полипропилен

Полипропиленови суровини: полимерни материали с характеристики, производство и разнообразни приложения

Полипропиленът (ПП) е термопластична смола, получена чрез полимеризация на пропиленови мономери. Като една от петте универсални пластмаси, той се е превърнал в незаменим полимерен материал в съвременната индустрия и ежедневието от началото на индустриалното си производство през 50-те години на миналия век, благодарение на отличните си всеобхватни характеристики, изобилните си източници на суровини и ниската цена. От опаковки за храни до автомобилни компоненти, от медицински изделия до строителни материали, полипропиленът е повсеместен, а неговото развитие е свидетел на технологичния прогрес и иновациите в индустрията за полимерни материали.

1. Молекулярна структура и основни характеристики на полипропилена

Молекулярната структура на полипропилена е основният фактор, определящ неговите свойства. От гледна точка на химическата структура, полипропиленът е линейна полимерна верига, образувана чрез адиционна полимеризация на пропиленов мономер (CH₂=CH-CH∝), като повтарящата се единица е -CH₂-CH(CH∝)-. Според пространственото разположение на метиловите групи (-CH3) в молекулната верига, полипропиленът може да бъде разделен на три стереоизомера: изотактичен полипропилен, синдиотактичен полипропилен и произволен полипропилен. Сред тях изотактичният полипропилен се е превърнал в основен продукт в промишленото производство благодарение на отличните си характеристики.

В молекулната верига на изотактичния полипропилен, метиловите групи са спретнато подредени от една и съща страна на основната верига, образувайки силно подредена кристална структура, което му придава серия от отлични свойства. Първо, полипропиленът има висока точка на топене, обикновено между 160-170 ℃, което е много по-високо от това на полиетилена (Специалист по икономически въпроси). Следователно, той може да поддържа структурна стабилност при по-високи температури и е подходящ за производство на топлоустойчиви продукти като съдове за микровълнова фурна и тръби за топла вода. Второ, плътността на полипропилена е сравнително ниска, около 0,90-0,91 g/см³, което го прави един от видовете с най-ниска плътност сред съществуващите пластмаси. Това прави продуктите, изработени от него, леки, намалявайки транспортните разходи и разхода на материали.

По отношение на механичните свойства, полипропиленът има добра твърдост и здравина, с якост на опън от 20-40 МПа, умерена якост на огъване и ударна якост, което може да отговори на изискванията на повечето структурни компоненти. В същото време, полипропиленът има отлична химическа стабилност и добра устойчивост на корозия към химикали като киселини, основи и соли. Той е неразтворим в повечето органични разтворители и може да корозира само от силни окислители при високи температури. Следователно, той е подходящ за производство на устойчиви на корозия продукти, като например тръбопроводи за химикали и резервоари за съхранение.

Полипропиленът също така има отлични характеристики при обработка, с широк диапазон от скорости на стопилка, и може да се произвежда в различни форми на продукти чрез различни техники на обработка, като шприцване, екструдиране, формоване чрез раздуване и изтегляне на тел. По време на обработката полипропиленът има добра течливост и кратък цикъл на формоване, което може да подобри производствената ефективност и да намали разходите за обработка. Освен това, полипропиленът има добри електрически изолационни характеристики и устойчивост на атмосферни влияния. След подходяща модификация, той може да има и Ултравиолетово устойчивост, устойчивост на стареене и други характеристики, което допълнително разширява обхвата му на приложение.

2. Производствен процес и източници на суровини от полипропилен

Промишленото производство на полипропилен използва главно пропилен като суровина, а производственият му процес е претърпял повече от половин век развитие, формирайки множество зрели технически пътища. Основната цел е да се инициира реакцията на полимеризация на пропиленовия мономер чрез катализатори.

Основните източници на суровини за пропилен са рафинирането на петрол и преработката на природен газ. При рафинирането на петрол, голямо количество пропилен може да се произведе чрез крекинг на нафта; при преработката на природен газ, дехидрогенирането на етан и пропан също може да генерира пропилен. С нарастващата осведоменост за опазването на околната среда, изследванията и разработването на биобазиран пропилен се превърнаха в нова тенденция. Възобновяемите суровини за пропилен могат да се произвеждат чрез технологии като ферментация на биомаса, което предоставя възможност за зелено производство на полипропилен.

Процесът на полимеризация на полипропилен се разделя основно на четири вида: полимеризация в разтвор, полимеризация в насипно състояние, суспензионна полимеризация и газофазна полимеризация. Сред тях, газофазната полимеризация и комбинираната газофазна полимеризация в насипно състояние са се превърнали в основни технологии поради тяхната опростеност, ниска консумация на енергия и добра екологичност.

Процесът на газофазна полимеризация е полимеризационна реакция, провеждана в газофазен реактор, използващ пропиленов газ като мономер под действието на катализатор. Този процес не изисква разтворители, чистотата на продукта е висока, а последващите стъпки на разделяне са прости, което може значително да намали консумацията на енергия и замърсяването. Често срещаните катализатори включват Циглер Ната катализатори, металоценови катализатори и неметалоценови катализатори. Циглер Ната катализаторът е най-ранният индустриализиран полипропиленов катализатор, с ниска цена и способност за производство на полипропилен с висока изотропия; Металоценовите катализатори имат по-висока активност и могат прецизно да контролират молекулната структура на полипропилена, произвеждайки продукти с по-равномерни характеристики, като например полипропилен с висока прозрачност и висока жилавост; Неметалоценовите катализатори имат предимства в специфичното регулиране на характеристиките, като допълнително разширяват диапазона на производителност на полипропилена.

Процесът на полимеризация в насипно състояние включва полимеризиране на пропиленови мономери в течно състояние, с реакционна система с висок вискозитет, която изисква строг контрол на реакционната температура и налягане. Процесът на комбиниране в газова фаза комбинира предимствата на полимеризацията в онтология и газофазната полимеризация. Първо се извършва предварителна полимеризация в реактора за онтология, а след това реакцията продължава в газовия реактор. Той може гъвкаво да регулира разпределението на молекулното тегло и състава на съполимера на полипропилена, произвеждайки разнообразни продукти.

След завършване на реакцията на полимеризация, полученият полипропиленов прах трябва да премине през процес на гранулиране, като се добавят стабилизатори, антиоксиданти, лубриканти и други добавки, и да се преработи в гранулирани продукти чрез екструзионен гранулатор за лесно съхранение, транспортиране и последваща обработка и употреба. Добавянето на добавки може да подобри производителността на обработка, термичната стабилност и устойчивостта на полипропилена на атмосферни влияния, както и да удължи експлоатационния живот на продукта.

3. Технология за класификация и модифициране на полипропилен

Съществуват различни методи за класификация на полипропилена, който може да бъде разделен на хомополимер полипропилен (ПП-H), блоков съполимер полипропилен (ПП-B) и произволен съполимер полипропилен (ПП-R) според метода на полимеризация. Според приложенията си, полипропиленът може да бъде разделен на общ клас, инженерен клас, филмов клас, влакнест клас и др. Различните видове полипропилен имат различни свойства и са подходящи за различни сценарии.

Хомополимерният полипропилен се полимеризира само от пропиленов мономер, с висока кристалност, добра твърдост, висока якост, но лоша жилавост и е склонен към крехкост при ниски температури. Използва се главно в производството на шприцвани продукти, като пластмасови саксии, кофи, играчки и др. Блоков съполимерният полипропилен се образува чрез полимеризация на пропилен и малко количество етилен, за да се образува блокова структура. Въвеждането на етилен увеличава гъвкавостта на молекулната верига, като значително подобрява ударната жилавост на полипропилена, особено неговите нискотемпературни характеристики на удар. Подходящ е за производство на продукти с високи изисквания за жилавост, като автомобилни брони и корпуси на домакински уреди. Случайната съполимеризация на полипропилен се образува чрез случайна съполимеризация на пропилен и етилен, като етиленовите единици са разпределени произволно в молекулната верига, което намалява кристалността и придава на полипропилена добра прозрачност и гъвкавост. Често се използва в производството на фолиа за опаковане на храни, медицински изделия, тръби и др.

За по-нататъшно разширяване на свойствата на полипропилена, технологията за модифициране се е превърнала в ключово средство. Често срещани методи за модифициране включват модифициране на пълнежа, модифициране на армировката, модифициране на закаляването, модифициране на забавяне на горенето, модифициране на прозрачността и др.

Модификацията на пълнежа се постига чрез добавяне на неорганични пълнители като калциев карбонат, талк на прах и слюда на прах, за да се намалят разходите, като същевременно се подобри твърдостта, устойчивостта на топлина и размерната стабилност на полипропилена. Например, полипропилен с добавен талк на прах може да се използва за направата на автомобилни арматурни панели, които имат добра устойчивост на топлина и свиване. Подобрената модификация използва материали като стъклени влакна и въглеродни влакна, за да подобри значително механичните свойства на полипропилена, като якост на опън, якост на огъване и удароустойчивост. Модифицираният подобрен полипропилен може да замени някои инженерни пластмаси и се използва за компоненти на автомобилни двигатели, електронни и електрически корпуси и др.

Модификацията за закаляване подобрява здравината на полипропилена, особено при ниски температури, чрез добавяне на еластомери като етиленпропиленов каучук и ПОЕ. Еластичните частици образуват диспергирана фаза в полипропиленова матрица, която може да абсорбира енергията на удара, да предотвратява разпространението на пукнатини и да поддържа добра здравина на модифицирания полипропилен при ниски температури, което го прави подходящ за продукти за външна употреба в студени региони. Модификацията за забавяне на горенето се постига чрез добавяне на забавители на горенето (като забавители на горенето на базата на бром и фосфор) или чрез използване на технология за съполимеризация на забавители на горенето, за да се придадат на полипропилена свойства на забавяне на горенето, отговарящи на изискванията за предотвратяване на пожари в области като електрониката и строителството.

Модификацията на прозрачността има за цел да се справи с лошата прозрачност на обикновения полипропилен чрез добавяне на нуклеиращи агенти (като сорбитолни нуклеиращи агенти), за да се рафинират кристалните частици, да се намали разсейването на светлината и да се подобри прозрачността и блясъкът на полипропилена. Прозрачният полипропилен се използва широко в области като опаковане на храни и медицински изделия.

4. Области на приложение на полипропилена

Полипропиленът, с отличните си всеобхватни характеристики и разнообразни модифицирани продукти, се използва широко в много области като опаковане, автомобили, домакински уреди, медицински грижи, селско стопанство и строителство, превръщайки се в незаменим материал в съвременното общество.

В областта на опаковането, полипропиленът е един от най-важните опаковъчни материали. Полипропиленът с филмово качество може да се използва като раздуто фолио, кастинг фолио, с добра прозрачност, устойчивост на влага и механична якост, използвано за опаковане на храни (като торбички за закуски, торбички за съхранение на пресни продукти), опаковки за стоки от първа необходимост и др.; Биаксиално ориентираното полипропиленово (БОПП) фолио има висока якост и добър гланц и може да се използва за луксозни опаковки и композитни фолиа. Полипропиленът с инжекционно качество се използва за направата на кутии за хранителни стоки, капачки за бутилки за напитки, бутилки за козметични опаковки и др. Неговата химическа устойчивост и хигиена отговарят на стандартите за материали за контакт с храни.

Автомобилната индустрия е важна област на приложение на полипропилена и с развитието на тенденцията за олекотяване на автомобилите, количеството полипропилен, използван в автомобилите, продължава да се увеличава. Блок съполимерният полипропилен се използва в производството на автомобилни брони, арматурни панели, панели на вратите и други компоненти, благодарение на добрата си здравина и устойчивост на удар. Подсиленият полипропилен може да замести металните материали в производството на капаци на двигатели, компоненти на шасита и др., намалявайки теглото на автомобила и разхода на гориво. Приложението на полипропилен в автомобилите не само намалява производствените разходи, но и подобрява безопасността и комфорта на автомобилите.

В областта на домакинските уреди, полипропиленът често се използва за направата на компоненти като облицовки за перални машини, чекмеджета за хладилници и корпуси за климатици. Неговата отлична устойчивост на корозия, устойчивост на топлина и размерна стабилност могат да отговорят на дългосрочните нужди на домакинските уреди; Модифицираният полипропилен може също да има огнеупорни, антистатични и други свойства, гарантиращи безопасността на употребата на домакински уреди.

Медицинската област има изключително високи изисквания за хигиена и безопасност на материалите. Случайният съполимер полипропилен се е превърнал в идеален материал за медицински изделия поради добрата си прозрачност, устойчивост на дезинфекция с пара и отлична химическа стабилност. Може да се използва за направата на спринцовки, инфузионни комплекти, корпуси за медицински изделия и др. Полипропиленовите продукти могат да се стерилизират с високотемпературна пара, да се използват повторно и да намалят медицинските разходи.

В областта на селското стопанство полипропиленът също се използва широко. Полипропиленовото фолио може да се използва за производство на селскостопанско фолио за оранжерии и пластмасово фолио, с добри прозрачни и изолационни свойства, което може да насърчи растежа на културите; Полипропиленовите влакна могат да се използват за направата на риболовни мрежи, мрежи за слънцезащита, торби за опаковане на култури и др. Неговата устойчивост на атмосферни влияния и здравина отговарят на нуждите на селскостопанското производство.

Освен това, полипропиленът се използва в строителната индустрия за производство на тръби, листове, хидроизолационни мембрани и др.; В текстилната промишленост полипропиленовите влакна (ПП) могат да се използват за направата на дрехи, килими, филтърни тъкани и др. Те имат предимствата да са леки, устойчиви на износване и лесни за пране.

5. Тенденции за опазване на околната среда и развитие на полипропилена

Като полимерен материал, екологичността на полипропилена винаги е била във фокуса на вниманието на индустрията. В сравнение с други пластмаси, полипропиленът има много екологични предимства: в производствения процес консумацията на енергия е сравнително ниска, а емисиите на въглерод са по-ниски от пластмаси като полиетилен и поливинилхлорид; продуктите от полипропилен са леки и могат да намалят консумацията на енергия и емисиите на въглерод по време на транспортиране; Най-важното е, че полипропиленът има добра рециклируемост и може да се рециклира чрез технологии като физическо и химическо рециклиране.

Физическото рециклиране в момента е основният метод за рециклиране на полипропилен, който включва сортиране, почистване, раздробяване, топене и гранулиране на отпадъчни полипропиленови продукти преди повторната им употреба за производство на продукти с по-ниски изисквания за производителност, като пластмасови палети, кофи за боклук и др. Химическото рециклиране използва технологии като пиролиза и хидролиза за разлагане на полипропилена на нискомолекулни съединения, които могат да бъдат използвани повторно като суровини за производството на пропиленови мономери или други химикали, постигайки затворен цикъл на циркулация. С напредването на технологиите за рециклиране, производителността на рециклирания полипропилен продължава да се подобрява и може да се използва в области с голямо търсене, като например опаковане на храни.

Изследванията и индустриализацията на биобазирания полипропилен са важна насока за зеленото развитие на полипропилена. Биобазираният полипропилен, произведен от биомаса, може да намали въглеродните емисии и зависимостта от изкопаеми ресурси през целия си жизнен цикъл. Понастоящем множество предприятия са постигнали промишлено производство на биобазиран полипропилен, чиито характеристики са сравними с тези на традиционния полипропилен, което осигурява нов път за устойчиво развитие на полипропилена.

В бъдеще развитието на полипропилена ще представи следните тенденции: първо, висока производителност, чрез прецизно регулиране на молекулярната структура и усъвършенствана технология за модификация, ще бъде разработен полипропилен с по-висока якост, жилавост и устойчивост на топлина, разширявайки приложенията му в областта на инженерството; второто е функционализация, разработване на полипропилен със специални функции като антибактериални, проводими, топлопроводими и самовъзстановяващи се полипропилен, за да се отговори на нуждите на нововъзникващите области; третото е екологизиране, насърчаване на модернизирането на технологиите за заместване и рециклиране на био суровини и изграждане на кръгова система от производство, потребление, рециклиране, регенерация; четвъртото е интелигентност, комбинирана с усъвършенствани производствени технологии като 3D печат, за постигане на персонализирано персонализиране и ефективно производство на полипропиленови продукти.

Полипропиленът, като високоефективен и широко използван полимерен материал, играе важна роля за насърчаване на индустриалното развитие и подобряване на качеството на живот. С непрекъснатото развитие на технологиите, полипропиленът ще продължи да се развива в по-екологична, високоефективна и функционална посока, като същевременно запазва традиционните си предимства, допринасяйки за устойчивото развитие и постигането на целта за двоен въглероден диоксид (ддддххх).