Chemia - substancje chemiczne

Polipropylen

październik 20th, 2006

Polipropylen jest to polimer z grupy poliolefin, który zbudowany jest z merów o wzorze: -[-CH2CH(CH3)-]-. Otrzymuje się go w wyniku niskociśnieniowej polimeryzacji propylenu. Polipropylen jest jednym z dwóch (obok polietylenów) najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych. Na przedmiotach produkowanych z tego tworzywa umieszcza się zwykle symbol PP.

Polipropylen PP jest węglowodorowym polimerem termoplastycznym, tzn. daje się wprowadzić w stan ciekły pod wpływem zwiększenia temperatury, oraz z powrotem zestalić po jej obniżeniu bez zmian własności chemicznych.

Sposób otrzymywania

PP otrzymuje się w wyniku polimeryzacji propenu (zwanego popularnie propylenem, CH2=CHCH3), który jest otrzymywany z ropy naftowej. Współcześnie większość polipropylenu produkuje się w procesie Zieglera-Natty, w fazie gazowej z użyciem katalizatorów związków metaloorganicznych zawieszanych na specjalnych podłożach.

Polimeryzację PP prowadzi się najczęściej w roztworze, w temperaturze od 50 do 100 °C, która trwa od 0,5 do 10 h. Jako rozpuszczalniki w procesie polimeryzacji stosuje się nasycone alkany, jak np. heksan i n–heptan. W tych układach wytrąca się powstający izotaktyczny polipropylen, natomiast polimer ataktyczny pozostaje w roztworze. Katalizator stosuje się w roztworze lub zawiesinie.

Ze względu na to, że jeden z atomów węgla w każdym merze polipropylenu jest centrum chiralności, polipropylen występuje w trzech podstawowych formach steroizomerycznych, które różnią się położeniem bocznych grup -CH3 (metylowych) w przestrzeni względem swoich sąsiadów. W zależności od warunków polimeryzacji i rodzaju katalizatora można otrzymywać następujące odmiany polimeru:

* PP ataktyczny - w którym konfiguracja absolutna centrów chiralnoÅ›ci jest przypadkowa, co powoduje, że niezbyt precyzyjnie mówiÄ…c boczne grupy metylowe znajdujÄ… siÄ™ losowo raz “nad” Å‚aÅ„cuchem polimeru a raz “pod” (zobacz rysunek z prawej strony).
* PP izotaktyczny - w którym koonfiguracja wszystkich centrów chiralnoÅ›ci jest jednakowa, co powoduje że wszystkie grupy metylowe znajdujÄ… siÄ™ po “jednej stronie” Å‚aÅ„cucha polimeru
* PP syndiotaktyczny - w którym konfiguracja centrów chiralności jest ściśle naprzemienna, czego skutkiem jest też ścisła naprzemienność umiejscowienia bocznych grup metylowych.

PP ataktyczny ma bardzo słabe własności mechaniczne i praktycznie nie jest stosowany jako materiał konstrukcyjny. PP izotaktyczny posiada najlepsze własności mechaniczne i jednocześnie najwyższą spośród wszystkich form PP temperaturę mięknięcia. PP izotaktyczny jest tworzywem termoplastycznym (przetwarzanym przez wtrysk i tłoczenie), który stosuje się m.in do produkcji rur, naczyń, zabawek, opakowań, folii itp.) Olbrzymia większość PP stosowanego w praktyce to właśnie jego forma izotaktyczna.

W stosunku do polietylenu, PP izotaktyczny jest sztywniejszy i bardziej odporny na zginanie i rozrywanie i jednocześnie nieco łatwiej się go przetwarza. Jest on jednak też nieco droższy w produkcji. Jego wadą w stosunku do polietylenu jest mniejsza odporność chemiczna. Polietylen jest niemal całkowicie nierozpuszczalny.

PP syndiotaktyczny - ma słabsze własności mechaniczne, ale posiada jednocześnie niższą temperaturę mięknięcia. Stosuje się go czasami do produkcji przedmiotów o bardzo złożonym kształcie, które nie są poddawane zbyt dużym obciążeniom mechanicznym (np: elementy zabawek).

Jeśli polimeryzacja jest przeprowadzona w niskiej temperaturze (od -50 do -35 °C) w obecności katalizatorów Friedela–Craftsa, to otrzymuje się PP bezpostaciowy (amorficzny) o ciężarze cząsteczkowym od 1000 do 10 000, jeżeli natomiast zastosuje się katalizatory typu Zieglera-Natty otrzymuje się PP izotaktyczny, który ma średni ciężar cząsteczkowy od 50 000 do 100 000, a w przypadku gatunków włóknotwórczych - niekiedy do 1 000 000. Na właściwości polimeru decydujący wpływ ma taktyczność (frakcja izo–, syndio– lub ataktyczna) oraz krystaliczność i ciężar cząsteczkowy.

Produkcja przemysłowa

Pierwszy proces przemysłowy produkcji PP izotaktycznego został uruchomiony w 1957 roku we Włoszech. Obecnie wyżej opisane procesy stosują różne firmy i każdy z nich ma wiele różnic technologicznych.

W Polsce PP produkuje się głównie poprzez wykorzystanie katalizatorów typu Zieglera–Natty (Petrochemia Płock). Syntezę katalizatora prowadzi się w oddzielnym węźle przygotowania katalizatora. Polimeryzację prowadzi się w czterech reaktorach pracujących szeregowo o malejącym rozkładzie ciśnień. Jako rozpuszczalnika używa się heksanu, a propylen jest oczyszczony powyżej 99,7 %. Katalizator w postaci roztworu w heksanie dozuje się do pierwszego reaktora, skąd przechodzi do następnych. Polimeryzacja zachodzi w temperaturze około 60 °C pod ciśnieniem przekraczającym 1 MPa.

Masowy wskaźnik szybkości płynięcia polimeru ustala się za pomocą ilości wodoru dozowanego do reaktora. Wyprodukowana zawiesinę polipropylenu zadaje się metanolem w celu dezaktywacji katalizatora. Następnie przemywa się tę zawiesinę wodą w celu usunięcia katalizatora, który na tym etapie procesu jest w fazie metanolowo-wodnej. Oddzieloną zawiesinę polimeru w heksanie poddaje się odwirowaniu. Uzyskany polipropylen izotaktyczny suszy się w suszarce transportowej i fluidalnej za pomocą gorącego azotu. Suchy proszek polimeru jest transportowany pneumatycznie azotem do miejsca granulacji, dodaje się stabilizatory i inne składniki dodatkowe oraz poddaje wytłaczaniu z granulowaniem. Otrzymany granulat jest produktem handlowym, który w zależności od gatunku można wtryskiwać lub wytłaczać.

Nowsze instalacje z bardzo aktywnymi katalizatorami umożliwiają uproszczenie technologii wytwarzania polipropylenu, głównie poprzez wyeliminowanie procesu mycia. Eliminuje to potrzebę oczyszczania ścieków oraz zmniejsza zużycie pary technologicznej.

Inne metody wytwarzania polipropylenu to polimeryzacja w ciekłym monomerze (w masie) oraz w fazie gazowej. Są to metody nowsze i zarazem bardziej ekonomiczne. Polimeryzację prowadzi się w temperaturze od 55 do 80 °C pod ciśnieniem od 2,7 do 3,0 MPa. Stężenie monomeru jest kilkakrotnie większe niż podczas polimeryzacji w roztworze, co umożliwia zmniejszenie stężenia katalizatora i mniejsze objętości reaktorów. Stopień krystalizacji otrzymanego polipropylenu wynosi około 95 %.

Entry Filed under: Tworzywa