polipropilen

Polipropilenske surovine: polimerni materiali z značilnostmi, proizvodnjo in raznoliko uporabo

Polipropilen (PP) je termoplastična smola, izdelana s polimerizacijo propilenskih monomerov. Kot ena od petih univerzalnih plastik je od začetka industrijske proizvodnje v petdesetih letih prejšnjega stoletja zaradi odlične celovite učinkovitosti, bogatih virov surovin in nizkih stroškov postal nepogrešljiv polimerni material v sodobni industriji in vsakdanjem življenju. Od embalaže za živila do avtomobilskih komponent, od medicinskih pripomočkov do gradbenih materialov je polipropilen vseprisoten, njegov razvoj pa je priča tehnološkemu napredku in inovacijam v industriji polimernih materialov.

1. Molekularna struktura in osnovne značilnosti polipropilena

Molekularna struktura polipropilena je ključni dejavnik, ki določa njegove lastnosti. Z vidika kemijske strukture je polipropilen linearna polimerna veriga, ki nastane z adicijsko polimerizacijo propilenskega monomera (CH₂=CH-CH∝), kjer je ponavljajoča se enota -CH₂-CH(CH∝)-. Glede na prostorsko razporeditev metilnih skupin (-CH3) v molekularni verigi lahko polipropilen razdelimo na tri stereoizomere: izotaktični polipropilen, sindiotaktični polipropilen in naključni polipropilen. Med njimi je izotaktični polipropilen zaradi svoje odlične zmogljivosti postal glavni izdelek v industrijski proizvodnji.

V molekularni verigi izotaktične polipropilene so metilne skupine lepo razporejene na isti strani glavne verige in tvorijo visoko urejeno kristalno strukturo, kar mu daje vrsto odličnih lastnosti. Prvič, polipropilen ima visoko tališče, običajno med 160 in 170 ℃, kar je veliko višje od polietilena (PE). Zato lahko ohranja strukturno stabilnost pri višjih temperaturah in je primeren za izdelavo toplotno odpornih izdelkov, kot so namizni pribor za mikrovalovno pečico in cevi za toplo vodo. Drugič, gostota polipropilena je relativno nizka, približno 0,90–0,91 g/cm³, zaradi česar je ena od vrst z najnižjo gostoto med obstoječimi plastikami. Zaradi tega so izdelki iz njega lahki, kar zmanjšuje stroške prevoza in porabo materiala.

Kar zadeva mehanske lastnosti, ima polipropilen dobro togost in trdnost, z natezno trdnostjo 20–40 MPa, zmerno upogibno trdnostjo in udarno trdnostjo, kar lahko izpolni zahteve večine konstrukcijskih komponent. Hkrati ima polipropilen odlično kemijsko stabilnost in dobro korozijsko odpornost na kemikalije, kot so kisline, baze in soli. Je netopen v večini organskih topil in ga lahko korodirajo le močni oksidanti pri visokih temperaturah. Zato je primeren za izdelavo izdelkov, odpornih proti koroziji, kot so cevovodi za kemikalije in rezervoarji za shranjevanje.

Polipropilen ima tudi odlične zmogljivosti predelave s širokim razponom hitrosti pretoka taline in se lahko proizvaja v različne oblike izdelkov z različnimi tehnikami predelave, kot so brizganje, ekstruzija, pihanje in vlečenje žice. Med predelavo ima polipropilen dobro tekočnost in kratek cikel oblikovanja, kar lahko izboljša učinkovitost proizvodnje in zmanjša stroške predelave. Poleg tega ima polipropilen dobre električne izolacijske lastnosti in odpornost na vremenske vplive. Po ustrezni modifikaciji ima lahko tudi UV odpornost, odpornost proti staranju in druge lastnosti, kar še dodatno širi njegov obseg uporabe.

2. Proizvodni proces in viri surovin za polipropilen

Industrijska proizvodnja polipropilena uporablja predvsem propilen kot surovino, njegov proizvodni proces pa je doživel več kot pol stoletja razvoja in oblikoval več zrelih tehničnih poti. Bistvo je sprožitev reakcije polimerizacije propilenskega monomera s pomočjo katalizatorjev.

Glavna vira surovin za propilen sta rafiniranje nafte in predelava zemeljskega plina. Pri rafiniranju nafte se lahko velika količina propilena proizvede s krekingom nafte; pri predelavi zemeljskega plina se lahko propilen proizvede tudi z dehidrogenacijo etana in propana. Z naraščajočo ozaveščenostjo o varstvu okolja so raziskave in razvoj biološko zasnovanega propilena postali nov trend. Obnovljive surovine za propilen se lahko proizvajajo s tehnologijami, kot je fermentacija biomase, kar omogoča zeleno proizvodnjo polipropilena.

Postopek polimerizacije polipropilena se v glavnem deli na štiri vrste: polimerizacijo v raztopini, polimerizacijo v razsutem stanju, suspenzijsko polimerizacijo in polimerizacijo v plinski fazi. Med njimi sta postopek polimerizacije v plinski fazi in kombinirane polimerizacije v razsutem stanju postala glavna tehnologija zaradi preprostega postopka, nizke porabe energije in dobre okolju prijaznosti.

Postopek polimerizacije v plinski fazi je polimerizacijska reakcija, ki se izvaja v plinsko-faznem reaktorju z uporabo propilena kot monomera pod delovanjem katalizatorja. Ta postopek ne zahteva topil, čistost produkta je visoka, nadaljnji koraki ločevanja pa so preprosti, kar lahko znatno zmanjša porabo energije in onesnaževanje. Med pogoste katalizatorje spadajo Ziegler-Natta katalizatorji, metalocenski katalizatorji in nemetalocenski katalizatorji. Ziegler-Natta katalizator je najzgodnejši industrializirani polipropilenski katalizator, z nizkimi stroški in sposobnostjo proizvodnje polipropilena z visoko izotropijo; metalocenski katalizatorji imajo večjo aktivnost in lahko natančno nadzorujejo molekularno strukturo polipropilena, kar ustvarja izdelke z bolj enakomernim delovanjem, kot sta polipropilen z visoko prosojnostjo in visoko žilavostjo; nemetalocenski katalizatorji imajo prednosti pri specifični regulaciji delovanja, kar dodatno širi razpon delovanja polipropilena.

Postopek polimerizacije v razsutem stanju vključuje polimerizacijo propilenskih monomerov v tekočem stanju z visoko viskoznim reakcijskim sistemom, ki zahteva strog nadzor reakcijske temperature in tlaka. Postopek kombiniranja v plinski fazi ontologije združuje prednosti polimerizacije ontologije in polimerizacije v plinski fazi. Najprej se v reaktorju ontologije izvede predhodna polimerizacija, nato pa se reakcija nadaljuje v reaktorju v plinski fazi. Omogoča prilagodljivo prilagajanje porazdelitve molekulske mase in sestave kopolimera polipropilena, s čimer se proizvajajo raznoliki izdelki.

Po končani polimerizacijski reakciji je treba pridobljeni polipropilenski prah granulirati, dodati stabilizatorje, antioksidante, maziva in druge dodatke, nato pa ga v ekstruzijskem granulatorju predelati v granulirane izdelke za lažje shranjevanje, transport ter nadaljnjo predelavo in uporabo. Dodatek dodatkov lahko izboljša učinkovitost predelave, toplotno stabilnost in vremensko odpornost polipropilena ter podaljša življenjsko dobo izdelka.

3. Tehnologija klasifikacije in modifikacije polipropilena

Obstajajo različne metode klasifikacije polipropilena, ki ga lahko glede na metodo polimerizacije razdelimo na homopolimerni polipropilen (PP-H), blok kopolimerni polipropilen (PP-B) in naključni kopolimerni polipropilen (PP-R); glede na njihovo uporabo lahko polipropilen razdelimo na splošni, inženirski, filmski, vlaknasti itd. Različne vrste polipropilena imajo različne lastnosti in so primerne za različne scenarije.

Homopolimer polipropilen se polimerizira iz samega monomera propilena, ima visoko kristaliničnost, dobro togost, visoko trdnost, vendar slabo žilavost in je nagnjen k krhkosti pri nizkih temperaturah. Uporablja se predvsem pri proizvodnji brizganih izdelkov, kot so plastični lonci, vedra, igrače itd. Blok kopolimer polipropilena nastane s polimerizacijo propilena in majhne količine etilena, da se tvori blokovna struktura. Uvedba etilena poveča prožnost molekularne verige, kar znatno izboljša udarno žilavost polipropilena, zlasti njegovo odpornost proti udarcem pri nizkih temperaturah. Primeren je za izdelavo izdelkov z visokimi zahtevami glede žilavosti, kot so avtomobilski odbijači in ohišja gospodinjskih aparatov. Naključna kopolimerizacija polipropilena nastane z naključno kopolimerizacijo propilena in etilena, pri čemer so etilenske enote naključno porazdeljene v molekularni verigi, kar zmanjša kristaliničnost in polipropilenu daje dobro prosojnost in prožnost. Pogosto se uporablja pri proizvodnji folij za pakiranje živil, medicinskih pripomočkov, cevi itd.

Za nadaljnjo razširitev lastnosti polipropilena je tehnologija modifikacije postala ključno sredstvo. Med pogoste metode modifikacije spadajo modifikacija polnila, modifikacija ojačitve, modifikacija kaljenja, modifikacija zaviranja gorenja, modifikacija prosojnosti itd.

Modifikacija polnila se doseže z dodajanjem anorganskih polnil, kot so kalcijev karbonat, smukec v prahu in sljuda v prahu, da se zmanjšajo stroški, hkrati pa se izboljša togost, toplotna odpornost in dimenzijska stabilnost polipropilena. Na primer, polipropilen z dodatkom smukca v prahu se lahko uporablja za izdelavo avtomobilskih instrumentnih plošč, ki imajo dobro toplotno odpornost in odpornost proti krčenju. Izboljšana modifikacija uporablja materiale, kot so steklena vlakna in ogljikova vlakna, za znatno izboljšanje mehanskih lastnosti polipropilena, kot so natezna trdnost, upogibna trdnost in udarna trdnost. Modificiran izboljšan polipropilen lahko nadomesti nekatere inženirske plastike in se uporablja za komponente avtomobilskih motorjev, elektronska in električna ohišja itd.

Modifikacija z učvrstitvijo izboljša žilavost polipropilena, zlasti pri nizkih temperaturah, z dodajanjem elastomerov, kot sta etilen propilenski kavčuk in POE. Elastični delci tvorijo dispergirano fazo v polipropilenski matrici, ki lahko absorbira energijo udarca, prepreči širjenje razpok in ohrani dobro žilavost modificiranega polipropilena pri nizkih temperaturah, zaradi česar je primeren za zunanje izdelke v hladnih območjih. Modifikacija z zaviranjem gorenja se doseže z dodajanjem zaviralcev gorenja (kot so zaviralci gorenja na osnovi broma in fosforja) ali z uporabo tehnologije kopolimerizacije zaviralcev gorenja, s katero se polipropilenu dodajo lastnosti zaviranja gorenja, kar izpolnjuje zahteve glede požarne varnosti na področjih, kot sta elektronika in gradbeništvo.

Namen modifikacije prozornega polipropilena je odpraviti slabo prozornost navadnega polipropilena z dodajanjem nukleacijskih sredstev (kot so sorbitolna nukleacijska sredstva) za prečiščevanje kristalnih delcev, zmanjšanje sipanja svetlobe ter izboljšanje prozornosti in sijaja polipropilena. Prozorni polipropilen se pogosto uporablja na področjih, kot so embalaža za živila in medicinski pripomočki.

4. Področja uporabe polipropilena

Polipropilen se s svojo odlično celovito zmogljivostjo in raznolikimi modificiranimi izdelki pogosto uporablja na številnih področjih, kot so embalaža, avtomobili, gospodinjski aparati, zdravstvena oskrba, kmetijstvo in gradbeništvo, ter je postal nepogrešljiv material v sodobni družbi.

Na področju embalaže je polipropilen eden najpomembnejših embalažnih materialov. Polipropilen filmske kakovosti se lahko predela v pihano folijo, lito folijo, ki ima dobro prosojnost, odpornost proti vlagi in mehansko trdnost ter se uporablja za embalažo živil (kot so vrečke za prigrizke, vrečke za shranjevanje svežih živil), embalažo za vsakodnevne potrebščine itd.; Biaksialno orientirana polipropilenska (BOPP) folija ima visoko trdnost in dober sijaj ter se lahko uporablja za vrhunsko embalažo in kompozitne folije. Polipropilen brizgane kakovosti se uporablja za izdelavo škatel za obračanje živil, pokrovčkov za steklenice pijač, steklenic za kozmetično embalažo itd. Njegova kemična odpornost in higiena ustrezata standardom za materiale, ki so v stiku z živili.

Avtomobilska industrija je pomembno področje uporabe polipropilena in z napredkom trenda zmanjševanja teže avtomobilov se količina polipropilena, ki se uporablja v avtomobilih, še naprej povečuje. Blok kopolimer polipropilena se zaradi dobre žilavosti in odpornosti na udarce uporablja pri proizvodnji avtomobilskih odbijačev, armaturnih plošč, vratnih oblog in drugih komponent; ojačan polipropilen lahko nadomesti kovinske materiale pri proizvodnji pokrovov motorja, komponent šasije itd., kar zmanjša težo avtomobila in porabo goriva. Uporaba polipropilena v avtomobilih ne le zmanjšuje proizvodne stroške, temveč tudi izboljšuje varnost in udobje avtomobilov.

Na področju gospodinjskih aparatov se polipropilen pogosto uporablja za izdelavo komponent, kot so obloge pralnih strojev, predali hladilnikov in ohišja klimatskih naprav. Njegova odlična odpornost proti koroziji, toplotna odpornost in dimenzijska stabilnost lahko zadovoljijo dolgoročne potrebe gospodinjskih aparatov; modificiran polipropilen ima lahko tudi lastnosti zaviranja gorenja, antistatike in druge lastnosti, kar zagotavlja varnost uporabe gospodinjskih aparatov.

Medicinsko področje ima izjemno visoke zahteve glede higiene in varnosti materialov. Naključni kopolimer polipropilena je zaradi dobre prosojnosti, odpornosti na dezinfekcijo s paro in odlične kemijske stabilnosti postal idealen material za medicinske pripomočke. Uporablja se lahko za izdelavo brizg, infuzijskih kompletov, ohišij medicinskih pripomočkov itd. Izdelke iz polipropilena je mogoče sterilizirati z visokotemperaturno paro, ponovno uporabiti in zmanjšati stroške zdravljenja.

V kmetijstvu se polipropilen pogosto uporablja tudi v kmetijstvu. Polipropilenska folija se lahko uporablja za izdelavo kmetijske folije za rastlinjake in plastične folije, saj ima dobre prosojne in izolacijske lastnosti ter lahko spodbuja rast pridelkov; polipropilenska vlakna se lahko uporabljajo za izdelavo ribiških mrež, mrež za senčenje, vrečk za pakiranje pridelkov itd. Zaradi svoje vremenske odpornosti in trdnosti ustreza potrebam kmetijske proizvodnje.

Poleg tega se polipropilen uporablja v gradbeni industriji za proizvodnjo cevi, plošč, hidroizolacijskih membran itd. V tekstilni industriji se polipropilenska vlakna (PP) lahko uporabljajo za izdelavo oblačil, preprog, filtrirnih tkanin itd. Imajo prednosti, da so lahka, odporna proti obrabi in enostavna za pranje.

5. Trendi varstva okolja in razvoja polipropilena

Kot polimerni material je bila okoljska prijaznost polipropilena vedno v središču pozornosti industrije. V primerjavi z drugimi plastikami ima polipropilen številne okoljske prednosti: v proizvodnem procesu je poraba energije relativno nizka, emisije ogljika pa so nižje kot pri plastiki, kot sta polietilen in polivinilklorid; izdelki iz polipropilena so lahki in lahko zmanjšajo porabo energije in emisije ogljika med transportom; kar je najpomembneje, polipropilen ima dobro reciklabilnost in ga je mogoče reciklirati s tehnologijami, kot sta fizikalno in kemično recikliranje.

Fizično recikliranje je trenutno glavna metoda recikliranja polipropilena, ki vključuje sortiranje, čiščenje, drobljenje, taljenje in granuliranje odpadnih polipropilenskih izdelkov pred njihovo ponovno uporabo za proizvodnjo izdelkov z nižjimi zahtevami glede učinkovitosti, kot so plastične palete, koši za smeti itd. Kemično recikliranje uporablja tehnologije, kot sta piroliza in hidroliza, za razgradnjo polipropilena v nizkomolekularne spojine, ki jih je mogoče ponovno uporabiti kot surovine za proizvodnjo propilenskih monomerov ali drugih kemikalij, s čimer se doseže zaprta zanka kroženja. Z napredkom tehnologije recikliranja se učinkovitost recikliranega polipropilena še naprej izboljšuje in se lahko uporablja na področjih z velikim povpraševanjem, kot je embalaža za živila.

Raziskave in industrializacija biorazgradljivega polipropilena sta pomembna smer za zeleni razvoj polipropilena. Biorazgradljivi polipropilen, proizveden iz biomase, lahko zmanjša emisije ogljika in odvisnost od fosilnih virov skozi celoten življenjski cikel. Trenutno je več podjetij doseglo industrijsko proizvodnjo biorazgradljivega polipropilena, katerega zmogljivost je primerljiva s tradicionalnim polipropilenom, kar odpira novo pot za trajnostni razvoj polipropilena.

V prihodnosti bo razvoj polipropilena pokazal naslednje trende: prvič, visoka zmogljivost, s pomočjo natančne regulacije molekularne strukture in napredne tehnologije modifikacije, bo razvit polipropilen z večjo trdnostjo, žilavostjo in toplotno odpornostjo, kar bo razširilo njegovo uporabo na področju inženirstva; drugič, funkcionalizacija, razvoj polipropilena s posebnimi funkcijami, kot so antibakterijski, prevodni, toplotno prevodni in samozdravilni polipropilen, da bi zadostili potrebam nastajajočih področij; tretjič, ozelenitev, spodbujanje nadgradnje tehnologij nadomeščanja in recikliranja bioloških surovin ter izgradnja krožnega sistema proizvodnje, porabe, recikliranja, regeneracije; četrtič, inteligenca, v kombinaciji z naprednimi proizvodnimi tehnologijami, kot je 3D-tiskanje, za doseganje personalizirane prilagoditve in učinkovite proizvodnje polipropilenskih izdelkov.

Polipropilen kot visokozmogljiv in široko uporabljen polimerni material igra pomembno vlogo pri spodbujanju industrijskega razvoja in izboljševanju kakovosti življenja. Z nenehnim napredkom tehnologije se bo polipropilen še naprej razvijal v okolju prijaznejšo, visokozmogljivo in funkcionalno smer, hkrati pa bo ohranil svoje tradicionalne prednosti, kar bo prispevalo k trajnostnemu razvoju in doseganju cilja dvojne emisije ogljika.