полипропилен

Полипропиленовое сырье: полимерные материалы с характеристиками, производством и разнообразными сферами применения

Полипропилен (ПП) — термопластичная смола, получаемая путём полимеризации пропиленовых мономеров. Будучи одним из пяти универсальных пластиков, он стал незаменимым полимерным материалом в современной промышленности и повседневной жизни с момента начала его промышленного производства в 1950-х годах благодаря своим превосходным эксплуатационным характеристикам, богатым источникам сырья и низкой стоимости. Полипропилен используется повсеместно: от упаковки пищевых продуктов до автомобильных компонентов, от медицинских приборов до строительных материалов, и его развитие стало свидетелем технологического прогресса и инноваций в отрасли полимерных материалов.

1. Молекулярная структура и основные характеристики полипропилена

Молекулярная структура полипропилена является ключевым фактором, определяющим его свойства. С точки зрения химической структуры полипропилен представляет собой линейную полимерную цепь, образованную полимеризацией пропиленового мономера (Ч₂=Ч-Ч∝), с повторяющимся звеном -Ч₂-Ч(Ч∝)-. В зависимости от пространственного расположения метильных групп (-Ч₂) в молекулярной цепи полипропилен можно разделить на три стереоизомера: изотактический полипропилен, синдиотактический полипропилен и статистический полипропилен. Изотактический полипропилен стал основным продуктом в промышленном производстве благодаря своим превосходным эксплуатационным характеристикам.

В молекулярной цепи изотактического полипропилена метильные группы аккуратно расположены по одну сторону от основной цепи, образуя высокоупорядоченную кристаллическую структуру, что придает ему ряд превосходных свойств. Во-первых, полипропилен имеет высокую температуру плавления, обычно 160–170 °C, что значительно выше, чем у полиэтилена (ПЭ). Поэтому он может сохранять структурную стабильность при более высоких температурах и подходит для изготовления термостойких изделий, таких как посуда для микроволновых печей и трубы для горячей воды. Во-вторых, плотность полипропилена относительно низкая, около 0,90–0,91 г/см³, что делает его одним из самых низкоплотных пластиков среди существующих. Это обеспечивает лёгкость изделий из него, снижая транспортные расходы и расход материалов.

Что касается механических свойств, полипропилен обладает хорошей жёсткостью и прочностью: предел прочности на разрыв составляет 20–40 МПа, умеренная прочность на изгиб и ударная вязкость, что соответствует требованиям большинства конструкционных материалов. Кроме того, полипропилен обладает отличной химической стабильностью и хорошей коррозионной стойкостью к таким химическим веществам, как кислоты, основания и соли. Он нерастворим в большинстве органических растворителей и подвержен коррозии только под воздействием сильных окислителей при высоких температурах. Поэтому он подходит для изготовления коррозионно-стойких изделий, таких как химические трубопроводы и резервуары для хранения.

Полипропилен также обладает отличными технологическими характеристиками, широким диапазоном скоростей расплава, и может быть изготовлен в изделиях различной формы с помощью различных методов переработки, таких как литье под давлением, экструзия, выдувное формование и волочение. В процессе переработки полипропилен обладает хорошей текучестью и коротким циклом формования, что повышает эффективность производства и снижает затраты на обработку. Кроме того, полипропилен обладает хорошими электроизоляционными свойствами и атмосферостойкостью. После соответствующей модификации он также может обладать стойкостью к ультрафиолетовому излучению, устойчивостью к старению и другими характеристиками, что еще больше расширяет область его применения.

2. Процесс производства и источники сырья полипропилена

Промышленное производство полипропилена в основном использует в качестве сырья пропилен, а его производственный процесс развивался более полувека, сформировав множество зрелых технологических схем. Суть заключается в инициировании реакции полимеризации мономера пропилена с помощью катализаторов.

Основными источниками пропилена являются нефтепереработка и переработка природного газа. В нефтепереработке большое количество пропилена может быть получено путём крекинга нафты; в процессе переработки природного газа пропилен также может быть получен путём дегидрирования этана и пропана. В связи с растущим вниманием к вопросам охраны окружающей среды, исследования и разработки в области производства пропилена из биомассы стали новой тенденцией. Возобновляемое пропиленовое сырье может быть получено с помощью таких технологий, как ферментация биомассы, что открывает возможности для экологичного производства полипропилена.

Процесс полимеризации полипропилена в основном подразделяется на четыре типа: полимеризация в растворе, полимеризация в массе, суспензионная полимеризация и газофазная полимеризация. Газофазная полимеризация и комбинированная газофазная полимеризация в массе стали основными технологиями благодаря простоте процесса, низкому энергопотреблению и высокой экологичности.

Процесс газофазной полимеризации представляет собой реакцию полимеризации, проводимую в газофазном реакторе с использованием газообразного пропилена в качестве мономера под действием катализатора. Этот процесс не требует растворителей, чистота продукта высока, а последующие стадии разделения просты, что может значительно снизить потребление энергии и загрязнение. Обычные катализаторы включают катализаторы Циглера-Натта, металлоценовые катализаторы и неметаллоценовые катализаторы. Катализатор Циглера-Натта является самым ранним промышленным катализатором полипропилена, отличается низкой стоимостью и способностью производить полипропилен с высокой изотропией; металлоценовые катализаторы обладают более высокой активностью и могут точно контролировать молекулярную структуру полипропилена, производя продукты с более однородными характеристиками, такими как полипропилен с высокой прозрачностью и высокой прочностью; неметаллоценовые катализаторы имеют преимущества в регулировании удельных характеристик, что еще больше расширяет диапазон характеристик полипропилена.

Процесс полимеризации в массе включает полимеризацию пропиленовых мономеров в жидком состоянии в высоковязкой реакционной системе, требующей строгого контроля температуры и давления реакции. Комбинированный газофазный процесс Онтология сочетает в себе преимущества полимеризации Онтология и газофазной полимеризации. Сначала происходит предварительная полимеризация в реакторе Онтология, а затем реакция продолжается в газофазном реакторе. Он позволяет гибко регулировать молекулярно-массовое распределение и состав сополимера полипропилена, производя разнообразные продукты.

После завершения реакции полимеризации полученный порошок полипропилена гранулируется с добавлением стабилизаторов, антиоксидантов, смазочных веществ и других добавок, после чего перерабатывается в гранулированный продукт с помощью экструзионного гранулятора для удобства хранения, транспортировки, последующей переработки и использования. Добавление добавок может улучшить технологичность, термостабильность и атмосферостойкость полипропилена, а также продлить срок службы изделия.

3. Технология классификации и модификации полипропилена

Существуют различные методы классификации полипропилена, который в зависимости от метода полимеризации можно разделить на гомополимерный полипропилен (ПП-H), блок-сополимерный полипропилен (ПП-B) и статистический сополимерный полипропилен (ПП-R). В зависимости от области применения полипропилен можно разделить на полипропилен общего назначения, инженерный, пленочный, волокнистый и т. д. Различные типы полипропилена обладают разными свойствами и подходят для разных сценариев.

Гомополимерный полипропилен полимеризуется только из мономера пропилена, обладает высокой кристалличностью, хорошей жесткостью, высокой прочностью, но низкой ударной вязкостью и склонен к хрупкости при низких температурах. Он в основном используется в производстве литьевых изделий, таких как пластиковые горшки, ведра, игрушки и т. д. Блок-сополимерный полипропилен образуется путем полимеризации пропилена и небольшого количества этилена с образованием блочной структуры. Введение этилена увеличивает гибкость молекулярной цепи, значительно улучшая ударную вязкость полипропилена, особенно его ударные характеристики при низких температурах. Он подходит для производства изделий с высокими требованиями к ударной вязкости, таких как автомобильные бамперы и корпуса бытовой техники. Полипропилен, полученный методом рандомизированной сополимеризации, образуется путем статистической сополимеризации пропилена и этилена, при этом звенья этилена случайным образом распределены в молекулярной цепи, что снижает кристалличность и придает полипропилену хорошую прозрачность и гибкость. Он широко используется в производстве пленок для упаковки пищевых продуктов, медицинских приборов, труб и т. д.

Для дальнейшего расширения свойств полипропилена ключевым средством стала технология модификации. К распространённым методам модификации относятся модификация наполнителем, модификация армированием, модификация с повышением ударной вязкости, модификация с повышением огнестойкости, модификация с повышением прозрачности и т. д.

Модификация наполнителя достигается добавлением неорганических наполнителей, таких как карбонат кальция, тальк и слюдяной порошок, для снижения стоимости и повышения жёсткости, термостойкости и размерной стабильности полипропилена. Например, полипропилен с добавлением талька может использоваться для изготовления автомобильных приборных панелей, обладающих хорошей термостойкостью и устойчивостью к усадке. Для усовершенствованной модификации используются такие материалы, как стекловолокно и углеродное волокно, что значительно улучшает механические свойства полипропилена, такие как прочность на разрыв, прочность на изгиб и ударную вязкость. Модифицированный улучшенный полипропилен может заменить некоторые инженерные пластики и используется для изготовления компонентов автомобильных двигателей, корпусов электронных и электрических приборов и т. д.

Модификация для повышения ударной вязкости полипропилена, особенно при низких температурах, повышает его прочность, особенно при низких температурах, путём добавления эластомеров, таких как этиленпропиленовый каучук и ПОЭ. Эластичные частицы образуют дисперсную фазу в полипропиленовой матрице, которая способна поглощать энергию удара, предотвращать распространение трещин и сохранять высокую ударную вязкость модифицированного полипропилена при низких температурах, что делает его пригодным для использования в изделиях для наружного применения в холодных регионах. Модификация для повышения огнестойкости достигается путём добавления антипиренов (например, антипиренов на основе брома и фосфора) или использования технологии сополимеризации антипиренов для придания полипропилену огнестойких свойств, что соответствует требованиям пожарной безопасности в таких областях, как электроника и строительство.

Модификация прозрачности направлена на решение проблемы низкой прозрачности обычного полипропилена путем добавления зародышеобразователей (например, сорбитола) для измельчения кристаллических частиц, уменьшения рассеяния света и повышения прозрачности и блеска полипропилена. Прозрачный полипропилен широко используется в таких областях, как упаковка пищевых продуктов и производство медицинских изделий.

4. Области применения полипропилена

Полипропилен, благодаря своим превосходным комплексным характеристикам и разнообразным модифицированным продуктам, нашел широкое применение во многих областях, таких как упаковка, автомобилестроение, бытовая техника, медицина, сельское хозяйство и строительство, став незаменимым материалом в современном обществе.

В сфере упаковки полипропилен является одним из важнейших упаковочных материалов. Из пленочного полипропилена можно изготавливать выдувную и литой пленку, обладающую хорошей прозрачностью, влагостойкостью и механической прочностью. Она используется для упаковки пищевых продуктов (например, пакетов для закусок, пакетов для хранения свежести), товаров повседневного спроса и т.д. Двуосно-ориентированная полипропиленовая (БОПП) пленка обладает высокой прочностью и хорошим блеском и может использоваться для высококачественной упаковки и композитных пленочных основ. Литьевой полипропилен используется для изготовления коробок для пищевых продуктов, крышек для бутылок с напитками, флаконов для упаковки косметики и т.д. Его химическая стойкость и гигиеничность соответствуют стандартам для материалов, контактирующих с пищевыми продуктами.

Автомобильная промышленность является важной областью применения полипропилена, и с развитием тенденции к снижению веса автомобилей, его использование в производстве продолжает расти. Блок-сополимер полипропилена используется в производстве автомобильных бамперов, приборных панелей, дверных панелей и других компонентов благодаря своей высокой прочности и ударопрочности. Армированный полипропилен может заменить металлические материалы при производстве капотов, деталей шасси и т. д., снижая вес автомобиля и расход топлива. Применение полипропилена в автомобилестроении не только снижает производственные затраты, но и повышает безопасность и комфорт автомобилей.

В сфере бытовой техники полипропилен широко используется для изготовления таких компонентов, как вкладыши для стиральных машин, выдвижные ящики холодильников и корпуса кондиционеров. Его превосходная коррозионная стойкость, термостойкость и размерная стабильность позволяют использовать бытовую технику в течение длительного срока службы. Модифицированный полипропилен также обладает огнестойкими, антистатичными и другими свойствами, что обеспечивает безопасность использования бытовой техники.

Медицинская сфера предъявляет чрезвычайно высокие требования к гигиене и безопасности материалов. Рандом-сополимер полипропилена стал идеальным материалом для медицинских изделий благодаря своей прозрачности, стойкости к паровой дезинфекции и превосходной химической стабильности. Он может использоваться для изготовления шприцев, инфузионных систем, корпусов медицинских приборов и т. д. Изделия из полипропилена можно стерилизовать высокотемпературным паром, использовать повторно, что снижает расходы на здравоохранение.

Полипропилен также широко используется в сельском хозяйстве. Из полипропиленовой пленки изготавливают сельскохозяйственную пленку для теплиц и пластиковую пленку, обладающую хорошей прозрачностью и изоляционными свойствами, что способствует росту сельскохозяйственных культур. Полипропиленовое волокно используется для изготовления рыболовных сетей, солнцезащитных сеток, упаковочных мешков для урожая и т. д. Его атмосферостойкость и прочность отвечают требованиям сельскохозяйственного производства.

Кроме того, полипропилен используется в строительстве для производства труб, листов, гидроизоляционных мембран и т. д. В текстильной промышленности полипропиленовое волокно (ПП) может использоваться для изготовления одежды, ковров, фильтровальной ткани и т. д. Его преимущества заключаются в том, что он легкий, износостойкий и легко моется.

5. Охрана окружающей среды и тенденции развития полипропилена

Экологическая безопасность полипропилена как полимерного материала всегда была в центре внимания отрасли. По сравнению с другими пластиками, полипропилен обладает множеством экологических преимуществ: в процессе производства расход энергии относительно низкий, а выбросы углерода ниже, чем у таких пластиков, как полиэтилен и поливинилхлорид; изделия из полипропилена лёгкие и позволяют снизить потребление энергии и выбросы углерода при транспортировке; и, что особенно важно, полипропилен хорошо поддаётся вторичной переработке и может быть переработан с помощью таких технологий, как физическая и химическая переработка.

В настоящее время основным методом переработки полипропилена является физическая переработка, которая включает сортировку, очистку, дробление, плавление и гранулирование отходов полипропилена перед их повторным использованием для производства изделий с более низкими требованиями к эксплуатационным характеристикам, таких как пластиковые поддоны, мусорные баки и т. д. Химическая переработка использует такие технологии, как пиролиз и гидролиз, для разложения полипропилена на низкомолекулярные соединения, которые могут быть повторно использованы в качестве сырья для производства мономеров пропилена или других химических веществ, обеспечивая замкнутый цикл переработки. С развитием технологий переработки эксплуатационные характеристики переработанного полипропилена продолжают улучшаться, и он может использоваться в таких востребованных областях, как упаковка для пищевых продуктов.

Исследование и индустриализация биополипропилена являются важным направлением для экологичного развития полипропилена. Биополипропилен, полученный из биомассы, может сократить выбросы углерода и снизить зависимость от ископаемых ресурсов на протяжении всего его жизненного цикла. В настоящее время ряд предприятий освоили промышленное производство биополипропилена, характеристики которого сопоставимы с характеристиками традиционного полипропилена, что открывает новые возможности для устойчивого развития производства полипропилена.

В будущем развитие полипропилена будет представлено следующими тенденциями: во-первых, высокая производительность за счет точного регулирования молекулярной структуры и передовых технологий модификации, полипропилен с более высокой прочностью, жесткостью и термостойкостью, что расширит его применение в области техники; во-вторых, функционализация, разработка полипропилена со специальными функциями, такими как антибактериальный, проводящий, теплопроводящий и самовосстанавливающийся полипропилен, для удовлетворения потребностей новых отраслей; в-третьих, экологичность, содействие модернизации технологий замены и переработки биосырья и создание циклической системы "производство-потребление-переработка-регенерация; в-четвертых, интеллектуальность в сочетании с передовыми производственными технологиями, такими как 3D-печать, для достижения персонализированной настройки и эффективного производства изделий из полипропилена.

Полипропилен, как высокопроизводительный и широко используемый полимерный материал, играет важную роль в развитии промышленности и повышении качества жизни. Благодаря постоянному развитию технологий, полипропилен продолжит развиваться в направлении повышения экологичности, производительности и функциональности, сохраняя при этом свои традиционные преимущества, способствуя устойчивому развитию и достижению цели ддддхдвойственный углеродддддххх.