پلی‌اتیلن وکس (PE wax) نوعی پلی‌اتیلن با وزن مولکولی پایین است که به‌خاطر ویژگی‌هایی مانند روان‌کنندگی و بهبود جریان‌پذیری در صنایع مختلف کاربرد گسترده‌ای دارد. این ماده معمولاً به‌صورت جامد سخت و شفاف (گرانول یا پودر) عرضه می‌شود و در ساخت مواد پلاستیکی، رنگ، جوهر و سایر محصولات صنعتی نقش مهمی دارد. برای تولید صنعتی پلی‌اتیلن وکس، سه روش اصلی وجود دارد: پلیمریزاسیون مستقیم اتیلن تحت شرایط خاص واکنش، کراکینگ حرارتی پلیمرهای سنگین (تجزیه حرارتی پلی‌اتیلن) و جداسازی مولکول‌های سبک از جریان تولید پلی‌اتیلن (به‌عنوان فرآیند جانبی). در ادامه هر یک از این روش‌ها به‌تفصیل توضیح داده شده و مزایا، معایب، بازده، کیفیت محصول و هزینه تولید آن بررسی می‌شود.
روش اول: پلیمریزاسیون مستقیم اتیلن
در این روش، اتیلن گازی در شرایط کنترل‌شده (معمولاً دمای بالا و فشار مشخص) پلیمریزه می‌شود تا به مولکول‌های کوتاه پلی‌اتیلنی تبدیل گردد. واکنش پلیمریزاسیون مستقیم PE وکس معمولاً با کاتالیزورهای ویژه (رادیکالی در فشار و دمای بالا یا کاتالیزور زیگلر-ناتاتا/متالوسن در فشار پایین) انجام می‌شود. خروجی فرایند پلیمرهایی با زنجیره‌های کوتاه است که وزن مولکولی و ویژگی‌های آن‌ها قابل تنظیم است.
• مزایا: امکان کنترل دقیق وزن مولکولی و توزیع مولکولی محصول وجود دارد که منجر به یکنواختی بالا و خواص دلخواه در واکس می‌شود. همچنین خوراک اصلی، اتیلن متداول است و محصول خالص با ناخالصی کم حاصل می‌شود.
• معایب: نیاز به راکتورهای ویژه با فشار/دمای بالا دارد که سرمایه‌گذاری اولیه زیادی می‌طلبد. کنترل فرآیند پیچیده است و چالش‌های ایمنی و عملیاتی بیشتری نسبت به روش‌های دیگر دارد.
• راندمان و بازده: بازده تبدیل اتیلن به واکس در این روش معمولاً بالا است (زیرا اساساً کل خوراک تبدیل به پلیمر می‌شود)، اما رقم دقیق آن وابسته به شرایط عملیاتی است.
• کیفیت محصول: واکس تولیدشده توزیع وزنی مولکولی باریک و خلوص بالایی دارد. ویژگی فیزیکی آن یکنواخت و قابل پیش‌بینی است و خواص حرارتی و مکانیکی خوبی ارائه می‌دهد.
• هزینه: هزینه سرمایه‌گذاری بسیار بالا است (راکتورهای فشار-بالا و کاتالیزورهای گران‌قیمت). با این حال در بلندمدت، به‌دلیل کارایی بالای تبدیل و کیفیت محصول، ممکن است برای تولیدات بزرگ و باکیفیت توجیه‌پذیر باشد.
روش دوم: کراکینگ حرارتی پلیمرهای سنگین
در کراکینگ حرارتی (تجزیه حرارتی) واکنش‌شیمیایی، پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بالا (مثلاً رزین‌های HDPE/LDPE یا ضایعات پلی‌اتیلن) در دمای بسیار بالا (معمولاً ۴۵۰–۵۵۰°C) بدون حضور اکسیژن شکسته می‌شود و مولکول‌های سبک‌تر وکسی شکل تولید می‌گردد. این فرایند می‌تواند در راکتور کوره‌ای (batch) یا اکسترودر پیوسته انجام شود. به‌عنوان مثال، روش کتری کراکینگ (گرمادهی غیرمداوم) برای حجم‌های کوچک مناسب است و اکسترودر پیوسته برای تولید مقادیر زیاد کاربرد دارد.
• مزایا: مواد اولیه مورد نیاز ارزان و فراوان است (رزین‌های PE یا ضایعات پلی‌اتیلن). فرایند نسبتاً ساده است و نیازی به کاتالیزور خاص ندارد. بازده تولید واکس بالاست؛ مطالعات نشان داده در شرایط بهینه بیش از ۹۰٪ وزن ورودی HDPE به واکس تبدیل می‌شود.
• معایب: محصول نهایی دارای توزیع مولکولی پهن است و شامل مقادیر زیادی مولکول‌های خیلی سبک (حدود وزن مولکولی ~۱۰۰۰) می‌باشد که خواص فیزیکی آن را محدود می‌کند. علاوه بر این، کراکینگ انرژی‌بر است (مصرف حرارت زیاد) و معمولاً محصولات فرار و مایعات سنگین حاصل نیاز به مراحل پالایش (مانند تقطیر خلأ) دارند.
• راندمان و بازده: بازده تبدیل خوراک به واکس بسیار بالا است (تا ~۹۰٪). با کنترل دقیق دما و زمان واکنش می‌توان بازده را بهینه کرد، اما در عمل مقداری از خوراک ممکن است به گاز یا محصولات نفتی تبدیل شود.
• کیفیت محصول: واکس کراک‌شده مولکول‌های با توزیع وزنی گسترده دارد و ناخالصی‌های متنوعی در آن یافت می‌شود. در مقایسه با واکس‌های پلیمریزاسیون‌شده، کیفیت (به‌ویژه خواص مکانیکی و پایداری حرارتی) پایین‌تر است.
• هزینه: سرمایه‌گذاری اولیه نسبتاً کمتر است (تجهیزات ساده‌تر) اما هزینه‌های عملیاتی بالایی دارد. عمده هزینه ناشی از تأمین انرژی حرارتی لازم برای فرایند و نیز مراحل جداسازی و خالص‌سازی محصول است.
روش سوم: جداسازی از جریان تولید HDPE (فرآیند جانبی)
در فرایندهای تولید پلی‌اتیلن (معمولاً HDPE با روش‌های زنجیره‌ای سوسپانسیون)، مقدار جزئی از مولکول‌های بسیار کم‌وزن (واکس) به‌عنوان محصول جانبی پلیمریزاسیون تولید می‌شود. این مولکول‌های واکس معمولاً در حلال واکنش (مانند هگزان) حل شده‌اند. در پایان فرایند پلیمریزاسیون، با استفاده از جداکننده‌هایی مثل سانتریفیوژ، واکس موجود در حلال از جریان اصلی جداسازی می‌شود و سپس حلال با تقطیر یا فرایند خلأ بازیافت می‌گردد. در نهایت واکس پلی‌اتیلن با خلوص بالا به‌دست می‌آید.
• مزایا: این روش نیاز به راکتور یا کاتالیزور اختصاصی برای تولید واکس جدید ندارد و از ظرفیت موجود خط تولید HDPE استفاده می‌کند. در نتیجه سرمایه‌گذاری اولیه کمی نیاز دارد. همچنین واکس حاصل عموماً خلوص بالایی داشته و توزیع مولکولی نسبتاً باریکی در مقایسه با روش‌های دیگر دارد.
• معایب: حجم واکس تولیدی محدود است و وابسته به میزان تولید HDPE است. توزیع مولکولی واکس اولیه هنوز گسترده است (شامل مولکول‌های سبک)، که بخشی از آن نیاز به پالایش اضافی دارد. عملیات جداسازی حلال و تصفیه واکس نیز هزینه‌بر است.
• راندمان و بازده: از آنجا که واکس به‌صورت فرعی تولید می‌شود، معمولاً بازدهی کلی از نظر نسبت وزن واکس به خوراک پایین است. با این حال، چون مواد اولیه واکس از ورودی اصلی فرآیند منشأ می‌گیرد، هزینه خوراک آن تقریباً صفر محسوب می‌شود.
• کیفیت محصول: واکس به‌دست‌آمده خلوص بالایی دارد ولی به دلیل توزیع مولکولی نسبتاً پهن، خواص مکانیکی و حرارتی آن از واکس‌های پلیمریزاسیون‌شده کمتر است. معمولاً واکس تولیدشده نیاز به ریزساختاری معینی از تصفیه دارد تا خواص آن بهبود یابد.
• هزینه: سرمایه‌گذاری اولیه کم است، اما هزینه‌های عملیاتی شامل جداسازی و بازیابی حلال و خالص‌سازی واکس ممکن است قابل توجه باشد.
نتیجه‌گیری: بهترین روش تولید از نظر صنعتی
هر یک از روش‌های تولید واکس پلی‌اتیلن مزایا و معایب خاص خود را دارد. پلیمریزاسیون مستقیم امکان تولید واکس با کنترل بسیار دقیق خواص را فراهم می‌کند اما هزینه سرمایه‌گذاری و تجهیزات آن بالا است. کراکینگ حرارتی در صورت در دسترس بودن رزین یا ضایعات پلی‌اتیلن ارزان، بازده بالا و هزینه مواد اولیه پایین دارد و برای مقیاس‌های کوچک و متوسط مناسب است؛ اما کیفیت محصول آن پایین‌تر است. از سوی دیگر، جداسازی جانبی واکس از فرایند تولید HDPE به دلیل سرمایه‌گذاری اندک و استفاده بهینه از منابع موجود اقتصادی‌تر به نظر می‌رسد. این روش کیفیت مناسبی دارد (توزیع مولکولی خوب) و نیازی به راکتور مجزا ندارد، اما حجم تولید واکس محدود است. به طور کلی، در بسیاری از کارخانه‌های پتروشیمی، روش جداسازی واکس جانبی به‌عنوان روشی اقتصادی و پرکاربرد در نظر گرفته می‌شود. با این حال، در صورت نیاز به حجم بسیار بالا یا واکس با کیفیت ویژه، ممکن است از کراکینگ حرارتی ضایعات یا پلیمریزاسیون اختصاصی استفاده شود.
