العمليات الكيميائية في تصنيع البولي إيثيلين : 5 مراحل تُشكّل المنتج النهائي

البولي إيثيلين من أهم أنواع البلاستيك وأكثرها شيوعًا، وتمر العمليات الكيميائية في تصنيع البولي إيثيلين بـ 5 مراحل رئيسية، وتعد هذه المراحل المحرك الأساسي لهذه الصناعة الضخمة، إذ تبدأ هذه الرحلة بتحويل غاز الإيثيلين إلى سلاسل بوليمرية طويلة عبر تفاعل كيميائي معقد يُعرف باسم البلمرة.

ويدخل البولي إيثيلين في العديد من الصناعات، بدءًا من الأكياس البلاستيكية وأنابيب المياه وصولًا إلى العبوات الغذائية والمواد العازلة، مما يؤكد أهمية فهم العمليات الكيميائية في تصنيع البولي إيثيلين.. يتناول هذا المقال مراحل تصنيع هذا البوليمر، بدءًا من المادة الخام الأساسية وصولًا إلى العمليات الكيميائية التي تُشكّل المنتج النهائي.

1. تحضير الإيثيلين (المونومر)

تُعد جزيئات الإيثيلين (Ethylene)، ذات الصيغة الكيميائية $C_{2} H_{4}$ ، اللبنة الأساسية في تصنيع البولي إيثيلين، ويتكون هذا الجزيء من ذرتي كربون متصلتين برابطة مزدوجة، وكل ذرة كربون متصلة بذرتي هيدروجين.

تُعد هذه الرابطة المزدوجة المفتاح للتفاعل، حيث تسمح للجزيء بالانضمام إلى جزيئات أخرى لتكوين سلاسل طويلة. يُستخرج الإيثيلين بشكل أساسي من تكسير الإيثان (Ethane) الموجود في الغاز الطبيعي، أو عن طريق تكسير النفتا (Naphtha) في مصانع تكرير النفط. تُعد هذه الخطوة الأولى في العمليات الكيميائية في تصنيع البولي إيثيلين.

التكسير بالبخار: من العمليات الكيميائية في تصنيع البولي إيثيلين يتم تسخين الهيدروكربونات مثل الإيثان والبروبان إلى درجة حرارة وضغط مرتفعين لتفكيكها إلى جزيئات أصغر، ويُعد الإيثيلين الناتج الرئيسي من هذه العملية.
التنقية: يُنقى غاز الإيثيلين الناتج من الشوائب والمركبات غير المرغوب فيها (مثل كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون) عبر عمليات ترشيح وتنقية باستخدام محاليل كيميائية مثل الصودا الكاوية.

2. عملية البلمرة

تُعرف العملية الكيميائية التي تُحوّل جزيئات الإيثيلين الصغيرة (المونومر) إلى سلاسل البولي إيثيلين الطويلة (البوليمر) بـ”البلمرة” (Polymerization). تتطلب هذه العملية ظروفًا محددة من الضغط، والحرارة، ووجود محفز (Catalyst) لتسريع التفاعل والتحكم فيه، وتختلف العمليات الكيميائية في تصنيع البولي إيثيلين بناءً على نوع البوليمر المطلوب.

توجد عدة أنواع من عمليات البلمرة تُستخدم لإنتاج أنواع مختلفة من البولي إيثيلين:

البلمرة عالية الضغط: تُستخدم لإنتاج البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE).
البلمرة منخفضة الضغط: تُستخدم لإنتاج البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) أو أنواع أخرى.

يعتمد نوع البلمرة على درجة الضغط ودرجة الحرارة المستخدمة، بالإضافة إلى نوع المحفزات (مثل محفزات زيغلر-ناتا)، يُدخل الإيثيلين إلى مفاعل البلمرة حيث يتحد جزيء الإيثيلين مع جزيئات أخرى لتكوين سلاسل طويلة من البولي إيثيلين.

3. بلمرة الضغط العالي

تُستخدم هذه الطريقة بشكل أساسي لإنتاج البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE). تتطلب العملية ضغطًا مرتفعًا جدًا يتراوح بين 1000 إلى 3000 بار ودرجة حرارة تتراوح بين 80 و300 درجة مئوية. يتم استخدام محفزات منشطة بالبيروكسيد (Peroxide Initiators) مثل بنزويل بيروكسيد (Benzoyl Peroxide) لبدء التفاعل.

يُعد التفاعل الكيميائي الأساسي هو بلمرة الجذور الحرة الذي يمر بثلاث مراحل رئيسية:

البدء: يتفكك المحفز بالحرارة لإنتاج جذور حرة نشطة.
النمو: تتفاعل الجذور الحرة مع جزيئات الإيثيلين، وتُضيفها إلى السلسلة المتنامية. في هذه المرحلة، تحدث تفاعلات تشعبية (Branching) تؤدي إلى تكوين سلاسل جانبية قصيرة وطويلة.
الإنهاء: تتوقف السلاسل عن النمو عند التقاء جذرين حرين أو تفاعلهما مع جزيء آخر.

4. بلمرة الضغط المنخفض

تُستخدم هذه الطريقة لإنتاج البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) والبولي إيثيلين الخطي منخفض الكثافة (LLDPE). تُعد هذه الطريقة أكثر كفاءة وتستهلك طاقة أقل من طريقة الضغط العالي، وتعمل في ظروف ضغط منخفض (أقل من 10 بار) ودرجة حرارة تتراوح بين 70 و100 درجة مئوية.

يكمن سر نجاح هذه الطريقة في استخدام محفزات متخصصة، مثل محفزات زيغلر-ناتا (Ziegler-Natta Catalysts) أو محفزات الميتالوسين (Metallocene Catalysts). تُوجّه هذه المحفزات تفاعل البلمرة بطريقة دقيقة، مما يُنتج سلاسل بوليمرية مستقيمة بدون تفرعات كبيرة.

محفزات ناتا: مركبات معقدة تتكون من مركبات معدنية انتقالية مثل كلوريد التيتانيوم ( $T i C l_{4}$ ) ومركبات ألكيل الألومنيوم ( $A l (C_{2} H_{5})_{3}$ ).
محفزات الميتالوسين: من الجيل الأحدث من المحفزات، وتوفر تحكمًا أكبر في بنية البوليمر، مما يسمح بإنتاج بوليمرات ذات خصائص محسّنة.

تؤدي هذه العملية إلى إنتاج HDPE ذي بنية خطية، مما يجعله أكثر كثافة وصلابة. وتُستخدم نفس المحفزات مع كميات قليلة من المونومرات المشتركة (Co-monomers) مثل البيوتين-1 أو الهكسين-1 لإنتاج LLDPE.

5. المعالجة النهائية والتشكيل

بعد اكتمال العمليات الكيميائية في تصنيع البولي إيثيلين ، يكون البوليمر الناتج على شكل مسحوق أو حبيبات. تُعالج هذه الحبيبات وتُخلط مع إضافات مختلفة (Additives) لتحسين خصائصها، مثل مثبتات الحرارة ومضادات الأكسدة والأصباغ. تُمرّر هذه الحبيبات عبر آلات البثق (Extruders) أو القولبة (Molding) التي تقوم بصهرها وتشكيلها في المنتجات النهائية المطلوبة، مثل الأفلام، الأنابيب، أو الزجاجات.

ختامًا، تُعد العمليات الكيميائية في تصنيع البولي إيثيلين مثالًا بارزًا على كيفية تحويل جزيء بسيط إلى مادة متعددة الاستخدامات تُشكّل حجر الزاوية في الصناعة الحديثة، ومن خلال التحكم الدقيق في ظروف التفاعل واستخدام المحفزات المناسبة، يتمكن الكيميائيون من التحكم في بنية وخصائص البوليمر الناتج، مما يتيح إنتاج مجموعة واسعة من أنواع البولي إيثيلين التي تلبي احتياجات التطبيقات المختلفة.