پلی‌پروپیلن و کاربردها

چکیده

پلی‌پروپیلن (PP) با خواص شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی عالی یکی از پرمصرف‌ترین و اساسی‌ترین پلیمرهای مورد استفاده در دنیا است. این ماده قابل بازیافت بوده و با مدیریت درست مصرف‌کنندگان آسیبی به محیط زیست وارد نمی‌کند. در برابر حرارت نسبتا مقاوم بوده و باعث انتشار مواد سمی به محیط نمی‌شود. علاوه بر این، پلیمر تولید شده از مونومر پروپیلن به طور معمول در برابر حلال‌های شیمیایی، بازها و اسیدها مقاوم است که این ویژگی‌ها نشان دهنده‌ی کاربرد گسترده این پلیمر در زندگی روزمره می‌باشد. این پلیمر گرمانرم در صنایع مختلف شامل فیلم و ورق، قالب‌گیری دمشی، قالب‌گیری تزریقی، بسته‌‌بندی غذایی، نساجی، تجهیزات آزمایشگاهی و پزشکی، لوله، کاربردهای صنعتی و ساختمانی و به ویژه در ساخت اجزاء خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد. تقریبا در سی درصد از قطعات خودرو از این پلیمر استفاده شده است.

کلیدواژه: پلیمر، پلی‌پروپیلن، گرمانرم، ویژگی‌، کاربرد

مقدمه

پلی‌‌پروپیلن یکی از محصولات پتروشیمی است که طی پلیمریزاسیون مونومرهای پروپیلن با اعمال گرما و افزودن یک آغازگر یا کاتالیست به محیط واکنش، تشکیل می‌شود. چهار روش متفاوت از جمله پلیمریزاسیون محلول، سوسپانسیون، توده‌ای و فاز گازی برای تولید پلی پروپیلن وجود دارد. ویژگی PP طبق شرایط فرایند، ترکیبات کوپلیمر و توزیع وزن مولکولی آن تعیین می‌شود. همانطور که در شکل (1) نشان داده شده‌است، PP یک پلیمر وینیلی است، بطوری که هر اتم کربن به یک گروه متیل پیوند داده شده است.

لازم به ذکر است که مواد پلیمری به چهار گروه اصلی گرمانرم، گرما‌سخت، الاستومر و ترکیبات پلیمری تقسیم می‌شوند. الاستومرها و گرماسخت‌ها به ترتیب دارای خاصیت ارتجاعی نرم و سخت هستند و رزین آنها را نمی‌توان دوباره ذوب نمود و بازیافت کرد. در حالی که گرمانرم‌ها آمورف (بی‌شکل) یا شبه بلوری و قابل بازیافت‌اند. پلی‌پروپیلن در گروه گرمانرم قرار گرفته و تغییر و تقویت آن با افزودنی‌های متفاوت، پلیمرهایی با خصوصیت مکانیکی بالا ایجاد می‌کند.

پلی‌پروپیلن، پلیمر گرمانرمی است که انعطاف‌پذیری مطلوبی در قالب‌گیری دارد، علاوه بر آن در حضور اسیدهای غلیظ و رقیق، الکل، آلدهید، استر، اتر و معرف‌های اکسیدکننده مقاومت عالی از خود نشان می‌دهد. این پلیمر با ساختاری بلوری، نقطه ذوب بالایی در مقایسه با پلیمرهای گرمانرم تجاری دیگر دارد. از این رو به تفسیر به ویژگی‌های آن پرداخته خواهدشد.

ویژگی‌های پلی پروپیلن

برای درک انواع مختلف پلی‌پروپیلن، باید دسته‌بندی پلیمرهای گرمانرم را با دیدگاه متفاوتی بررسی کرد.

پلیمرهای گرمانرم به دو گروه دسته‌بندی می‌شوند:

پلیمرهای گرمانرم رایج (Commodity): این گروه پلیمرهای اصلی مانند پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، پلی‌استایرن و پلی‌وینیل کلراید را پوشش می‌دهد.

پلیمرهای گرمانرم مهندسی: دومین گروه پلیمرهای گرمانرم هستند و محصولات این گروه مربوط به کاربردهای مهندسی برق و مکانیک می‌باشد. در این میان می‌توان به پلی‌سولفون، نایلون، پلی‌کربنات، استال و ترپلیمرهای ABS اشاره نمود.

دو نوع مختلف پلی‌پروپیلن وجود دارد. نوع اول، پلی پروپیلنی که تنها حاوی مونومر پروپیلن به شکل جامد نیمه‌بلوری است، که همو پلیمر (HPP) نامیده می‌شود. وقتی در ساختار پلی‌پروپیلن از مونومر دیگری به جز مونومر پروپیلن استفاده شود، پلی پروپیلن کوپلیمر خواهیم داشت. پلی پروپیلن خود نیز به دو دسته کوپلیمر دسته‌ای (Block copolymer) و تصادفی (Random copolymer) تقسیم می‌شود. در کوپلیمر دسته‌ای بخش‌های اتیلنی در بین بخش‌های پروپیلن در طول زنجیره پلیمری قرار دارند، در حالی که در کوپلیمر تصادفی مونومرهای اتیلن به صورت نامنظم و جدا از هم در طول زنجیره پلیمر قرار دارند. HPP پرمصرف‌ترین نوع پلی‌پروپیلن در صنعت است. HPP یک سیستم دو فازی است که شامل بخش‌های بلوری و غیربلوری است. نواحی غیربلوری دارای PP ایزوتاکتیک (Isotactic) (iPP) و PP آتکتیک (Atactic) هستند. PP ایزوتاکتیک در نواحی بی‌شکل قابل تبلور است و در طول زمان به آرامی متبلور می‌شود. به عبارت دیگر، HPP تنها از یک واحد پروپیلن ایزوتاکتیک تشکیل شده است و ساختار بلوری به پلیمر می‌دهد. بنابراین، HPP از استحکام و نقطه ذوب بالایی در دمای اتاق برخوردار است اما استحکام ضربه پایینی را از خود نشان می‌دهد. کوپلیمرهای تصادفی کوپلیمرهای اتیلن/پروپیلن هستند که در یک واکنشگاه با کوپلیمریزاسیون پروپیلن و مقادیر کمی اتیلن (معمولاً 7٪ یا کمتر) تولید می‌شوند. اتیلن ساختار منظم پلی‌پروپیلن را مختل می کند و منجر به کاهش یکنواختی بلورینگی در پلیمر می‌شود، به این معنی که با افزایش محتوای اتیلن، بلورینگی به تدریج کاهش یافته و به نقطه ذوب پایین‌تری می‌رسد. کوپلیمرها معمولاً خواص ضربه‌ای کمی بهتر، نقطه ذوب پایین‌تر و انعطاف‌پذیری بالاتری دارند. برای شناخت بهتر، ویژگی‌های پلی‌پروپیلن در جدول 1 پرداخته شده‌است.

جدول 1. مزایا و معایب پلی‌پروپیلن

مزایای پلی پروپیلن		معایب پلی پروپیلن
کوپلیمر	هموپلیمر	تخریب توسط تابش فرابنفش
قابلیت فرایند شدن بالا	قابلیت فرایندشدن مناسب	قابل اشتعال
مقاومت به ضربه بالا	مقاوم به ضربه مناسب	تخریب توسط حلال های آروماتیک و کلردار
استحکام بالا	استحکام مناسب	قدرت ضربه ضعیف در دمای پایین
تماس با مواد غذایی-نامناسب	تماس با مواد غذایی- مناسب	مشکل در ایجاد پیوند

ساختارهای نیمه بلوری ایزوتاکتیک دارای سه ساختار بلوری از جمله ساختارهای مونوکلینیک (𝛼)، تریگونال (β) و ارتورومبیک (γ) است. کاهش بلورینگی باعث افزایش شفافیت محصول می‌شود. پلیمرهای ایزوتاکتیک چندین بار اکسترود شده، بازیافت می‌شوند و پس از فرایند اکستروژن سرد می‌شوند تا اثر بازیافت روی کدورت مشاهده شود. نتایج نشان می‌دهد که کدورت با افزایش مراحل بازیافت و سرعت خنک شدن کاهش می‌یابد. با این حال، افزایش مقدار فاز 𝛼 و افزایش اندازه متوسط ساختارهای مونوکلینیک باعث افزایش کدورت می شود. پلی‌پروپیلن ایزوتاکتیک (β-iPP) یکی دیگر از نمونه‌های تجاری با ویژگی های منحصر به فرد است. به عنوان مثال، چقرمگی و استحکام ضربه β-iPP به طور قابل توجهی بیشتر از 𝛼-iPP است. توسعه فاز β با بلورینگی در یک گرادیان دما کامل می‌شود. با این حال، اصلاح β نمی‌تواند جایگزین استفاده از اصلاح 𝛼 شود، زیرا هر نوع بلورینگی ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود را دارد. نتایج نشان می‌دهد که انواع iPP دارای خواص مکانیکی عالی و ویژگی‌های نوری مناسبی هستند. شایان ذکر است که بازیافت پلیمرها باعث کاهش خواص مکانیکی و نوری آنها می‌شود. ویژگی‌های نوری برای کاربردهای بسته‌بندی مواد غذایی بسیار مهم است. با توجه به ویژگی‌های ذکر شده برای PP، همراه با ماندگاری خصوصیات مطلوب پس از بازیافت آن، ویژگی منحصربفرد این پلیمر محسوب می‌شود.

محصولات تجاری این پلیمر در وزن مولکولی، مونومر و همچنین مواد افزودنی مختلف موجود هستند. بهبود خواص فیزیکی به پلی پروپیلن اجازه می‌دهد تا در اکثر کاربردها مانند فیلم‌ها، الیاف، نوارها، ورق‌ها، محصولات حاصل از قالب‌گیری بادی و تزریقی ماده اصلی باشد. برخی از خواص حرارتی از جمله دمای ذوب، دمای بلورینگی و دمای تخریب پلی پروپیلن تجاری در مقایسه با دیگر پلیمرها در جدول 2 نشان داده شده است. 

‌

جدول 2. دمای انتقال فاز برای رزین‌های شبه بلوری

رزین	Tg	Tm	Td
HDPE	-95	130-146	360-390
PA 6	40	220	327
PEEK	120	340	–––
PP	-18	160-208	336-366
PTFE	-20	327	424-513

بنابراین، این پلیمر سبک وزن با دانسیته 0.9 به همراه ویژگی‌های نام برده دیگر، کاربردهای زیادی در صنعت خواهد داشت.

کاربردهای پلی‌پروپیلن

1) الیاف و پارچه

الیاف با استفاده از فرآیندهای متفاوت اکستروژن PP تولید می‌شود. PP با داشتن ویژگی‌هایی از جمله چگالی کم‌تر، استحکام، مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر لکه، کاربردهای مختلفی برای الیاف مانند زمین‌های چمن مصنوعی، نخ بخیه، انواع پارچه و دستمال از خود نشان می‌دهد(شکل 2).‌

2) فیلم

فیلم‌های PP از طریق فرآیند اکستروژن تولید می‌شود. ضخامت فیلم کمتر از 10 میلی‌متر است. این فیلم‌ها در محصولات غذایی، چسب‌های نواری و پوشاک استفاده شده است.

‌

3) خودرو

بسیاری از پلیمرهای استفاده شده در خودروهای جدید از نوع PP هستند، زیرا شرکت‌های خودروسازی تمایل دارند وزن کلی خودروهای خود را کاهش دهند تا در برخی از هزینه‌ها مانند بنزین برای مشتریان صرفه‌جویی شود. PP در ساخت درها، بدنه، ستون و … خودرو استفاده می‌شود که مهم‌ترین مزیت آن، سبک بودن آن است. کاهش وزن یک عامل مهم بوده است، بنابراین PP به یک ماده اصلی برای قطعات بیرونی خودرو تبدیل شده‌است (شکل 3).

4) تولید ورق با فرایند ترموفرمینگ

فرآیند ترموفرمینگ شامل حرارت دادن ورق گرمانرم تا نقطه نرم شدن آن و سپس تبدیل ورق نرم شده به شکل دلخواه است. فرآیند اکستروژن ورقی تولید می‌کند که ضخامت آن بیشتر از 10 میلی‌متر است. عرض ورق معمولاً بین 2-7 فوت است. ورق‌ها در تولید ظروف ترموفرم شده برای کاربردهای بسته‌بندی استفاده می‌شوند.

5) محصولات حاصل از قالب‌گیری تزریقی

در این فرآیند، گرانول‌های پلیمر پس از اعمال حرارت، ذوب شده، سپس مواد مذاب به داخل قالب دربسته تزریق می‌شود. قالب معمولاً از دو نیمه تشکیل شده است که برای غلبه بر نیروی مذاب تحت فشار کنار هم قرار می‌گیرند. پس از آن، مواد تزریق شده، خنک و جامد می‌شود. قالب‌گیری تزریقی برای تولید برخی از لوازم خانگی و ابزارهای دستی و همچنین در کاربردهای مختلف پزشکی مانند سرنگ‌های یکبار مصرف استفاده می‌شود.

6) محصولات حاصل از قالب گیری دمشی

در فرآیند قالب‌گیری دمشی یک جسم توخالی با دمیدن هوا گرم در یک پلیمر گرمانرم تولید می‌شود. در فرایند قالب‌گیری دمشی، یک لوله توخالی از مواد گرمانرم به نام پریسون (Parison) تولید شده و در داخل یک قالب بسته قرار گرفته و پس از دمیدن هوای گرم شکل قالب را به خود می‌گیرد و پس از خروج از قالب، شکل خود را حفظ می‌کند. بطری‌ها و شیشه‌ها محصولات اصلی فرآیند قالب‌گیری دمشی هستند.

‌7) لوله و اتصالات

لوله‌‏های پلی‌پروپیلن به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‏‌گیرند. این لوله‏‌ها به عنوان عایق حرارتی و الکتریکی بسیار مناسب هستند. از آن جایی که باز و بسته کردن لوله‌‏ها برای برنامه‌‏های اجرایی یک ضرورت است، یکی از مزایای لوله‏‌ی پلی‌پروپیلن این است که می‏‌توان آن را بارها باز و بسته کرد، بدون این که دچار فرسایش شود.

لوله‏‌های پلی‌پروپیلن سطح صاف و صیقلی در داخل و خارج لوله دارند که باعث سهولت حرکت سیالات در داخل لوله می‏‌شود. این لوله‏‌ها عمر بالایی دارند و ضد جلبک هستند. همچنین به دلیل وزن سبک، حمل و نقل این لوله‏‌ها راحت است. لوله‏‌های پلی پروپیلن نقطه‌‏ی ذوب و خاصیت انعطاف‌پذیری بالایی دارند. قیمت این لوله‌‏ها پایین است و از آن‏ها به عنوان جایگزین لوله‌‏های فلزی و چدن استفاده می‏‌شود. از دیگر مزایای لوله‌‏ی پلی‌پروپیلن می‌‏توان به مواردی مانند سرعت در نصب لوله‌‏ها، مقاومت در برابر پوسیدگی و خوردگی و مقاومت در برابر یخ‌زدگی اشاره کرد. برخی ویژگی‏‌های این لوله‌‏ها مانند مقاومت شیمیایی بالا، مقاومت در برابر محلول‌‏های آبی، قلیایی، اسیدی، نمک‌‏ها و حلال‌‏های آلی، باعث شده‏ است که لوله‏‌های پلی‌پروپیلن در موارد مختلف کاربرد داشته‏ باشند. این لوله‏‌ها در سیستم‌های لوله‌کشی آب آشامیدنی کاربرد دارند. لوله‌‏های پلی‌پروپیلن در موارد مختلفی از جمله صنایع غذایی، لوله‏‌کشی ساختمان، تاسیسات حرارتی ساختمان، سیستم‏‌های حرارت خورشید، خطوط هوای فشرده، محیط‌های اسیدی و قلیایی، ساخت اسباب‌بازی، صنایع کشتی‌سازی، صنعت خودرو‌سازی، تجهیزات آزمایشگاهی و پزشکی، انتقال آب، سیستم‏‌های فاضلاب، صنعت نساجی، سیستم‏‌های تخلیه‌‏ی شیمیایی و لوله‏‌کشی آب آشامیدنی مورد استفاده قرار می‌‏گیرند (شکل 4).

‌

به منظور بهبود ویژگی‌های لوله‌های PP، در سال 2004، نسل جدیدي از کوپلیمر تصادفی پلی‌پروپیلن با اصلاح بلورینگی (PP-RCT) با بهبود مقاومت فشار هیدروستاتیک توسط شرکت بوریالیس طراحی و تولید شد.
اصلاح بلورینگی مزایای منحصربه‌فردی برای آن‌ها به وجود می‌آورد که عبارتند از:

• بالا رفتن مقاومت در برابر ضربه
• افزایش مقاومت حرارتی
• افزایش استحکام خزشی طولانی مدت
• افزایش سرعت اکستروژن
• بهبود قابل ملاحظه در جوش‌پذیری

خواص مکانیکی PP-RCT تولید شرکت بوریالیس مطابق جدول 3 است.

‌

جدول 3. خواص مکانیکی گرانول PP-RCT

نوع	شاخص جریان مذاب (10g/min) (230°C/ 2.16k)	تنش کششی در نقطه تسلیم (MPa)	مدول تنشی (MPa)	ضربه ناچ چارپی در C◦ 23 (kJ/m2)	ضربه ناچ چارپی در C◦ 20- (kJ/m2)
RA7050	0.3	25	905	40	2

در راستای رسیدن به این ویژگی‌های مطلوب در لوله، برای اولین بار در کشورمان ایران، شرکت بهین پردازان کوشا زیرمجموعه گروه گیتی‌پسند موفق به تولید مستربچ PP-RCT گردیده است که این محصول در شرکت آذین لوله در تولید لوله‌های تک لایه و سه لایه PP-RCT استفاده می‌گردد. لوله‌های PP-RCT تولید شده با وجود ضخامت کمتر، خواص بهتری از خود نشان داده‌اند و موفق به دریافت گواهینامه از مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی در وزارت راه و شهرسازی است.

نتیجه گیری

کاربردهای PP نشان داد که در بین سایر پلیمرها، PP برای تولید پلیمرهای انعطاف پذیر، بادوام، ارزان و سبک برای مصارف متعدد صنعتی، تجاری، پزشکی و شخصی، انتخاب مناسبی است. حضور شاخه‌های آلکیلی روی زنجیره پلی‌پروپیلن خطی باعث تولید پلیمرهایی با مدول، استحکام کششی و مقاومت حرارتی بالا می‌شود. همچنین، علی‌رغم این واقعیت که بازیافت پلیمرها باعث کاهش خواص نوری آنها می‌شود، پلی‌پروپیلن ایزوتاکتیک نیمه بلوری خواص مکانیکی عالی و ویژگی‌های نوری مناسب را پس از بازیافت نشان می‌دهد. از اینرو کاربردهای PP نامحدود است و شامل الیاف، تسمه، فیلم و … می‌شود. بنابراین، اصلاح و تغییر ویژگی‌های پلی پروپیلن متناسب با کاربرد امری حیاتی است و مطالعات باید در این مسیر دنبال شود تا بتوان نیاز آینده را برطرف کرد.

گردآورنده: مرضیه شمس هرندی
ویراستار علمی: ثمین سالکی

منابع

1. Hisham A. Maddah, Polypropylene as a promising plastic: A Review, American Journal of Polymer Science 2016, 6(1): 1-11.
2. Bikiaris, D., & Docoslis, A. Harutun G. Karian, Handbook of polypropylene and polypropylene composites, 2003.