Polipropylen

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Polipropylen
Polipropylen
model 3D łańcucha polimeru
model 3D łańcucha polimeru
Ogólne informacje
Monomery CH2=CH(CH3)
Struktura meru -[CH2CH(CH3)]-
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
stanu standardowego (25 °C, 1000 hPa)
Commons Multimedia w Wikimedia Commons
Zamknięcie pojemnika Tic Taców z polipropylenu

Polipropylenpolimer 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 polietylenu, najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych. Na przedmiotach produkowanych z tego tworzywa umieszcza się zwykle symbol PP.

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

Sposób otrzymywania[edytuj | edytuj kod]

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.

Propylen ataktyczny (o strukturze nieuporządkowanej, czerwony – węgiel, niebieski – wodór)
Propylen izotaktyczny
Propylen syndiotaktyczny

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 chiralności jest przypadkowa, co powoduje, że, niezbyt precyzyjnie mówiąc, boczne grupy metylowe znajdują się losowo, raz "nad" łańcuchem polimeru, a raz "pod" (zobacz rysunek z prawej strony).
  • PP izotaktyczny – w którym konfiguracja wszystkich centrów chiralności jest jednakowa, co powoduje że wszystkie grupy metylowe znajdują się po "jednej stronie" łańcucha 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 to 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[edytuj | edytuj kod]

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 produkcją PP zajmuje się np. Basell ORLEN Polyolefins, jedna ze spółek PKN Orlen.

W Polsce PP produkuje się głównie poprzez wykorzystanie katalizatorów typu Zieglera-Natty. 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. Wyprodukowaną 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%.

Przetwarzanie i obróbka[edytuj | edytuj kod]

Produkcja gotowych wyrobów z granulatu odbywa się w zasadzie na drodze dwóch procesów: wtryskiwania i wytłaczania.

Metodą wtryskiwania mogą być wytwarzane z PP elementy cienkościenne, o skomplikowanych kształtach i dużych powierzchniach. Tą metodą wytwarza się wiele artykułów gospodarstwa domowego, takich jak skrzynki transportowe, pojemniki, różne opakowania itp. Elementy wtryskiwane charakteryzują się dużą sztywnością i dobrym połyskiem.

Metodą wytłaczania wytwarza się między innymi: rury, izolacje rur stalowych, izolacje przewodów elektrycznych, płyty, różne profile, folie, włókna. Folie otrzymuje się głównie metodą wytłaczania przez dyszę szczelinową i rozciągania oraz wytłaczania z rozdmuchiwaniem swobodnym. Folie są powszechnie stosowane jako materiał opakowaniowy, w tym również produktów spożywczych.

Zużyte wytwory z polipropylenu, jak np. worki, opakowania, liny itp., mogą być, po oczyszczeniu i wykonaniu granulatu, wykorzystywane do dalszego przetwórstwa. Granulat wykonuje się w obecności plastyfikatora, który nie powoduje zauważalnych zmian właściwości mechanicznych. Niemniej jednak, tworzyw uzyskanych z odpadów poużytkowych nie można wykorzystywać do produkcji opakowań środków spożywczych i do produkcji zabawek z uwagi na możliwą śladową toksyczność takich produktów.

Zakresy temperatur używane podczas wtryskiwania polipropylenu

PP stosuje się też do nakładania powłok metodą fluidyzacji i natrysku płomieniowego. Często wykorzystuje się go do produkcji włókien, głównie metodą przędzenia. Służy także do wytwarzania materiałów porowatych (spienionych), które są dobrym materiałem izolującym termicznie. Wytwory porowate można uzyskać głównie metodą wytłaczania lub wtryskiwania, przy czym w procesie "porowania" używa się poroforu. Poroforem jest na ogół środek chemiczny, który rozkłada się podczas procesu spieniania wytwarzając gaz. Środki te dozuje się bezpośrednio do układu zasypowego maszyn przetwórczych w postaci proszku, granulatów lub substancji płynnych. W rezultacie tego procesu otrzymuje się produkt o mniejszej gęstości, co powoduje zmniejszenie zużycia polimeru. Ponadto, uzyskuje się poprawienie własności tłumiących hałas, zmniejszenie skurczu przetwórczego, zwiększenie sztywności, ale z kolei pogorszenie wytrzymałości mechanicznej. Porofor jest dodawany w ilości do 2,0% (przy 2% dodatku poroforu następuje ~25% zmniejszenie gęstości polipropylenu).

Temperatura granulatu używanego do procesu to w zasadzie temperatura otoczenia. Temperatura wtryskiwania wynosi 220–300 °C, a temperatura formy powinna wynosić od 20 do 80 °C. Stosować należy dość wysokie ciśnienie wtryskiwania, w granicach od 100 do 180 MPa. Zaleca się przy tym stosować długi czas docisku, nawet do 50% czasu wtryskiwania, aby uniknąć zapadnięć, a ciśnienie powinno wynosić od 40 do 80% ciśnienia wtryskiwania.

Właściwości i zastosowanie[edytuj | edytuj kod]

PP jest tworzywem o najmniejszej gęstości spośród stosowanych szeroko polimerów. Wykazuje on dużą odporność chemiczną, zwłaszcza w temperaturze pokojowej, w której jest prawie całkowicie odporny na działanie kwasów, zasad i soli oraz rozpuszczalników organicznych. Jedynie silne utleniacze, jak dymiący kwas siarkowy lub azotowy, zasady bielące oraz ciecze niepolarne (benzen, czterochlorek węgla, chlorek metylu) atakują go w tej temperaturze. Długotrwały kontakt z miedzią także działa niszcząco na PP, dlatego do trwałych połączeń PP-miedź należy stosować łączniki z mosiądzu.

Dyfuzja tlenu w rurach z PP, stosowanych w instalacjach, występuje przy temperaturze powyżej 60 °C.

W podwyższonych temperaturach, PP rozpuszcza się w węglowodorach aromatycznych (np. benzen), estrach i ketonach. Charakteryzuje się dobrą przepuszczalnością powietrza oraz niewielką przepuszczalnością pary. Jest materiałem obojętnym fizjologicznie oraz łatwym do przetwórstwa, ale należy unikać przekroczenia temperatury 270 °C, ponieważ powyżej następuje szybki proces degradacji (rozpadania się cząstek) polimeru. W tym celu producenci dodają odpowiednie środki poprawiające także tę niedogodność.

PP jest materiałem palnym, bezbarwnym, bezwonnym i niewrażliwym na działanie wody (absorpcja wody wynosi od 0,01 do 0,03%). Jest on materiałem masowego użytku i dość dobrym materiałem konstrukcyjnym, zwłaszcza z dodatkiem napełniaczy włóknistych. W tym przypadku, na ogół niektóre właściwości uzyskanego materiału ulegają poprawie w stosunku do czystego PP.

PP i jego kompozyty przetwarza się głównie metodami wtryskiwania, wytłaczania, wytłaczania z rozdmuchiwaniem, formowania próżniowego i termoformowania. Elementy i wytwory z tego tworzywa można spawać i zgrzewać oraz metalizować i drukować.

PP i jego kompozyty, podobnie jak inne tworzywa wielkocząsteczkowe, wykazują również wady. Ważniejsze z nich to niezadowalające niektóre własności w porównaniu z materiałami metalowymi, a zwłaszcza zbyt mała temperatura użytkowania. Wytwory z PP mogą być użytkowane w temperaturze −5 do +100 °C. Kopolimery propylenowo-etylenowe mogą pracować w niższych temperaturach. Ponadto PP jest mało odporny na działanie tlenu (konieczność stosowania przeciwutleniaczy) oraz promieniowania ultrafioletowego (konieczność stosowania stabilizatorów).

Właściwość Jednostka Zakres wartości
Gęstość kg/m³ od 900 do 910
Temperatura topnienia krystalitów °C od 160 do 170
Temperatura zeszklenia °C od −25 do −35
Temperatura mięknienia (Vicata) °C od 120 do 155
Wytrzymałość na rozciąganie MPa od 20 do 38
Moduł Younga MPa od 1500 do 2500
Wydłużenie przy zerwaniu % od 400 do 700
Wytrzymałość na ściskanie MPa od 70 do 100
Wytrzymałość na zginanie MPa od 40 do 60
Udarność bez karbu metodą Charpy kJ/m² nie pęka
Twardość N/mm² od 25 do 50
Rezystywność skrośna Ω·m od 1017 do 1019
Względna przenikalność elektryczna (wartość bezwymiarowa) 2,1
Współczynnik strat dielektrycznych tgδ (przy 50 Hz) (wartość bezwymiarowa) od 0,0003 do 0,002
Wskaźnik tlenowy % od 17,0 do 18,0
Ciepło spalania MJ/kg 46,5
Pojemność cieplna właściwa J/(kg·K) 1700
Współczynnik przewodzenia ciepła W/(m·K) od 0,30 do 0,40
Współczynnik rozszerzalności liniowej K -1 1,8
Chłonność wody po 24 h % 0,03

Główne zastosowania PP są następujące:

  • przemysł chemiczny i farmaceutyczny: przewody do wody i cieczy agresywnych, zbiorniki, wykładziny, naczynia laboratoryjne, tkaniny filtracyjne, sprzęt medyczny, naczynia dla chorych, strzykawki jednorazowego użytku, opakowania leków itp.;
  • przemysł włókienniczy: oprzyrządowanie narażone na działanie chemikaliów (cewki, skrętarki, snowarki), zbiorniki do aparatów barwiących, włókna, dywany, tkaniny techniczne itp.; włókna polipropylenowe stanowią około 12% ogólnej ilości włókien syntetycznych
  • przemysł elektrotechniczny i elektroniczny: obudowy i części różnych produktów tego przemysłu, izolacje, w tym kabli i przewodów
  • przemysł samochodowy: wiele elementów samochodów, jak np. zderzaki, przednie części karoserii oraz elementy wyposażenia wnętrza
  • budownictwo i meblarstwo: izolacje piankowe, wykładziny, polepszanie właściwości mechanicznych konstrukcji betonowych, wyposażenie łazienek, sprzęt pralniczy, przewody gazowe i centralnego ogrzewania oraz klimatyzacji, niektóre meble i ich elementy
  • przemysł spożywczy i opakowania: wykładziny cystern do mleka, napełniane na gorąco puszki, słoje i butelki, pojemniki i różne opakowania, w tym również z folii
  • artykuły gospodarstwa domowego i zabawki.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  1. J. Koszkul, Polipropylen i jego kompozyty, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, 1999
  2. J. Nowacki, Materiały kompozytowe, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 1993
  3. R. Sikora, Tworzywa wielkocząsteczkowe. Rodzaje i własności, WNT, Warszawa, 1982