چکیده

در این مطالعه، بهبود فرایندپذیری مواد پلی‌اتیلن به همراه استحکام طولانی مدت در دمای بالا مورد بررسی قرار گرفته‌است. پلی‌اتیلن مقاوم در دمای بالا(PE-RT) ، کوپلیمری از ‌اتیلن به همراه آلفا الفین‌های 1-پروپن، 1-بوتن، 1-هگزن، و یا 1-اکتن ساختار مولکولی منحصر‌به‌فردی را تشکیل می‌دهد. لوله‌های PE-RT علاوه بر مقاومت بالا نسبت به فشار داخلی در شرایط محیطی و دمای بالا، انعطاف‌پذیری و خواص شیمیایی و مکانیکی مطلوبی نیز از خود نشان می‌دهد. از اینرو محصولات PE-RT در لوله‌های 3 لایه و 5 لایه آب آشامیدنی، تحت فشار آب سرد و گرم، گرمایش و سرمایش از کف استفاده می‌شود.

کلیدواژه‌ها: پلی‌اتیلن، PE-RT.

معرفی

مواد و فرایندهای جدید برای ساخت لوله همچنان در حال تکامل است، در این میان استفاده از PE-RT همراه با بهبود فرایندپذیری و استحکام طولانی مدت در دمای بالا مورد توجه قرار گرفته است. در مکان‌هایی که علاوه بر اعمال حرارت، لوله‌هایی با ابعاد بزرگتر مورد نیاز است، طراحان سیستم صنعتی، لوله‌های PE-RT را پیشنهاد داده‌اند.

سازگاری و قابلیت استفاده از PE-RT در دماهای بالا بدون نیاز به ایجاد اتصالات عرضی، آن را به انتخاب مناسب برای طیف وسیعی از کاربردها تبدیل می‌کند.PE-RT کوپلیمر پلی‌اتیلن حاوی اتن، اکتن، بوتن و یا هگزن است که در انتقالات آب سرد و گرم به راحتی قابل استفاده‌است.

در سال‌های اخیر، PE-RT با داشتن ویژگی‌های فیزیکی عالی، مقاوم در برابر فرسایش و ضربه، و همچنین ساخت و نصب آسان، می‌تواند جایگزین کوپلیمر پلی‌پروپیلن اتاکتیک (PPR)، پلی‌بوتن (PB)، پلی‌وینیل کلرید کلردار (PVC-C) و پلی اتیلن دارای اتصالات عرضی (PEX) برای استفاده در مناطق کاربردی مانند مبدل حرارتی، لوله‌های گرمایش از کف و انتقال آب سرد و گرم شود. PE-RT با رزینی با توزین اوزان مولکولی دو قله‌ای (bimodal) طراحی شده‌ است. شکل (1)، نشان دهنده منحنی توزیع اوزان مولکولی PE-RT می‌باشد.

ساختارهای کریستالی لایه‌ای (لاملا) از طریق زنجیره‌ی Tie به بخش آمورف پلیمر متصل شده‌اند. احتمال تشکیل زنجیره Tie با طول زنجیره پلیمری افزایش می‌یابد. مولکول‌های زنجیره Tie ویژگی‌هایی از جمله چقرمگی، خزش طولانی‌مدت و ESCR را با متصل کردن بخش‌های کریستالی پلیمر به یکدیگر افزایش می‌دهد. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده‌است، زنجیره Tie قابلیت تحرک و انبساط بالایی دارد، از اینرو می‌توانند انرژی جذب شده را به راحتی آزاد کنند.

PE-RT حاوی تعداد زنجیره‌های زیادی با وزن مولکولی بالا نسبت به پلی‌اتیلن است. استحکام طولانی‌مدت، چقرمگی، شکل‌پذیری و مقاومت در برابر خستگی همگی با افزایش وزن مولکولی بهبود می‌یابد. با این حال، وزن مولکولی بالاتر، فرایندپذیری رزین را با دشواری مواجه می‌کند. فناوری Bimodal باعث افزایش زنجیره‌هایی با وزن مولکولی بالا همراه با بهبود در فرایندپذیری اکستروژن می‌شود.
در شکل 3 نشان می‌دهد که استحکام شکست و چقرمگی با افزایش طول شاخه زنجیره کوتاه افزایش می‌یابد. نوع کومونومر روی غلظت زنجیره Tie و در نهایت عملکرد محصول نهایی تأثیر دارد. 1‌Octen نسبت به آلفین‌های کوتاهتر، کارآمدتر است.

طبق استاندارد بین المللی ISO22391-2 برای لوله‌های PE-RT، مواد PE-RT به دو نوع I و II تقسیم می‌شوند، که در این میان، نوع دوم مقاومت بیشتری در برابر دما و فشار بالا از خود نشان می‌دهد.
برای تولید PE-RT، دو روش اصلی وجود دارد که عبارتند از پلیمریزاسیون محلول که توسط شرکت Dow Chemical و پلیمریزاسیون دوغابی که توسط شرکت Basell توسعه یافته است. اگرچه مواد PE-RT را می توان با فرآیندهای مختلف تولید کرد، تفاوت در نوع، مقدار و توزیع کومونومر، وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی کوپلیمر می‌تواند باعث ایجاد تفاوت در ساختار مولکولی، و عملکرد آن شود. با این حال، مطالعات کمی در مورد مواد PE-RT انجام شده‌است.
از این رو، با هدف بررسی چگونگی تأثیر انواع کومونومرها، وزن‌ مولکولی و توزیع وزن مولکولی بر ساختار مولکولی، خواص سه نوع PE-RT در مطالعه‌ای بررسی شده‌است.

1)PERT (نوع II) حاوی کوپلیمر اتیلن و 1-بوتن با شاخص ذوب 0.14 گرم

2)PERT (نوع I) حاوی کوپلیمر اتیلن و 1-اکتن با شاخص ذوب 0.7 گرم

3)PERT (نوع II) حاوی کوپلیمر اتیلن و 1-اکتن با شاخص ذوب 0.55 گرم

جدول 1. ویژگی‌های مکانیکی نمونه‌های PE-RT

نمونه	استحکام تسلیم (MPa)	مدول سختی کرنش	مدول خمشی (MPa)
PE-RT-1	16.2	0.0525	652
PE-RT-2	10.2	0.0463	426
PE-RT-3	15.2	0.0575	554

در شکل 4 توزیع کومونومر بر روی زنجیره‌های مولکولی با استفاده از SSA مورد بررسی قرار گرفته‌است. SSA یک فرایند جداسازی وابسته به دما است که در آن بخش‌های قابل کریستالی شدن با طول‌های متفاوت در حالت مذاب قرار می‌گیرند. هرچه زنجیره طولانی‌تر باشد، لاملاهای ضخیم‌تری در دمای بالا تشکیل می‌شود. همانطور که در شکل 4 مشاهده می‌شود، هشت پیک ذوب برای سه نمونه بدست آمده است، که دما از پیک 1 تا 8 افزایش می‌یابد (شکل 4)،

در هر منحنی چندین پیک وجود دارد که نشان می‌دهد کومونومر به طور یکنواخت روی زنجیره مولکولی توزیع نشده‌است. منحنی‌های PE-RT-2 و 3-PE-RT از نظر شکل مشابه هستند، اما پیک اصلی ذوب در 3-PE-RT کمی به دمای بالاتر منتقل شده‌است. 1-PE-RT یک پیک بیشتر در دمای ∘C 133 دارد. نتیجه برازش پیک نشان می‌دهد که 1-PE-RT دارای زنجیره‌های مولکولی منظم‌تر و لاملاهای ضخیم‌تر از 3-PE-RT است. 3-PE-RT دارای لاملاهای ضخیم‌تر و محتوای کمتر لاملاهای نازک‌تر نسبت به 2-PE-RT است.

خواص مکانیکی و سینتیک تبلور سه نمونه مورد بررسی قرار گرفت. 1-PE-RT و 3-PE-RT که هردو نوع 2 هستند اما با کومونومرهای متفاوتی ساخته شده‌اند، در بسیاری از جنبه های عملکرد عمدتاً به دلیل توزیع کومونومر مختلف، متفاوت هستند. 1-PE-RT تبلور بهتر و مدول خمشی و استحکام تسلیم بالاتری نسبت به 3-PE-RT دارد. اکثر کومونومرهای 1-PE-RT به طور یکنواخت روی زنجیره مولکولی توزیع شده‌اند که مقدار بیشتری از زنجیره Tie تشکیل می‌دهند، درحالی که بخش کوچکی از کومونومر به طور یکنواخت در مولکول‌های زنجیره کوتاه توزیع نشده است که به آن توانایی تبلور بهتری می‌دهد. در نتیجه، 1-PE-RT مدول بالاتر و عملکرد طولانی مدت بهتری دارد. اگرچه 3-PE-RT کمی بهتر از 1-PE-RT است، اما نمی‌تواند سختی و عملکرد طولانی مدت را به خوبی 1-PE-RT داشته باشد.

2-PE-RT در مقایسه با 3-PE-RT با کومونومر یکسان، دارای توانایی تبلور ضعیف‌تر، مدول خمشی و استحکام تسلیم کمتر است که نشان می‌دهد ESCR PE- RT-2 از نمونه 3 بهتر است.

ویژگی‌های لوله PE-RT

PE-RT یک کوپلیمر ‌اتیلن همراه با نوعی آلفا-الفین (اتن، اکتن، هگزن یا بوتن) است، که با تنظیم توزیع کومونومر، وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی، در برابر ضربه، نور، دما و فشار در سیستم‌های لوله آب گرم و سرد از مقاومت بالایی برخوردار است.

1. لوله PE-RT در برابر نور UV و اکسیژن مقاوم است.

2. لوله PE-RT دارای پایداری حرارتی است و می تواند فشار طولانی مدت را تحمل کند. تحت دمای 70 درجه سانتیگراد و فشار 0.4 مگاپاسکال، لوله را می‌توان بیش از 50 سال استفاده کرد.

3. لوله PE-RT دارای انعطاف‌پذیری بالایی است که این ویژگی آن را اقتصادی می‌کند. شعاع خمش لوله PE-RT کوچک است (Rn=5D) و پس از خم شدن دوباره به عقب باز نمی‌گردد و آن را برای استفاده در ساخت و ساز ایده‌آل می‌کند به صورتی که فشار وارد بر قطعات خمشی کاهش می‌یابد.

4. لوله PE-RT در برابر ضربه مقاوم و دمای شکستن آن در دمای پایین (70- درجه سانتیگراد) است، به طوری که لوله PE-RT در دمای پایین قابل حمل و استفاده است و برای خم شدن نیازی به حرارت ندارد.

در شکل 5 نشان می‌دهد که لوله PE-RT در مقایسه با PE4710، در برابر رشد ترک بیش از 20 برابر مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهد.

5. اتصال همجوشی حرارتی را می‌توان برای لوله PE-RT بکاربرد تا محصول را به راحتی نصب و تعمیر کرد. در سیستم لوله‌کشی گرمایش از کف، اگر سیستم در اثر نیروی خارجی آسیب ببیند، می‌توان لوله PE-RT را با استفاده از همجوشی حرارتی تعمیر کرد که راحت‌تر، سریع‌تر و ایمن‌تر است.
6. لوله PE-RT را می‌توان بدون فرآیند اتصال عرضی تولید کرد. لوله PE-RT به راحتی فرایند شده و دارای ضخامت دیواره یکنواخت است.

چرا لوله PE-RT را انتخاب کنید؟

لوله‌های PE-RT می‌توانند آب با دمای بالا را بین مکان‌های مختلف انتقال دهند، ویژگی لوله‌ها عبارتند از:

• سبک وزن و حمل و نقل آسان

• ظرفیت جریان، 30 درصد بیشتر از لوله فلزی است

• سازگار با محیط زیست و قابل بازیافت

• در تولید لوله از مواد کمکی سمی استفاده نمی‌شود.

 • انعطاف‌پذیر است و نیاز به اتصالات کمتری دارد. PE-RT به اندازه کافی منعطف است تا در زوایای مورد نیاز سیستم‌های گرمایش و سرمایش خم شود.

• مقاومت بالا در برابر رشد ترک

نتیجه‌گیری

PE-RT یک کوپلیمر ‌اتیلن همراه با نوعی آلفا-الفین (اتن، اکتن، هگزن یا بوتن) است، که با تنظیم توزیع کومونومر، وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی، در برابر ضربه، نور، دما و فشار در سیستم‌های لوله آب گرم و سرد از مقاومت بالایی برخوردار است.

گردآورنده: مرضیه شمس هرندی
ویراستار علمی: ثمین سالکی

منابع

1. H. W. Long, Advanced Applications for HDPE Pipe with New PE-RT Material, 2017, 1-5.
2. D. Schramm, M. Jeruzal, PE-RT, A New Class of Polyethylen for Industrial Pipes, The Dow Chemical Company.
3. Z. Chao, B. Zhao, L. Ding, D. Zhang, F. Yang, M. Xiang. Influence of comonomer distribution on crystallization kinetics and performance of polyethylene of raised temperature resistance. Polymer International 68(10) 2019, 1748-1758.