بررسی اثر نانو ذرات خاک‌رس بر خواص پلی اتیلن اتصال عرضی شده۹۲- قسمت ۴
Abstract blue digital background, tunnel of glowing rings, 3d illustration

بررسی اثر نانو ذرات خاک‌رس بر خواص پلی اتیلن اتصال عرضی شده۹۲- قسمت ۴

معرفی پلی‌اتیلن

 

پلی‌اتیلن یکی از ساده‌ترین و ارزان‌ترین پلیمرهاست که از پلیمریزاسیون اتیلن به دست می‌آید.
مولکول اتیلن (C2H4) دارای یک باند دوگانه C=C است. در فرایند پلیمریزاسیون باند دوگانه هر یک از منومرها شکسته شده و به جای آن پیوند ساده‌ای بین اتم‌های کربن ایجاد می‌شود و محصول ایجادشده یک درشت ‌مولکول است.

 

تاریخچه تولید پلی‌اتیلن

 

پلی‌اتیلن اولین بار به طور اتفاقی توسط شیمیدان آلمانی ” هانس وان پچمانو[۶]” سنتز شد. او در سال ۱۸۹۸ هنگام حرارت دادن دی آزومتان، ترکیب مومی شکل سفیدی را سنتز کرد که بعدها پلی‌اتیلن نام گرفت. اولین روش سنتز صنعتی پلی‌اتیلن به طور تصادفی توسط شیمیدان‌های ICI در ۱۹۳۳ کشف شد. این دانشمندان با حرارت دادن مخلوط اتیلن و بنزالدئید در فشار بالا ، ماده‌ای موم‌ مانند به دست آوردند.
علت این واکنش وجود ناخالصی‌های اکسیژن‌دار در دستگاه‌های مورد استفاده بود که به عنوان ماده آغازگر پلیمریزاسیون عمل کرده بود. در سال ۱۹۳۵ یکی دیگر از دانشمندان ICI این روش را توسعه داد و تحت فشار بالا پلی‌اتیلن را سنتز کرد که این روش اساسی برای تولید صنعتیLDPE در سال ۱۹۳۹ شد.
اتفاق مهم در سنتز پلی‌اتیلن، کشف چندین کاتالیزور جدید بود که پلیمریزاسیون اتیلن را در دما و فشار ملایم‌تری نسبت به روش‌های دیگر امکان‌پذیر می‌کرد. اولین کاتالیزور کشف شده در این زمینه تری اکسید کروم بود که در سال ۱۹۵۱ ،توسط شرکت فیلیپس پترولیوم کشف شد. در سال ۱۹۵۳، یک شیمیدان آلمانی سیستم‌های کاتالیزوری شامل هالیدهای تیتان و ترکیبات آلومینیوم‌دار را توسعه داد. این کاتالیزورها در شرایط ملایم‌تری نسبت به کاتالیزورهای فیلیپس قابل‌استفاده بودند و همچنین پلی‌اتیلن تک آرایش (با ساختار منظم) تولید می‌کردند. سومین نوع سیستم کاتالیزوری استفاده از ترکیبات متالوسن بود که در سال ۱۹۷۶ در آلمان تولید شد. کاتالیزورهای زیگلر و متالوسن از لحاظ کارکرد بسیار انعطاف‌پذیر هستند و در فرایند کوپلیمریزاسیون اتیلن با سایر اولفین‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. پس از آن کاتالیزوری از خانواده متالوسن‌ها با قابلیت استفاده بالا برای پلیمریزاسیون پلی‌اتیلن به نام زیرکونوسن دی کلرید ساخته شد که امکان تولید پلیمر با ساختار بلوری(تک آرایش) را می‌دهد. همچنین نوع دیگری از کاتالیزورها به نام کمپلکس ایمینو فتالات با فلزات گروه ششم نیز مورد توجه قرار گرفته اند که کارکرد بالاتری نسبت به متالوسن‌ها نشان می‌دهند [۴].

 

جهت دانلود متن کامل پایان نامه به سایت azarim.ir مراجعه نمایید.

 

انواع پلی‌اتیلن

 

طبقه‌بندی پلی‌اتیلن‌ بر اساس دانسیته آن صورت می‌گیرد که در اندازه زنجیر پلیمری ، نوع و تعداد شاخه‌های موجود در زنجیر تفاوت ایجاد می‌کند.

 

 

  • پلی‌اتیلن با دانسیته بالا[۷]

 

این پلی‌اتیلن دارای زنجیر پلیمری بدون شاخه است بنابراین نیروی بین مولکولی در زنجیرها بالا و استحکام کششی آن بیشتر از بقیه پلی‌اتیلن‌ها است. شرایط واکنش و نوع کاتالیزور مورد استفاده در تولید پلی‌اتیلن HDPE موثر است. برای تولید پلی‌اتیلن بدون شاخه معمولاً از روش پلیمریزاسیون با کاتالیزور زیگلر- ناتا استفاده می‌شود.

 

 

  • پلی‌اتیلن با دانسیته پایین[۸]

 

این پلی‌اتیلن دارای زنجیری شاخه‌دار است بنابراین زنجیرهای LDPE نمی‌توانند به خوبی با یکدیگر پیوند برقرار کنند و دارای نیروی بین مولکولی ضعیف و استحکام کششی کمتری نسبت به HDPE هستند. این نوع پلی‌اتیلن معمولاً به روش پلیمریزاسیون رادیکالی تولید می‌شود. از خصوصیات این پلیمر، انعطاف‌پذیری و امکان تجزیه به وسیله میکرواورگانیزم‌ها است.

 

 

  • پلی‌اتیلن خطی با دانسیته پایین[۹]

 

این پلی‌اتیلن یک پلیمر خطی با تعدادی شاخه‌های کوتاه است و معمولاً ازکوپلیمریزاسیون اتیلن با آلکن‌های دارای زنجیرهای بلند ایجاد می‌شود.

 

 

    • پلی‌اتیلن با دانسیته متوسط[۱۰]

 

    • پلی‌اتیلن خیلی سبک[۱۱]

 

  • UHMWPE

 

ایجاد اتصالات عرضی در پلی‌اتیلن

 

پلی‌اتیلن به دلیل داشتن ثابت دی الکتریک پایین، فاکتور اتلاف کم و فرایند پذیری خوب ماده­ی ایده الی برای تهیه عایق کابل به نظر می‌رسد [۵] ولی استفاده از آن به علت داشتن نقطه ذوب پایین، تمایل به ترک خوردن تحت تنش و تورم در هیدروکربن ها محدود می‌شود. بنا به دلایل ذکرشده تلاش برای ایجاد اتصالات عرضی در پلی‌اتیلن صورت گرفت. ایجاد اتصال عرضی خصوصیت مهمی را به پلی‌اتیلن می‌دهد که با حرارت دادن نه ذوب‌شده و نه جریان پیدا می‌کند. با تشکیل اتصالات عرضی، پلیمر نیمه بلورین در دماهای زیر نقطه ذوب خود خواص یک ترموپلاستیک و در دماهای بالای نقطه ذوب خود خواص یک را بر را نشان می‌دهد [۶].
به علت اتلاف انرژی، قسمت‌های هادی کابل در توان­های بالا گرم می‌شوند و ممکن است دما به نقطه ذوب عایق برسد که در این صورت ممکن است کابل تغییر شکل دهد و هادی در عایق نفوذ کند و در نهایت باعث شکست الکتریکی[۱۲] شود. ولی با بهره گرفتن از XLPE این امکان فراهم می‌شود که دمای هادی کابل بتواند تا  C 130 هم افزایش یابد. به این ترتیب ایجاد اتصالات عرضی موجب بهبود مقاومت حرارتی و شیمیایی و مقاومت در برابر تنش‌های محیطی می­ شود. امروزه بیش‌ترین ماده‌ای که به عنوان عایق کابل برای ولتاژ KV 6 و بالاتر به کار می­رود پلی‌اتیلن اتصال‌عرضی شده است. ولی برای کابل­های ولتاژ پایین­تر همچنان پلی وینیل کلراید به عنوان ماده غالب مورد استفاده قرار می‌گیرد [۵].
ساختمان اولیه کابل با ولتاژ متوسط و بالا شامل یک هادی به صورت جامد یا رشته بافته شده است که به وسیله یک عایق و صفحات رسانا احاطه شده است. وظیفه­ی صفحات رسانا ایجاد یک فصل مشترک مناسب بین عایق و قسمت‌های رسانا به منظور جلوگیری از تمرکز تنش الکتریکی است. زیرا تمرکز تنش می‌تواند باعث شکست ناگهانی ساختار عایق شود. لایه ­های دیگر هم برای محافظت مکانیکی و الکتریکی به هسته­ی فلزی اضافه می‌شوند [۵].
شکل ۲-۱ ساختار یک نمونه از کابل­های ولتاژ بالا را نشان می‌دهد.

شکل ‏۲‑۱ ساختار یک کابل ولتاز قوی با عایق پلی‌اتیلن اتصال عرضی شده: ۱) هادی کابل، ۲) صفحه ی نیمه هادی رسانا،۳) عایق پلی‌اتیلن اتصال عرضی شده، ۴) صفحه ی نیمه هادی عایق، ۵) لایه ی مسی، ۶و۷و۸) سایر لایه های بیرونی [۷].
 

روش­های ایجاد اتصالات عرضی در پلی­اتیلن

 

برای ایجاد اتصال عرضی در پلی‌اتیلن از روش‌های مختلفی استفاده‌شده است که شرح مختصری از آن ها در این فصل ذکر شده است است.
الف) روش تشعشعی: از پرتو­های الکترونی پر انرژی برای ایجاد اتصالات عرضی در عایق­های پلی­اتیلنی سیم و کابل و همچنین لوله­های قابل انقباض در اثر حرارت[۱۳] استفاده می‌شود. در فرایند ایجاد اتصالات‌عرضی توسط تابش، پرتوهای بتا با جذب هیدروژن تولید رادیکال می‌کنند و طی واکنش شیمیایی و ایجاد پیوند کربن-کربن اتصال‌عرضی رخ می‌دهد. پرتو بتا به علت داشتن طول موج کوتاه تر و فرکانس بالاتر نسبت به پرتو­های مادون قرمز دارای قدرت بالاتری است و می‌توان از آن برای ایجاد اتصالات عرضی در عایق­های ضخیم استفاده کرد. پرتوهای الکترونی نیازی به عامل پخت (مانند سولفور یا پراکسید) ندارند. البته اگرچه این روش نیازی به پراکسید ندارد ولی حضور پراکسید باعث بهبود فرایند اتصال عرضی شدن می‌شود. در فرایند ایجاد اتصالات عرضی توسط تابش ۲۰% پارگی زنجیر رخ می‌دهد درحالی‌که برای ایجاد تصال ‌عرضی به روش شیمیایی با پراکسید این مقدار به ۵% می­رسد [۷].
مکانیزم ایجاد اتصالات ‌عرضی توسط تابش در شکل ۲-۲ نشان داده‌شده است:
ب) امواج فرا صوت[۱۴]: امواج فرا صوت، تابش­های الکترومغناطیسی نیستند بلکه امواج کِشسانی هستند که با

شکل ‏۲‑۲ مکانیزم ایجاد اتصالات عرضی در پلی‌اتیلن به روش تشعشع [۷].
حرکات لرزشی متناوب یک فرستنده­ی فرا صوت ایجاد می‌شوند. دو نوع فرستنده‌ای که بیشتر مورد استفاده
قرار می‌گیرند پیزوالکتریک[۱۵] و magnetostrictive device می‌باشند [۷].
ج) پخت سیلانه : در ایجاد اتصالات عرضی به روش سیلانی از سیلان برای اتصال مولکول­های پلی‌اتیلن استفاده می‌شود که دارای دو مرحله است:
مرحله اول شامل پیوند زدن سیلان به پلیمر به واسطه­ باند وینیلی آن است.مرحله دوم شامل اتصال عرضی کردن در حضور آب است که کاتالیزور آن ترکیبات قلع و یا ترکیبات مناسب دیگر می‌باشد. در این مرحله محصول نهایی باید پخت شود که این کار به وسیله­ رطوبت به عنوان عامل فعال انجام می‌گیرد. واکنش پخت شامل هیدرولیز و واکنش تراکمی است که موجب تولید مولکول آب شده که خود این آب باعث شروع واکنش پخت دیگری می‌شود [۸].
مکانیسم این واکنش در شکل ۲-۳ نشان داده‌شده است.

شکل ‏۲‑۳ مکانیزم ایجاد اتصالات عرضی در پلی­اتیلن به روش سیلانه [۹].
د) پخت پراکسیدی : در این روش از پراکسید به عنوان عامل تولید کننده رادیکال استفاده می‌شود. هنگامی که پراکسید تجزیه می‌شود رادیکال ها ایجاد می‌شوند که این رادیکال­ها اتم هیدروژن را از انتهای زنجیر و شاخه‌های جانبی پلی‌اتیلن می‌گیرند و ماکرو رادیکال ایجاد می‌کنند. در نهایت با ترکیب دو رادیکال، اتصال عرضی صورت می­گیرد. برای داشتن اتصالات عرضی با بازده خوب باید هردو رادیکال ایجادشده بتوانند به راحتی هیدروژن را جذب کنند [۱۰].
مکانیزم ایجاد اتصالات ‌عرضی به روش پراکسیدی در شکل ۲-۴ نشان داده‌شده است:

شکل ‏۲‑۴ مکانیزم ایجاد اتصالات ‌عرضی در پلی‌اتیلن به روش پراکسیدی[۷].
اسامی پراکسیدها­یی که برای ایجاد تصالات ‌عرضی در ترمو پلاستیک ها مناسب می‌باشند و برخی از مشخصات آن‌ ها در جدول ۲-۱ آورده شده است.

جدول ‏۲‑۱ پراکسیدهای مورد استفاده برای ایجاد اتصالات عرضی در ترموپلاستیک ها [۷].

 

اثر ساختار مولکولی پلی‌اتیلن بر ایجاد اتصالات عرضی به روش پراکسیدی

 

برای ایجاد اتصالات عرضی بین زنجیرهای پلی‌اتیلن لازم است نقاط اتصال عرضی وجود داشته باشند. این نقاط می‌توانند فیزیکی و یا شیمیایی باشند. نقاط اتصال عرضی فیزیکی در اثر گره خوردگی ها به وجود می­آیند و نقاط ا تصال ‌عرضی شیمیایی ناشی از حضور پراکسید و گروه‌های وینیلی واکنش کننده می‌باشند. به وسیله­ تورم[۱۶] می‌توان سهم هر نوع ازنقاط اتصال عرضی را طبق رابطه­ زیر مشخص کرد.

 

 

 

 

 

 

 

(۲-۱)

 

c , entanglement از داده ­های ویسکوزیته مذاب، برابرg/mol 4000 به دست آمده است.
بنا بر تحقیقات اسمدبرگ [۱۷]و همکارانش، از نمودار نشان داده شده در شکل ۲-۵ مشخص می‌شود که حدود ۶۰% از کل نقاط اتصال عرضی را نقاط اتصال عرضی فیزیکی تشکیل می‌دهند [۱۰].

شکل ‏۲‑۵ سهم هر نوع از نقاط اتصال عرضی در سیستم پلی‌اتیلن اتصال‌عرضی شده حاوی ۲% پراکسید [۱۰].
پارامترهای ساختاری مؤثر بر کیفیت اتصالات عرضی در پلی‌اتیلن شامل موارد زیر است:
الف) جرم مولکولی(Mn)
با افزایش جرم مولکولی تعداد انتهای زنجیرها کاهش می‌یابد. بنابراین احتمال قفل شدن و گره خوردن زنجیرها و در نتیجه ایجاد نقاط اتصال عرضی فیزیکی افزایش می‌یابد. به این ترتیب با افزایش جرم مولکولی برای رسیدن به درصد مشخصی از اتصالات عرضی، به پراکسید کمتری نیاز است [۱۱,۱۲].
ب) تعداد گروه‌های وینیلی
بنا بر مطالعات میلان لازا [۱۸]و همکارانش تعداد گروه‌های وینیلی در طول واکنش ایجاد اتصالات عرضی، کاهش می‌یابد. به این معنی که این گروه­ها مطابق مکانیزم نشان داده‌شده در شکل ۲-۶در طول واکنش مصرف می‌شوند.

شکل ‏۲‑۶ مکانیزم مصرف گروه­های وینیلی در طول واکنش ایجاد اتصالات عرضی [۱۳].
به این ترتیب افزایش گروه‌های وینیلی موجب افزایش تعداد نقاط اتصال عرضی شیمیایی شده و باعث می‌شود برای رسیدن به درصد مشخصی از اتصالات عرضی، به پراکسید کمتری نیاز باشد [۱۲,۱۴].

دیدگاهتان را بنویسید

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

*