌های الکتریکی است. ایجاد اتصالات عرضی درحالی که تاثیری بر خواص دی‌الکتریک پلی اتیلن ندارد، باعث ایجاد مقاومت در برابر جریان و تغییر شکل دایمی در دمای بالاتر از نقطه نرم‌شدگی آن می‌شود. همچنین پلی اتیلن شبکه‌ای در لوله‌های آب سرد و گرم کاربرد گسترده‌ای دارد. استفاده از لوله‌های آب پلاستیکی پلی اتیلن شبکه‌ای شده (PEX)، جایگزین لوله‌های مسی، در ساخت و ساز ساختمان‌ها به طور گسترده در حال افزایش است. علاوه بر این، لوله‌های PEX به طور گسترده در خطوط آب‌های زیر زمینی، خطوط تامین آب داخلی و سیستم‌های گرمایش از کف کاربرد دارند.

مزایای استفاده از PEX در سیستم‌های لوله‌کشی نسبت به لوله های مسی عبارتند از:

1-انعطاف پذیری

2-افت فشار کمتر

3-هزینه مواد پایین‌تر

4-نصب آسان‌تر

5- بدون خطر آتش‌سوزی در هنگام نصب

6- قابلیت ادغام PEX با سیستم‌های مسی و PVC موجود

7- احتمال ترکیدن در اثر یخ‌زدگی کمتر است

8- امکان عایق‌کاری لوله

مشکلات استفاده از PEX در سیستم های لوله‌کشی:

1-امکان تخریب در برابر نور خورشید.

2- اثرات احتمالی بر سلامتی.

3-امکان سوراخ شدگی توسط حشرات.

نتیجه گیری

در پایان، PEX (پلی اتیلن متقاطع) با خواص استثنایی و طیف گسترده‌ای از کاربردها، صنعت لوله‌کشی و گرمایش را متحول کرده است. انعطاف‌پذیری، دوام و مقاومت در برابر ترک‌خوردگی آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای نصب در محیط‌های مختلف تبدیل کرده است. مقاومت شیمیایی و عملکرد حرارتی PEX به قابلیت اطمینان و کارایی آن در ارائه آب تمیز و حفظ سیستم‌های گرمایش بهینه کمک می‌کند. PEX با سهولت نصب و انطباق با استانداردها، راحتی و آرامش خاطر را فراهم می‌کند.
همانطور که صنعت به نوآوری خود ادامه می‌دهد، آینده PEX امیدوارکننده به نظر می‌رسد.

پیشرفت‌های مداوم در روش‌های پیوند متقابل و فرمول‌بندی مواد با هدف افزایش بیشتر خواص و عملکرد آن صورت گرفته است .نو‌آوری‌هایی از جمله تکنیک‌های پیشرفته اتصال لوله و سیستم‌های لوله‌کشی هوشمند، این پتانسیل را دارند که تأسیسات را ساده کرده و نظارت و نگهداری سیستم را بهبود بخشند.

به طور کلی، PEX ثابت کرده است که یک راه حل قابل اعتماد و مقرون به صرفه برای نیازهای لوله‌کشی و گرمایش است. ویژگی‌های استثنایی و چشم‌اندازهای آینده آن، آن را به انتخابی ارجح در صنعت تبدیل می‌کند و راه‌حل‌های کارآمد و پایدار را برای طیف وسیعی از کاربردها ارائه می‌کند.

گردآورنده: ثمین سالکی

ویرایش: دکتر مهرناز بهادری

منابع

1. Oral E, Muratoglu OK. Crosslinked polyethylene. Materials For Total Joint Arthroplasty: Biotribology Of Potential Bearings. 2015 Oct 14:133.

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page.