پلی اتیلن چیست و برای چه از آن استفاده می کنیم؟
پلی اتیلن یک پلیمر ترمو پلاستیک (قابل ارتجاع درگرما) با ساختار کریستال نرم است.
یکی از پلاستیک های اصلی و مهم در جهان که تولید انبوهی در بازار دارد، پلی اتیلن می باشد. بدیهی است که به دلیل گسترش و تنوع بالایی که در بین پلیمرها دارد، کاربرد و ویژگی های گوناگونی را به دنبال دارد.
پلی اتیلن ها مطابق با چگالی آن ها، به دسته های گوناگونی از جمله: سنگین، سبک، سبک خطی تقسیم خواهند شد.
یکی از بارزترین ویژگی های این پلیمر، کاربرد انبوه در صنعت مواد غذایی می باشد و دلیلش سمی نبودن پلی اتیلن می باشد.
این پلیمر از ترکیب گازهای طبیعی و نفت خام به وجود می آید. همچنین نام های اختصاری فراوانی دارند مثل: PE -Polythene –Polyethylyne
جهت تهیه و ساخت ترکیب های پلاستیکی به شیوه خالص، از پلی اتیلن استفاده می شود.
پلیمر پلی اتیلن جزء دسته ی گرمانرم ها محسوب می شود و از روش پلیمریزاسیون گاز اتیلن به وجود خواهد آمد.
کاربردهای کلی پلی اتیلن
پلی اتیلن کار برد های زیادی دارد که از این رو برای استفاده در جاهای مختلف انواع مختلفی از آن وجود دارد برای مثال:
پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) بسیار بلورین تر است، تراکم بسیار بالاتری دارد و اغلب در شرایط کاملا متفاوت از پلی اتیلن با ضخامت کم (LDPE) استفاده می شود. به عنوان مثال، LDPE در بسته بندی های پلاستیکی مانند کیسه های مواد غذایی یا بسته بندی پلاستیکی استفاده می شوداما HDPE برای کار های تخصصی تری مانند لوله گذاری های عظیم برای انتقال مواد استفاده می شود . یا مثلا پلی اتیلن های که کاربردشان در موارد پزشکی است …
اما در این مقاله ما تمرکزمان بر روی hpde ها است و تفاوتشان را با لوله ها ی معمولی نشان می دهیم.
تفاوت لوله های پلی اتیلن با سایر لوله های
پس از این که دور نمایی از پلی اتیلن ها پیدا کردید می خواهیم فرق این لوله ها و لوله های دیگر را برایتان بگوییم :
ابتدا به این نکته اشاره می کنیم که مواد پلاستیکی بسیار انعطاف پذیر و قابل انعطاف هستند. آنها می توانند قالب بندی شوند، فشرده شوند یا به اشکال مختلف ریخته شوند. آنها بیشتر از نفت و گاز طبیعی ساخته شده اند.
انواع پلاستیک
دو نوع پلاستیک داریم بنام های ترموپلاستیک ها و پلیمرهای ترموخته که ترموپلاستیک ها قابل بازیافت و پلیمرها غیر قابل بازیافت هستند.
ترموپلاستیک ها در ساخت ظروف، بطری، مخازن سوخت، میزهای تاشو و صندلی، سایبان، کیسه های پلاستیکی، عایق کابل، صفحات بالستیک، اسباب بازی های استخر، اثاثه یا لوازم داخلی، لباس و سیستم های لوله کشی استفاده می شود.
ترمو پلاستیک ها انواع مختلفی دارند که با عنوان آمورف یا نیمه بلورین طبقه بندی می شوند. دو مورد از آنها عبارتند از PVC (پلی وینیل کلراید)، که غیر آلی و HDPE (پلی اتیلن با چگالی بالا) است که نیم کریستالی است.
پلی وینیل کلراید (PVC) یک پلیمر ارزان و با دوام است که در پروژه های ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرد. این سومین پلاستیکی است که بیشتر از پلی اتیلن و پلی پروپیلن استفاده می شود و به طور گسترده ای در تولید لوله ها استفاده می شود. Pvc وزن سبک و استحکام بالایی دارد و درکاربردش در لوله کشی بسیار بالاتر از سطح زمین و زیر زمین است. pvc مناسب برای استفاده در تاسیسات مستقیم و دفع نشده است زیرا بسیار محکم است.
از سوی دیگر، پلی اتیلن چگالی بالا (HDPE) از نفت ساخته شده است. Hpde ها قوی تر، سخت تر و مقاوم تر در حرارت بالا هستند.
لوله های HDPE برای لوله های زیرزمینی استفاده می شوند، زیرا آنها در معرض کم شدن و جذب امواج شوک قرار می گیرند و باعث می شوند که موج ها را تحت تاثیر قرار دهند. آنها همچنین بهترین مقاومت فشار مشترک را دارند و همچنین مقاوم به سایش و گرما هستند.
اگرچه هر دو مواد قوی و با دوام هستند، اما در قدرت و جنبه های دیگر متفاوتند. اول از همه، آنها در ظرفیت تحمل فشار طراحی متفاوتی دارند. برای رسیدن به فشار قابل تحمل لوله های PVC، دیوارهای لوله HDPE باید ۲٫۵ برابر ضخیم تر از لوله های PVC باشد.
در حالی که هر دو مواد نیز در تولید مواد آتش بازی استفاده می شود، HDPE مناسب تر و ایمن تر از pvc می باشد، زیرا مواد آتش بازی را به ارتفاع مناسب خود می رساند. و اگر نتواند در داخل کانتینر قرار بگیرد و داخل ظرف بماند، ظرف HDPE با همان ظرفیتی که به عنوان یک ظرف PVC ساخته می شود، شکست نمی خورد.
پلی اتیلن سبک چیست؟
پلی اتیلن سبک، مقاومت کششی پایین و همچنین نیروی بین مولکولی پایین و ضعیف تری را دارد. پلی اتیلن سبک، زنجیر شاخه داری را به همراه دنبال دارد. پس به همین خاطر پیوند خوبی را با یکدیگر نمی توانند برقرار کنند. یکی از ویژگی های مهم پلی اتیلن سبک، توانایی تجزیه از طریق میکرو ارگانی ها و همچنین دارای قابلیت انعطاف پذیری بالا نیز می باشد. تولید پلی اتیلن سبک به روش پلیمریزاسیون رادیکالی می باشد.
پلی اتیلن سنگین چیست؟
تولید و ساخت پلی اتیلن سنگین از طریق پلیمریزاسیون همراه با کاتالیزور زیگلر انجام می شود. دارای زنجیر بدون شاخه می باشد. مقاومت کششی و همچنین نیروی بین مولکولی بالاتری را دارد.
پلی اتیلن چه مزیت هایی را داراست؟
- عدم داشتن بوی بد و سمی بودن
- دارا بودن هزینه مقرون به صرفه
- افزایش استحکام شیمیایی
- ویژگی الکتریکی مناسب
- عدم نفوذ پذیری در برابر آب
مدل های مختلف پلی اتیلن
در واقع می توان گفت پلی اتیلن ها در بازار به شکل و ظاهر گوناگونی تولید و عرضه می شوند. از جمله:
- چگالی پایین
- چگالی بالا
- بسیار سبک
- سبک خطی
- وینیل استر
- همراه با اتصالات عرضی
ویژگیها و مزایای لوله پلی اتیلن
طراحان، کارفرمایان و پیمانکاران هنگام انتخاب جنس لولهها، جنسی را انتخاب میکنند که قابل اعتماد، با دوام طولانی مدت، و همراه با صرفه اقتصادی باشد.
لولههای پلیاتیلن تک جداره ، راهکاری مقرون به صرفه برای طیف وسیعی از کاربردهای لولهکشی، از جمله توزیع گاز طبیعی، آب و فاضلاب شهری، صنایع، تأسیسات دریایی، معدنی، دفن زباله، کانالهای برق و مخابرات هستند. به علاوه لولههای پلیاتیلن برای تأسیسات هوایی، زیر زمینی، سطحی، شناور و دریایی، کارآمد هستند. طبق گفته دیوید آ. ویلوبی از شرکت P.O.E. «یکی از دلایل اصلی رشد استفاده از لولههای پلاستیکی، صرفه جویی در هزینههای نصب، تأمین کارگر و تجهیزات مورد نیاز آن در مقایسه با لولههای قدیمیِ رایج است. اگر پتانسیلِ داشتن هزینههای نگهداری پایین تر و بیشتر بودن عمر مفید را هم به این موارد اضافه کنید علت رقابت شدید لولههای پلیاتیلنی را در بازارهای جهانی درمی یابیم.»یکی از اولین کاربردهای لولههای پلیاتیلن نیمه چگال (MDPE) توزیع گاز طبیعی بود. در واقع بسیاری از سیستمهایی که در حال حاضر مشغول بکار هستند، از سال ۱۹۶۰ با موفقیت قابل توجه شروع به کار کردهاند. امروزه ۹۵% لولههای زیر ۱۲ اینچ انتقال گاز طبیعی نصب شده در آمریکا و کانادا، لولههای پلیاتیلن هستند. پلیاتیلن نه تنها در آمریکای شمالی، بلکه در سراسر جهان کالای منتخب است. تقریباً ۵۰ سال است که لولههای پلیاتیلن در کاربردهای آب آشامیدنی مورد استفاده قرار گرفتهاند و بطور پیوسته موفق به دریافت تأییدات و رشد در مصارف شهری شدهاند. لولههای پلیاتیلن بر طبق استانداردهای AWWA، NSF و ASTM کنترل کیفی میشوند.
در زیر به برخی از مزایای خاص لولههای پلیاتیلن اشاره میشود:
• صرفه جویی در هزینههای چرخه عمر- در کاربردهای شهری، هزینههای چرخه عمر لولههای پلیاتیلن میتواند به طرز چشمگیری کمتر از سایر انواع لولهها باشد. سطح داخلی کاملاً صاف لولههای پلیاتیلن موجب حفظ خواص ویژه جریان میشود و جوشکاری گرمایی باعث حذف نشتیها میگردد. ثابت شده است که این موارد ترکیب موفقی برای کاهش هزینههای عملکرد سیستم هستند.
• اتصالات بدون نشتی و کاملاً مهار شده- اتصال پلیاتیلن با استفاده از جوشکاری گرمایی موجب تشکیل اتصالات بدون نشتی میشود که استحکام آنها همانند لوله و یا حتی قوی تر از آن است. استفاده از جوشکاری در کاربردهای شهری موجب حذف نقاط نشتی احتمالی میشود که این نقاط در سایر انواع لولهها مانند لولههای PVC یا آهنی ضمن استفاده از اتصالات نَری- مادهگی متداول در هر ۱۰ تا ۲۰ فوت وجود دارند. در همه این اتصالات نَری- مادهگی از واشرهای لاستیکی استفاده میشود که در طی زمان دچار استهلاک میشوند و احتمال نشتی پیدا میکنند، به همین دلیل «میزان نشتی قابل قبول آب » در آنها ۱۰% یا بیشتر است اما این میزان در لولههای پلیاتیلن با توجه به امکان استفاده از جوش، بطور نسبی صفر است. به علاوه نقاط جوش خورده پلیاتیلنی خاصیت خودمهاری دارند که ضمن حفظ یکپارچگی اتصالات، باعث حذف نیاز به مهار کنندههای ضربه گران قیمت و یا بلوکهای ضربه گیر میشود. با وجود مزایایی که روش اتصال جوش لب به لب دارد، مهندسان راههای دیگری هم برای اتصال لولههای پلیاتیلن در اختیار دارند که از جمله آنها میتوان از الکتروفیوژن و اتصالات مکانیکی نام برد. در اتصالات الکتروفیوژن، لولهها و یا اتصالات با استفاده از گرم کننده الکتریکی تعبیه شده در آنها به یکدیگر اتصال مییابند. گاهی برای اتصال لوله به سایر قطعات مانند شیرآلات یا دیگر دستگاهها بکاررفته به اتصالات مکانیکی نیاز است. برای اینگونه اهداف، اتصالات بخصوصی ایجاد شده که برای پاسخگویی به اکثر نیازهای کاربردی به وفور در دسترس است.
در سیستمهای لولههای پلیاتیلن که به درستی طراحی و نصب شدهاند، نیاز اندکی به نگهداری مستمر وجود دارد. لوله پلیاتیلن در برابر اغلب مواد شیمیایی متداول مقاوم بوده و مستعد خطر خوردگی گالوانیک و یا الکترولیز نیست.• بازده هیدرولیکی -از آنجا که سطح داخلی لوله پلیاتیلن خالی از هرگونه زبری است، این لولههادر رده «لولههای صاف » قرار میگیرند، گروهی که کمترین مقاومت در برابر جریان سیال را ایجاد میکند. در کاربردهای آبی، فاکتور C هازن ویلیامز برابر با ۱۵۰ است و در طول زمان تغییر نمیکند. در سایر جنس لولهها، فاکتور C با گذشت زمان و در اثر خوردگی، بادکردگی و یا ایجاد بافتهای زنده (ایجاد خزهها،…) به شدت کاهش مییابد. لولههای پلیاتیلن بدون خوردگی، بادکردگی و یا رشد بافتهای زنده، صافی سطح داخلی و قابلیتهای جریانی خود را حفظ کرده و بازده هیدرولیکی سیستم را در طول عمر مورد نظر طراحی، تضمین میکند.
• مقاومت در برابر دما- بازه دمایی متداول عملکرد لولههای پلیاتیلن در شرایط کاری پرفشار ۰ تا ۱۴۰ درجه فارنهایت است. اما برای شرایط کاری کم فشار و برخی کاربردهای خاص، این ماده میتواند دماهای بسیار پایین تری را تحمل کند (تا ۴۰- درجه فارنهایت و کمتر از آن)، همچنین فرمولاسیونهای خاصی از پلیاتیلن نیز وجود دارد که میتواند در دماهای نسبتاً بالاتری به کار رود. آزمایشهای گسترده و بکارگیری بسیار زیاد این لوله¬هادر محیطهای بسیار سردا نشان داده است که این شرایط کاری تأثیر زیادی بر استحکام و خواص عملکردی لوله ندارد. بسیاری از رزینهای پلیاتیلنی که در لولههای پلیاتیلن مورد استفاده قرار میگیرند، نه تنها در دمای استاندارد ۷۳ درجه فارنهایت، بلکه در دماهای بالاتر مانند ۱۴۰ درجه فارنهایت، مورد آزمون تنش قرار گرفتهاند. عموماً لولههای پلیاتیلن نسبت به سایر مواد گرمانرمی مثل PVC در دماهای بالا، بیشترِ استحکامشان را حفظ میکنند. مواد پلیاتیلن تقریباً ۵۰% از استحکامشان در دمای ۷۳درجه فارنهایت را در دمای ۱۴۰ درجه فارنهایت حفظ میکنند در حالیکه PVC در ۱۴۰ درجه فارنهایت، نزدیک به ۸۰% از استحکامش در ۷۳ درجه فارنهایت را ازدست میدهد در نتیجه لولههای پلیاتیلن را میتوان در بسیاری از کاربردهای لولهکشی در طیف گستردهای از تغییرات دمایی مورد استفاده قرار داد.
ویژگیهاو مزایای پلیاتیلن بسیار گسترده است و برخی از مهمترین خواص آن در پاراگرافهای قبل تشریح شد. بسیاری از ویژگیهای عملکردی لولههای پلیاتیلن، نتیجه مستقیم تلفیق دو خاصیت فیزیکی مهم لولههای پلیاتیلنی است که در فشارهای مختلف آزموده شدهاند. این دو خاصیت شامل خاصیت چقرمگی و رفتار ویسکوالاستیک هستند.
• چقرمگی
چقرمگی عبارت است از قابلیت تغییر شکل یک ماده تحت تأثیر تنش، بدون ایجاد شکستگی و یا نهایتاً گسیختگی. همچنین گاهی از قابلیت افزایش کرنش (ازدیاد طول) به چقرمگی تعبیر میشود و این یکی از ویژگیهای مهم لولههای پلیاتیلن، هم در هنگام استفاده بصورت رو زمینی و هم بصورت زیرزمینی میباشد. بعنوان مثال، در اثر وارد شدن بار از سطح زمین، لوله پلیاتیلن مدفون در خاک تغییر شکل میدهد و سطح مقطع دایرهای آن به بیضی تغییر میکند و قطر عمودی آن کاهش و قطر افقی اندکی افزایش یابد. افزایش قطر افقی باعث میشود دیواره خاکی به عرض لوله فشار آورند، این فشار مانع از تغییر شکل بیشتر لوله شده و نهایتاً به پایداری لوله میانجامد. این مسئله نهایتاً شکلگیری ساختار خاک – لوله را فراهم کرده و قابلیت تحمل بارهای عمودی زمینی یا سایر بارهای عمودی را به مواد چقرمه میدهد. این بارها میتوانند باعث شکست لولههای مستحکم تر ولی با قابلیت کرنش پایین تر شوند. مواد چقرمه مانند پلیاتیلن که در لولهکشیهای آب، گاز طبیعی و صنعتی مورد استفاده قرار گرفتهاند، میتوانند افزایش تنشهای موضعی حاصل از نصب نامناسب را، که در آنها تخته سنگها، قلوه سنگها یا کندههای درختان ممکن است در موقعیتی قرار بگیرند که به سطح خارجی لوله فشار بیاورند، بصورت ایمن تحمل کنند. شرایط عمرانی زیاد دیگری وجود دارد که ممکن است منجر به تأثیراتی مشابه موارد فوق گردد، برای مثال میتوان به خمش لوله بیش از حد کرنش مجاز، تقویت ناکافی لوله، هم راستاسازی نا موفق لوله برای اتصال به سازههای سخت و غیره اشاره کرد. وقتی لولههایی با چقرمگی کم تحت چنین شرایط افزایش تنش موضعی قرار میگیرند، عملکرد مناسب مواد چقرمه مانند پلیاتیلن را ندارند.
موادی با چقرمگی و قابلیت کرنش کم، پاسخ متفاوتی به افزایش تنش میدهند. مواد حساس به کرنش، تحلیل تنش پیچیدهای دارند و در بخشهایی خاص از ماده پتانسیل افزایش تنش وجود دارد. اگر هریک از این تنشهااز حد اعلام شده در طراحی تجاوز نماید، توسعه ترک¬ها آغاز میشود و ممکن است به گسیحتگی کامل قطعه یا محصول بینجامد. در موادی مانند لولههای پلیاتیلن چقرمه هستند قابلیت ایجاد تغییر شکل موضعی بیشتر، بدون ایجاد تخریب غیر قابل برگشت مانند ایجاد ترک، وجود دارد. در واقع تغییر شکل موضعی باعث توزیع و اتلاف قابل ملاحظه تنش موضعی، بدون اثری مضر بر لوله میشود. در نتیجه عموماً طراحی ساختاری موادی را که در حالت چقرمه عمل میکنند، میتوان بر اساس میانگین تنش انجام داد و این واقعیت موجب تسهیل بسزای پروتکل طراحی میشود. به منظور تضمین چقرمگی کافی (قابلیت کرنش)، ملزومات خاصی توسعه یافته است که در لیست خواص ساختاری موادی که از آنهاانتظار رفتار چقرمه میرود قرار دارد؛ به عنوان مثال میتوان از ملزوماتی که برای لولههایی از جنس «آهن چکش خوار» و فولاد نرم منتشر شدهاند، نام برد. چقرمگی همواره بعنوان یکی از ویژگیهای خاص و ذاتی لولههای پلیاتیلن مطرح بوده است و این یکی از دلایل اصلی استفاده مستمر از این ماده برای توزیع گاز طبیعی در آمریکای شمالی در بیش از ۳۰ سال اخیر بوده است. چقرمگی نسل جدید لولههای پلیاتیلن به طرز چشم گیری در قیاس با نمونههای قدیمی- که به خودی خود در صنعت گاز، آب، فاضلاب، کاربردهای صنعتی، دریایی و معدنی در ۵۰ سال پیش بسیار موفق عمل کرده بودند- بهبود یافته است.
• خاصیت ویسکوالاستیک (کشسانی گرانرو)
لوله پلیاتیلن مادهای با ساختمان ویسکوالاستیک است (۶). پلیاتیلن به دلیل طبیعت مولکولیاش، ترکیب پیچیدهای از رفتار سیال گون و کشسان گون دارد. در نتیجه این ماده خواصی مابین بلورهای فلزی و سیالات بسیار گرانرو (کند روان) را از خود نشان میدهد. این مفاهیم در فصل خواص مهندسی این کتاب راهنما به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است.
طبیعت ویسکوالاستیک پلیاتیلن منجر به دو خاصیت مهندسی شده که در طراحی سیستمهای لولهکشی آب پلیاتیلن بکار میروند: خزش و میرایی تنش.
o خزش مؤلفه¬ای از تغییر شکل است که به صورت مؤلفه جریان گرانرو وابسته به زمان تعریف میشود. خزش به پاسخ پلیاتیلن به یک بار ثابت در طول زمان نیز تعبیر میشود. هنگامی که پلیاتیلن تحت یک بار ثابت قرار میگیرد، بلافاصله دچار یک تغییر شکل میشود که توسط مدول الاستیک که از منحنی تنش-کرنش کششی قابل پیش بینی است. علاوه بر این تغییر شکل آنی، ماده در بارهای زیاد با نرخ کند شوندهای به تغییر شکل ادامه میدهد و اگر بار به اندازه کافی زیاد باشد، ممکن است ماده دچار پکیدگی یا شکست شود. لولههای پلیاتیلن بر طبق استانداردهای صنعتی، جزء مواد سخت طراحی شدهاند که منطبق با نمونههای پیشنهادی صنعتی، تغییر شکل حاصل از تحمل بار، یا بعبارتی همان خزش، آنقدر کم شود که از نظر مهندسی قابل چشم پوشی باشد.
میرایی تنش ویژگی منحصر به فرد دیگری است که حاصل طبیعت ویسکوالاستیک پلیاتیلن است. وقتی پلیاتیلن تحت کرنش ثابتی قرار میگیرد (تغییر شکل به یک اندازه مشخص) که مدتی حفظ میشود، بار یا تنشی که بواسطه تغییر شکل ایجاد میشود با گذشت زمان به آرامی کاهش مییابد، البته هرگز بطور کامل دفع نمیشود. این میرایی تنش در پاسخ به بار، اهمیت بسزایی در طراحی سیستمهای لولههای پلیاتیلن دارد. این پاسخی است که موجب کاهش تنش در مقاطعی از لوله که تحت کرنش ثابت قرار گرفتهاند، میشود.
پاسخ سیستمهای لولههای پلیاتیلن به بار، به عنوان مادهای ویسکوالاستیک، وابسته به زمان است. مدول الاستیک بدلیل خواص خزش و میرایی تنش پلیاتیلن، به طرز چشم گیری با گذشت زمان بارگذاری کاهش مییابد. مدول الاستیک لحظه ای برای وقایع ناگهانی مانند چکش آبی در دمای ۷۳ درجه فارنهایت، در حدود psi 150،۰۰۰ است. برای اتفاقاتی که اندکی از وقایع ناگهانی طولانی مدت تر و البته هنوز کوتاه مدت هستند مانند نشست خاک و بار حاصل از موجودات زنده، مدول کوتاه مدت پلیاتیلن در دمای درجه فارنهایت در حدود ۱۱۰،۰۰۰ تا psi 130،۰۰۰ است؛ و مدول ظاهری به عنوان در بلند مدت به حدود ۲۰،۰۰۰ تا psi 30،۰۰۰ کاهش مییابد.
همانگونه که از بحثهای مختصر ما در اینجا مشخص شد، لولههای پلیاتیلن، لولههایی چقرمه و با دوام هستند که خواص عملکردی منحصر بفردشان اجازه میدهد تا در گستره وسیعی از کاربردها و با تکنیکهای مختلفی از ساخت و ساز بر اساس نیازهای پروژه، مورد استفاده قرار بگیرند. در فصول بعدی، اطلاعاتی کامل درباره خواص مهندسی پلیاتیلن، راهنماییهایی برای طراحی سیستمهای لولهکشی پلیاتیلن و تکنیکهای نصب ارائه میشوند. همچنین پیش زمینههایی در مورد اینکه لولهها و اتصالات پلیاتیلنی چطور تولید میشوند و راهنماییهای درمورد روش مناسب کار با مواد پلیاتیلن در اختیار خواننده قرار میگیرد. چنین اطلاعاتی میتواند بعنوان پایهای برای طراحی خوب، نصب و عملکرد موفق سیستمهای لولهکشی پلیاتیلن مورد استفاده واقع شود.