مقایسه خواص لوله های آبیاری تهیه شده از مخلوط پلی اتیلن خالص و بازیافتی

شیرین شفایی : دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرضا، دانشکده فنی و مهندسی ، گروه پلیمر

زهره هادی : دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرضا، دانشکده فنی و مهندسی ، گروه پلیمر

اصفهان ، شهرضا، بلوار پاسداران ، دانشگاه آزاد اسلامی ، دانشکده فنی و مهندسی ، گروه پلیمر ٠٩١٣٣٠٣۵٢٨٨
چکیده : 
یکی از روشهای مقرون به صرفه برای بازیافت محصولات پلیمری ، بازیافت مکانیکی است . در این تحقیـق از ایـن روش برای تهیه لوله های آبیاری استفاده شده است . لوله های مورد نظر از آمیزه پلی اتیلن خـالص و بازیـافتی و در دو گـروه ، حاوی ٣٠ و ۵٠ درصد پلی اتیلن بازیافتی تهیه شده اند و خواص آنها با خواص لوله تهیه شده از ١٠٠ درصد پلی اتیلن خالص مقایسه شده است . آزمونهای انجام شده شامل آزمون شاخص جریان مذاب ، کـشش ، فـشار ترکیـدگی و فـشار هیدروستاتیک می باشد. نتایج نشان می دهد که اگرچه اسـتحکام کشـشی نمونـه هـای حـاوی ٣٠ و ۵٠ درصـد مـواد بازیافتی از نمونه حاوی ١٠٠ درصد پلی اتیلن خالص کمتر است ولی شاخص جریان مذاب و فشار ترکیـدگی ایـن دو نمونه با نمونه حاوی ١٠٠ درصد پلی اتیلن خـالص تفـاوت چنـدانی نـدارد و در حـد مقـادیر ذکرشـده در اسـتاندارد لوله های آبیاری است . همچنین لوله های حاوی پلی اتیلن بازیافتی مانند نمونۀ حاوی ١٠٠ درصد پلی اتیلن خـالص در آزمون فشار هیدروستاتیک دچار ترک یا آسیب نشدند.

پلی اتیلن ، بازیافت ، فشار ترکیدگی ، فشار هیدروستاتیک , لوله پلی اتیلن

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید

مقدمه
پلی اتیلن با دانسیته بالا(HDPE) جایگزین مناسبی برای پلی وینیل کلراید(PVC) در تهیـۀ انـواع خـط لولـه اسـت کـه امروزه سهم چشمگیری از بازار مصرف لوله برای کاربردهای مختلفی مانند شبکه های آبرسـانی کـشاورزی ، آب نوشـیدنی و فاضلاب را بخود اختصاص داده است . این مسئله به دلیل خواص متعدد آن مانند دوام زیاد، عدم نشتی ، مقاومـت در مقابـل خوردگی و چقرمگی بالا است . همچنین انعطاف پذیری و ارتجاعیت این مـاده باعـث شـده اسـت کـه کمتـر از PVC تحـت حفاری ، زلزله یا ضربه مورد آسیب قرار بگیرد. از مزایای دیگر HDPE، عدم وجود کلر، عدم نیاز به افزودنـی هـای خـاص در تولید و سرعت بازیافت بالاتر آن نسبت به PVC است . 
 در سالهای اخیر سهم عمده ای از کل ضایعات شهری را، مواد پلاستیکی تشکیل می دهند. قـسمت زیـادی از ضـایعات پلاستیکی را مواد ترموپلاستیک بویژه پلی اولفین هایی مانند پلی اتیلن با دانسیته پایین (LDPE)، پلی اتیلن با دانـسیته بـالا و پلی پروپیلن تشکیل میدهد، .با توجه به مصرف بالای پلی اتیلن HDPE برای تهیه لوله ، قسمت زیادی از ضایعات این ماده مربوط به این صنعت است . این ضایعات ، به دلیل مشکلات حین نصب لوله ، نیاز به تغییر ظرفیت خط لوله آبرسانی کلـی، ضـایعات خطوط لوله ساختمانی یا عدم وجود خواص تعریف شده در لوله های تولیدی توسط کارخانه ایجاد میشـوند،. اگـر چـه این ضایعات ، آسیبهای مستقیمی به طبیعت وارد نمیکنند ولی افزایش مصرف این مواد، باعث وجود مقادیر بیـشتر HPDE درضایعات شهرداری می شود که باید به منظور حفظ محیط زیست ، توسط روشهای تعریف شده ، بازیافت شوند. این روشـها شامل بازیافت حرارتی، بازیافت شیمیایی و بازیافت مکانیکی است که امروزه روش بازیافت مکانیکی به دلیل سهولت روش و مزایای اقتصادی، بیشتر بکار برده میشود. این روش شامل طبقه بندی، مرتب کردن ، شناسـایی و تمیزکـردن ضـایعات و در نهایت استفاده از آنها برای تولید محصولات متفاوت است . مهمترین مشکل در زمینه بازیافت مکانیکی این است که مواد بازیافتی به دلیل طی کردن فرآیندهای حرارتی و تجزیه های احتمالی در طول مدت استفاده ، در مقایسه با مواد خالص دارای خــواص مکــانیکی ضــعیفتری مــیباشــند. بنــابراین بــرای تولیــد محــصولات جدیــد از ایــن مــواد بایــد تمهیــداتی درنظرگرفته شود. بدین منظور، درصنعت بازیافت از آمیزه سازی ضایعات با مواد خالص که از لحـاظ اقتـصادی روشـی مفیـد است ، استفاده می شود.
 در زمینه بازیافت ضایعات لوله های پلی اتیلن توسـط روش بازیافـت مکـانیکی، تحقیقـاتی صـورت گرفته است . در برخی پژوهشها با استفاده از این ضایعات ، لوله های دو لایه تهیه شده اسـت کـه لایـه داخلـی آنهـا را مـواد ضایعاتی و لایه خارجی را مواد خالص تشکیل داده و برای مـصارف بـدون فـشار ماننـد شـبکه هـای فاضـلاب یـا گـاز بکـار می روند،. در تحقیقات دیگر از لوله های چندلایه برای کاربردهای الکتریکی مانند پوشش دهی سیمها استفاده شده است . 
همچنین در برخی پژوهشها، آمیزه پلی اتیلن بازیافتی برای تهیه لوله های شیاردار(corrugate) شبکه فاضلاب مورد اسـتفاده قرار گرفته است که این لوله ها توانسته اند عملکرد مناسبی شبیه لوله های تهیه شده از مواد خالص داشته باشند.
در این تحقیق ، روش بازیافت مکانیکی برای بازیافت لوله های پلی اتیلن آبیاری تهیـه شـده از HDPE مـورد اسـتفاده قرارگرفتـه است . بدین منظور، از آمیزه سازی ضایعات این لوله ها با پلی اتیلن خالص استفاده شده و لولـه هـای آمیـزه ای بـا درصـدهای متفاوتی از مواد ضایعاتی تولید شده اند. سپس خواص این محصولات بررسی و با خواص لوله هـای تهیـه شـده از صددرصـد پلی اتیلن خالص مقایسه شده است . 
1- تجربی
2 – مواد 
پلی اتیلن سنگین مورد استفاده در این پژوهش ، محصول شرکت پتروشیمی بندرامام با نام تجاری EX٣، گرید PE۶٣ و شاخص جریان مذاب برابر با min١٠/gr٠٣۶٣ است . پلی اتیلن سنگین بازیافتی حاصل از لوله های ضایعاتی شرکت آب لولـه است که توسط اکسترودر مذاب و به گرانول تبدیل شده و برای فرآیند مجدد مورد استفاده قرارگرفته انـد. شـاخص جریـان مذاب مواد بازیافتی min١٠/gr٠۴٣٢است . مستربچ مورد استفاده در این تحقیق ، محصول شرکت ویژگان بـسپار اسـت کـه شاخص جریان مذاب آن معادل min١٠/gr١/ ٠و درصد دوده آن برابر ۴٠/١ میباشد. 

دستگاهها و روشها 
 در این پژوهش ، برای تهیه لوله های آمیزه ای، دستگاه اکسترودر موجود در شرکت آب لوله بکارگرفته شد. این اکسترودر دارای وان وکیوم به طول ۶ متر و وان اسپری به طول ۴ متر است که هر دو وان حاوی آب با دمـای ١٩ درجـه سـانتیگراد بود. لوله های تهیه شده با قطر ٩٠ میلیمتر که برای تحمل فشار ۶ بار و با ضخامت معادل با مقادیر ذکر شـده در اسـتاندرد موسسۀ تحقیقات صنعتی ایران در زمینه ابعاد لوله های پلی اتیلنISIRI 1331   تولید شد. درصد پلی اتیلن خـالص مـورد استفاده برای تهیۀ لوله های آمیزه ای در جدول (١) آورده شده است . لازم به ذکر است که در نمونۀ ، میـزان پلی اتیلن خالص و در نمونه های (٢) و (٣)، مقدار مواد خالص و بازیافتی با مقدار مناسب از مستربچ ، بـه گونـه ای مخلـوط شـدند کـه درصد نهایی دوده در لوله ، معادل ٢/٢۵ درصد شود. سپس مواد مورد نظر توسط مخلـوط کـن (Mixer) دسـتگاه اکـسترودر مورد اختلاط قرارگرفته و بوسیله مکش وارد قیف دستگاه اکسترودر شد. دمای نواحی گرمایی اکسترودر از قیف تا حدیـده ، به ترتیب ١۶۵، ١٧۵، ١٨۵، ١٩٠، ٢٠٠ و ٢١١ درجۀ سانتیگراد و دور اکسترودر معادل ٨۴/۵ دور بر دقیقه انتخاب شد. پس از اتمام فرآیند تولید، نمونه هایی از لوله های مورد نظر تهیه و برای آزمونهای مختلف مورد اسـتفاده قرارگرفـت . بـرای تعیـین شاخص جریان مذاب نمونه ها از دستگاه Plastometer مدل ٢٠٠٠ ساخت داخل استفاده شد. برای انجام این آزمون ، از هـر نمونه قطعاتی بردیده و مورد آزمایش قرار گرفت . به منظور آزمون کشش ، پس از تهیه دمبـل از هـر نمونـه توسـط دسـتگاه پرس ، آزمون کشش توسط دستگاه Instron مدل TM–MS ساخت آلمان ، بر روی آنها انجام شد. بـرای انجـام آزمـون هـای فشار ترکیدگی و هیدروستاتیک ، دستگاه های مولد فشار ساخت داخل مورد استفاده قرارگرفت .

نتایج و بحث 
نتایج آزمون شاخص جریان مذاب 
 نتایج آزمون شاخص جریان مذاب نمونه ها در جدول (٢) آورده شده است . همان طور که ملاحظه می شـود، بـا افـزایش مواد بازیافتی در لوله ، شاخص جریان مذاب نمونه ها افزایش یافته اسـت . علـت ایـن مـسئله کـاهش جـرم مولکـولی پلیمـر بازیافتی در اثر فرآیندهای حرارتی است که باعث کاهش گرانروی آن میشود، . نکته قابل توجه دیگر این اسـت کـه بـا وجود افزایش میزان پلی اتیلن بازیافتی در نمونۀ ٣، مقدار شاخص جریان مذاب آن ، از مقدار این کمیت برای نمونۀ ٢، کمتر است . این مسئله را میتوان به عدم توانایی بهینه دستگاه اکسترودر مورداستفاده ، برای اختلاط دو فاز، در نمونه حـاوی ٧٠ درصد از پلی اتیلن خالص (نمونه ٢) نسبت داد. به طوری که به نظر میرسد در ضمن اختلاط این نمونه ، زنجیرهای پلی اتیلن خالص نیز تا حدودی دچار تخریب شده اند که این مسئله باعث افزایش شاخص جریان مذاب نمونۀ مـوردنظـر شـده اسـت . 
همچنین طبق این نتایج ، اختلاط یک آمیزه با درصدهای مساوی از پلی اتیلن خـالص و بازیـافتی (نمونـۀ ٣) در اکـسترودر مورد استفاده ، بازدهی بالاتری نسبت به نمونه حاوی ٧٠ درصد از مواد خالص داشته است . به نظر میرسد با استفاده از یک اکسترودر دو پیچه یا یک دستگاه تک پیچه با طراحی ماردون خاص میتوان به نتایج بهتری دست یافت .
لازم به ذکر است که علیرغم افزایش شاخص جریان مذاب در نمونه های حاوی پلی اتیلن بازیافتی، مقادیر این کمیـت طبق استاندارد موسسۀ تحقیقات صنعتی ایران در زمینۀ شاخص جریان مذاب لوله های پلی اتیلن (۶٩٨٠ ISIRI)، همچنـان در محدوده اعداد ذکر شده برای لوله های تولیدی از پلی اتیلن سنگین است . طبـق ایـن اسـتاندارد، مقـدار شـاخص جریـان مذاب برای لوله های موردنظر باید کمتر از min١٠/gr٧/ ٠باشد. 

 نتایج آزمون کشش 
 نتایج استحکام کششی بر حسب مگاپاسکال و درصد ازدیاد طول نمونه هـای مختلـف در جـدول (٣) و(۴) آورده شـده است . همان طور که ملاحظه میشود با افزایش پلی اتیلن بازیافتی مقادیر این دو کمیت کاهش یافته است . علت این مـسئله ، تخریب زنجیرهای پلی اتیلن بازیافتی در ضمن فرآیندهای حرارتی است . البته علت آن مـیتوانـد بـه دلیـل کـاهش درصـد کریستالیزاسیون در نمونه های حاوی پلی اتیلن بازیافتی نیز باشد،. زیرا تمام نمونه ها در دمـای یکـسان و بـا سـرعت مشابه خنک شده اند درحالیکه تحقیقـات نـشان مـیدهـد کـه نمونـه هـای حـاوی مـواد بازیـافتی بـه دلیـل کوتـاه بـودن زنجیرها برای تبلور نیاز به کاهش انرژی گرمایی تا دماهای پایین تری دارند تا زنجیرهای آنها بتوانند در سـلهای کریـستالی  قراربگیرند.
 نتایج استحکام کششی در نقطه تسلیم برای لوله های تهیه شده از آمیزه های متفاوت ، در جدول (۵) آورده شده اسـت . همان طور که ملاحظه میشود تمامی نمونه ها دارای استحکام تسلیم مشابهی هستند. این مسئله نشان میدهد که افـزودن پلی اتیلن بازیافتی به لوله های آمیزه ای، تأثیر چندانی در استحکام تسلیم آنها نداشته است .

نتایج آزمون فشار ترکیدگی 
 برای بررسی استحکام ترکیدگی لوله های ( لوله پلی اتیلن ) تهیه شده از آمیزه های متفاوت از استاندارد موسسۀ تحقیقات صـنعتی ایـران در زمینۀ آزمون فشار ترکیدگی لوله های پلی اتیلن (۴-٧١٧۵ ISIRI) استفاده شده است . طبق این اسـتاندارد، از هـر لولـه ۵ نمونه با طول محاسبه شده از طریق رابطه (١) تهیه شده است .
متن خلاصه 
لازم به ذکر است که شکل ترکیدگی تمامی نمونه ها، شبیه شکل ذکر شده در اسـتاندارد۴-٧١٧۵ ISIRI بـوده اسـت . 
طبق این استاندارد، ترکیدگی باید همراه با تورم پلاستیکی و در فاصله مناسب از کلاهک صورت بگیـرد. همچنـین مطـابق این استاندارد، حداقل فشاری که لوله باید قبل از ترکیدگی تحمل کند برابر فشار اولیه ای است که دستگاه به نمونه اعمـال می کند. با توجه به اینکه فشار ترکیدگی تمامی نمونه ها حدود ١٠ بار بیشتر از این مقدار بـوده اسـت ، لـذا مـیتـوان گفـت لوله های موردنظر دارای استحکام ترکیدگی مناسب می باشند. 

نتایج آزمون فشار هیدروستاتیک 
 آزمون فشار هیدروستاتیک ، مطابق با استاندارد۴-٧١٧۵ ISIRI بر روی نمونه های مختلف انجام شده است . طبق ایـن استاندارد، نمونه هایی با طول محاسبه شده از رابطه (١)، تهیه و کلاهکهایی روی دو سر آنها نصب شد. سپس توسط ورودی دستگاه فشار هیدروستاتیک ، این لوله ها از آب پر و هواگیری شدند و فشاری معادل مقدار محاسبه شده از رابطه (٢) در آنها اعمال شد. با این تفاوت که برای آزمون فشار هیدروستاتیک در رابطه (٢)، D قطر اسمی لوله برحسب میلیمتـر و & تنـشی است که برای لوله های پلی اتیلن با گریدهای متفاوت ، متغیر است و برای گرید PE۶٣ برابر با ٣/۵ مگاپاسکال درنظـرگرفتـه می شود. پس از اعمال این فشار که مقدار آن برای لوله های موردنظر معادل ۴/٣٨ بار میباشـد، نمونـه هـا وارد وان دسـتگاه فشار هیدروستاتیک که با آب ٨٠ درجه سانتیگراد پر شده است ، شدند و به مدت ١۶۵ ساعت در این شرایط دمـا و فـشار باقی ماندند. طبق استاندارد ذکر شده ، در صورت عدم وجود آسیب یا ترک در نمونه ها در طول این مدت ، آزمون با موفقیت انجام شده است که هر ٣ نمونه موردنظراین آزمون را بدون نقص یا ترک پشت سرگذاشتند. از آنجا کـه موفقیـت نمونـه در این آزمون نشان دهنده طول عمر مفید لوله به مدت ۵٠ سال در دمای ٢۵ درجه سانتیگراد است ، نتایج آن نشان مـیدهـد که هر ٣ نمونه در طول این مدت دچار آسیب یا ترک نخواهند شد. 

نتیجه گیری
نتایج بدست آمده از این تحقیق به شرح زیر می باشند: 
1 – نتایج آزمون شاخص جریان مذاب نشان میدهد که مقادیر این کمیت برای نمونه های حاوی پلی اتیلن بازیافتی از نمونه حاوی پلی اتیلن خالص بیشتر است که علت آن تخریب زنجیرهای مواد بازیافتی در حین فرآیندهای حرارتی اسـت . بـا ایـن وجود، مقدار این کمیت برای نمونه های حاوی مواد بازیافتی در محدوده اعداد ذکر شده در استاندارد، برای لوله های حـاوی ١٠٠ صددرصد از پلی اتیلن خالص است . 
2 – طبق نتایج آزمون کشش ،  مقدار استحکام کششی و درصـد ازدیـاد طـول نمونـه هـای حـاوی ۵٠ و ٧٠ درصـد از مـواد بازیافتی کمتر از نمونۀ حاوی ١٠٠ صددردرصد مواد خالص است که علت این مسئله میتواند به دلیل تخریب مواد بازیافتی و کاهش درصد کریستالینیتی آنها باشد . 
3 – نتایج آزمون فشار ترکیدگی نمونه ها نشان دهنده مقادیر مشابهی از این کمیت برای لوله های حاوی پلی اتیلن بازیـافتی و نمونۀ حاوی پلی اتیلن خالص است که بیان گر توانایی مناسب نمونه های حاوی مواد بازیافتی در پاسخ گویی به فشار اعمـالی در حین کاربرد است . 
4 – طبق نتایج آزمون فشار هیدروستاتیک ، تمامی نمونه ها این آزمون را بدون آسیب یا تـرک پـشت سـرگذاشـتند کـه ایـن مسئله نشان دهنده عدم ایجاد نقص در لوله ها، در خلال طول عمر مفید آنها میباشد. 
5 – با توجه به این که آزمونهای تعیین دانسیته ، درصد دوده و درصد برگشت حرارتی نیز بر روی نمونه های حاوی پلی اتیلن بازیافتی انجام شده است و مقادیر بدست آمده از این آزمونها، مطابق با استانداردهای موسسه تحقیقات صنعتی ایران بـرای نمونه حاوی صددرصد پلی اتیلن خالص بوده است ، نتایج آزمونهای انجام شده در این پژوهش نشان میدهـد کـه لولـه هـای موردنظر، خواص مناسب برای کاربرد در مصارف لوله های آبیاری را دارا می باشند. زیرا پاسخ آنها به تمامی آزمونهای لازم در این زمینه ، مشابه نمونه حاوی پلی اتیلن خالص بوده است . 

مراجع 
١- ابراهیمی، ن .، و شفایی، ش .،" بازیافت آمیزه های پلیمری"، سمینار کارشناسی ارشد، دانشگاه تربیت مدرس ، ١٣٨٣. 
2- A. J. Whittle,.D.Pesudovs, Collection and recycling of plastic pipes in demolition and construction waste 
stream, Plastics, Rubbor and Composites. 36 (2007) 190. 
3- R. Scaffaro, F.P. la Mantia, N. Tzankova Dintchectva, Effect of additive level and of the processing 
temperature on the re–building of post consumer pipes for polyethylene blends, European polymer Journal. 43 
(2007) 2947. 
۴- شفایی، ش .، و ابراهیمی، ن .، "تولید الیاف پلیمری از آمیخته بطریهای PET بازیافتی و PP"، مجله علوم و تکنولـوژی پلیمـر، ١، 
 .1386
5- G.Parisi, A. Neubauer, Recycling and recovery of plastics, Munish Hanser Publishers. (1996) 331. 
 

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید