بولي إيثيلين (PE): التركيب، السلامة، التطبيقات

البولي إيثيلين (PE) هو البلاستيك الأكثر إنتاجًا في العالم، وعملية تحضيره تعتبر نموذجًا كلاسيكيًا في الصناعة الكيميائية.

هذا المادة البوليمرية الناتجة عن تفاعل بلمرة المونومرات الإيثيلية قد أنشأت نظام تطبيقات ضخم من الأفلام ذات المستوى الميكروني إلى خزانات التخزين ذات الـ 10,000 طن بفضل مرونتها في العملية وقابلية تعديل أدائها.

1. آلية البلمرة: ثورة سلسلة جزيئات الإيثيلين

جوهر تخليق PE هو تفاعل البلمرة السلسلية لمونومرات الإيثيلين (C₂H₄). وفقًا لطرق البدء المختلفة، يتم تقسيمها بشكل رئيسي إلى فئتين:

(I) بلمرة الجذور الحرة: نمو غير منظم تحت درجات حرارة وضغوط عالية.

شروط التفاعل: تحت 100-300℃ و100-300MPa، مع البيروكسايد (مثل بيروكسايد البنزال) كمبادر، تتشكل جزيئات الإيثيلين في سلاسل طويلة من خلال إضافة الجذور الحرة.

الخصائص الجزيئية: تحتوي الهيكل السلسلي على عدد كبير من الفروع (15-30 فرع لكل 1000 ذرة كربون)، مما يؤدي إلى انخفاض في البلورية (50%-65%) وانخفاض في الكثافة (0.910-0.925g/cm³)، أي البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE).

القيود العملية: يتطلب معدات مقاومة للضغط العالي (سمك جدار المفاعل يصل إلى 100mm)، ويشكل استهلاك الطاقة 40% من إجمالي استهلاك الطاقة لإنتاج PE، لكنه مناسب لإنتاج الأفلام عالية الشفافية (مثل الأفلام اللاصقة، نفاذية الضوء>90%).

(II) بلمرة التنسيق: نمو دقيق يتم التحكم فيه بواسطة المحفز

تحفيز زيجلي-ناتا (Z-N): يُستخدم TiCl₄-Al (C₂H₅)₃ كمحفز لبدء بلمرة الإيثيلين عند 60-90℃ و1-10MPa. المنتج هو هيكل خطي ببلورية تتراوح بين 80%-95% وكثافة تتراوح بين 0.941-0.965g/cm³، أي البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE).

التحفيز الميتالوسيني: باستخدام نظام Cp₂ZrCl₂-AlMe₃، يمكن التحكم بدقة في توزيع الوزن الجزيئي (مؤشر التوزيع المتعدد قريب من 1.0)، ويتم إنتاج بوليثين منخفض الكثافة الخطي (LLDPE)، الذي تكون فروعه قصيرة ومتجانسة (5-15 فرع لكل 1000 ذرة كربون)، ومقاومة الثقب أعلى بنسبة 30% من مقاومة LDPE.

اختراق تكنولوجي: عملية الغاز الأحادي من شركة Univation في الولايات المتحدة تحقق بوليمرة الإيثيلين في مفاعل سرير مائع، مع كفاءة محفز تتراوح بين 10⁴-10⁵ غرام بوليمر/غرام محفز، ويتم تقليل استهلاك الطاقة بنسبة 25% مقارنة بالعمليات التقليدية.

2. عملية التخليق: القفزة من المختبر إلى التصنيع

ينقسم الإنتاج الصناعي للبولي إيثيلين إلى ثلاثة مسارات رئيسية حسب نوع المنتج:

(I) LDPE: الوراثة الكلاسيكية للعملية عالية الضغط

باستخدام مفاعل غلاية أو أنبوب، تشمل العملية النموذجية:

ضغط الإيثيلين (ضاغط متعدد المراحل يعزز إلى 200 ميغاباسكال);

حقن المبادر (تركيز 0.01%-0.1%);

تفاعل البلمرة (زمن الإقامة 30-60 ثانية، معدل التحويل 20%-35%);

فصل المنتج (إزالة الإيثيلين غير المتفاعل عن طريق التبخر السريع);

تحبيذ (تحبيذ عن طريق الانصهار، حجم الجسيمات 2-4 مم).

يستخدم LDPE المنتج بواسطة هذه العملية لصنع أكياس بلاستيكية (سمك 8-12 ميكرومتر) وأفلام زراعية (قوة الشد 15-20 ميغاباسكال)، مع إنتاج سنوي عالمي يبلغ حوالي 15 مليون طن.

(II) HDPE: ثورة الكفاءة في العملية منخفضة الضغط

طريقة الملاط وطريقة الغاز هي العمليات السائدة:

طريقة الملاط: يتم بلمرة الإيثيلين في محلول الهكسان، ويظهر المنتج في شكل جزيئات معلقة، والتي يتم تجفيفها وتحبيذها بعد الفصل بالطرد المركزي. تستخدم عملية Innovene التابعة لشركة BP مفاعل حلقتين مع سعة خط إنتاج واحدة تبلغ 300,000 طن/سنة، والذي يستخدم لإنتاج HDPE من نوع الأنابيب (مثل PE100، إجهاد الشد>10 ميغاباسكال).

طريقة الغاز: يتصل الإيثيلين بالتحفيز في سرير مميع للغاز، ويتم إزالة حرارة التفاعل عن طريق الغاز المتداول. يمكن لعملية ClearFlo الخاصة بشركة ExxonMobil إنتاج HDPE بتوزيع واسع للوزن الجزيئي لحقن القوالب (مثل صناديق القمامة، مقاومة للصدمات>25kJ/m²).

(III) LLDPE: تحسين الأداء لعملية البوليمرة المشتركة

يتم إنتاجه من خلال البوليمرة المشتركة للإيثيلين و α-أولينات (مثل 1-بنتين، 1-هكسين)، مع محتوى بوليمر مشترك من 3%-10%.

تستخدم تقنية Insite من شركة Dow Chemical بوليمرة الحل لإنتاج LLDPE بمحتوى من الأوكتين يصل إلى 20%. قوتها الشد أعلى بنسبة 50% من LDPE وتستخدم في صنع أفلام التعبئة الثقيلة (مثل أكياس تعبئة الأرز 25 كجم).

3. خصائص السلامة: جدليات عدم السمية الصلبة ومخاطر العملية

تحتاج سلامة PE إلى أن يتم تقييمها من شكل المادة وروابط الإنتاج على التوالي:

(I) الصداقة البيئية لـ PE الصلب

تمتلك راتنجات PE النقية خصائص كيميائية مستقرة في الحالة الصلبة، ولم يتم اكتشاف مواد ضارة مثل المعادن الثقيلة والفثالات. وهي مدرجة كمواد آمنة للاتصال بالطعام من قبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (21 CFR 177.1520). تسمح توافقها الحيوي باستخدامها في المجال الطبي، مثل أنابيب غسيل الكلى (نعومة الجدار الداخلي Ra＜0.8μm، مما يقلل من خطر تجلط الدم).

في البيئة، دورة التحلل لـ PE تزيد عن 500 عام، ولكن من خلال إضافة مواد تحلل ضوئية (مثل البنزوفيون) أو تعديلات قائمة على المواد الحيوية (مثل خلط النشاء)، يمكن تقصير زمن التحلل الكامل إلى 5-10 سنوات.

(II) المخاطر المحتملة في عملية الإنتاج

خطر الغاز الإيثيليني: الإيثيلين غاز قابل للاشتعال والانفجار (حد الانفجار 2.7%-36%)، ويجب تجهيز معدات الإنتاج بجدران مضادة للانفجار (حد مقاومة الحريق > 4 ساعات) وأنظمة إفراج طارئة.

سمية المحفز: يتفاعل رباعي كلوريد التيتانيوم في محفز Z-N بعنف مع الماء لتحرير غاز كلوريد الهيدروجين (LC₅₀=200ppm)، ويجب ارتداء الملابس الواقية الكيميائية أثناء التشغيل (زمن الاختراق > 60 دقيقة).

منتجات التكسير الحراري: قد تنتج PE أوليفينات ذات وزن جزيئي منخفض مثل الأكريولين (LD₅₀=46mg/kg) عند درجات حرارة عالية (>400℃)، ويجب تركيب جهاز احتراق حفزي في نظام معالجة غاز العادم (كفاءة الإزالة > 99%).

4. التحديات البيئية والمسارات المستدامة

لقد أدى الاستخدام الواسع لـ PE إلى تأثيرات مزدوجة:

(I) معضلة التلوث الأبيض

يدخل حوالي 14 مليون طن من نفايات PE إلى البيئة الطبيعية كل عام، وتشكل جزيئات PE الدقيقة أكثر من 60% من المحيط. تشمل الحلول:

إعادة التدوير الميكانيكي: تستخدم ألمانيا التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة لفرز PE وPP، مع نقاء بنسبة 98%، وتستخدم المواد المعاد تدويرها لإنتاج أرضيات خارجية (قوة الانحناء>30MPa).

إعادة التدوير الكيميائي: تقوم تقنية إعادة التدوير المغلقة التي طورتها Loop Industries في الولايات المتحدة بتفكيك PE إلى وحدات أولية بمعدل استخدام ذري يبلغ 95%. تم بناء وحدة عرض بسعة معالجة سنوية تبلغ 10,000 طن.

(II) الاختراقات الابتكارية في PE المستند إلى البيولوجيا
تستخدم شركة Braskem البرازيلية الإيثانول المستخرج من قصب السكر لإنتاج الإيثيلين لإنتاج "PE الأخضر"، الذي له بصمة كربونية أقل بنسبة 70% مقارنة بالعمليات التقليدية ويستخدم في تصنيع عبوات التجميل (مثل زجاجات الشامبو من Natura). انخفضت تكلفة إنتاج PE المستند إلى البيولوجيا من 3,000 دولار/طن في عام 2010 إلى 1,800 دولار/طن في عام 2023، وزادت حصته في السوق عامًا بعد عام.

5. آفاق المستقبل: إيجاد توازن في الابتكار

تطور البولي إيثيلين هو نموذج مصغر لـ "اللعبة المتعلقة بالكفاءة والمسؤولية" في صناعة الكيمياء. من خشونة عمليات الضغط العالي إلى دقة تحفيز الميتالوسين، ومن الاعتماد على المواد الخام الأحفورية إلى استكشاف الطرق القائمة على البيولوجيا، كان تطور البولي إيثيلين دائمًا مصحوبًا بالاختراقات التكنولوجية.

تربط منصتنا المئات من الموردين الكيميائيين المعتمدينالصينيينمع المشترين في جميع أنحاء العالم، مما يعزز المعاملات الشفافة، وفرص العمل الأفضل، والشراكات ذات القيمة العالية. سواء كنت تبحث عن سلع بالجملة، أو مواد كيميائية متخصصة، أو خدمات توريد مخصصة، فإن TDD-Global يمكن الاعتماد عليها لتكون خيارك الأول.