polypropylén

Polypropylénové suroviny: polymérne materiály s vlastnosťami, výrobou a rôznymi aplikáciami

Polypropylén (PP) je termoplastická živica vyrobená polymerizáciou propylénových monomérov. Ako jeden z piatich univerzálnych plastov sa od začiatku priemyselnej výroby v 50. rokoch 20. storočia stal nevyhnutným polymérnym materiálom v modernom priemysle a každodennom živote vďaka svojmu vynikajúcemu komplexnému výkonu, bohatým zdrojom surovín a nízkym nákladom. Od obalov potravín až po automobilové komponenty, od zdravotníckych pomôcok až po stavebné materiály, polypropylén je všadeprítomný a jeho vývoj bol svedkom technologického pokroku a inovácií v priemysle polymérnych materiálov.

1. Molekulová štruktúra a základné vlastnosti polypropylénu

Molekulárna štruktúra polypropylénu je základným faktorom určujúcim jeho vlastnosti. Z hľadiska chemickej štruktúry je polypropylén lineárny polymérny reťazec vytvorený adičnou polymerizáciou propylénového monoméru (CH₂=CH-CH∝), pričom opakujúca sa jednotka je -CH₂-CH(CH∝)-. Podľa priestorového usporiadania metylových skupín (-CH3) v molekulárnom reťazci možno polypropylén rozdeliť na tri stereoizoméry: izotaktický polypropylén, syndiotaktický polypropylén a náhodný polypropylén. Spomedzi nich sa izotaktický polypropylén stal vďaka svojmu vynikajúcemu výkonu hlavným produktom v priemyselnej výrobe.

V molekulárnom reťazci izotaktického polypropylénu sú metylové skupiny úhľadne usporiadané na rovnakej strane hlavného reťazca a tvoria vysoko usporiadanú kryštalickú štruktúru, ktorá mu dáva sériu vynikajúcich vlastností. Po prvé, polypropylén má vysoký bod topenia, zvyčajne medzi 160 – 170 ℃, čo je oveľa viac ako polyetylén (PE). Preto si dokáže udržať štrukturálnu stabilitu pri vyšších teplotách a je vhodný na výrobu tepelne odolných výrobkov, ako sú riady do mikrovlnných rúr a teplovodné rúry. Po druhé, hustota polypropylénu je relatívne nízka, približne 0,90 – 0,91 g/cm³, čo z neho robí jeden z druhov s najnižšou hustotou spomedzi existujúcich plastov. Vďaka tomu sú výrobky z neho ľahké, čo znižuje náklady na dopravu a spotrebu materiálu.

Pokiaľ ide o mechanické vlastnosti, polypropylén má dobrú tuhosť a pevnosť s pevnosťou v ťahu 20 – 40 MPa, strednú pevnosť v ohybe a rázovú húževnatosť, čo spĺňa požiadavky väčšiny konštrukčných prvkov. Polypropylén má zároveň vynikajúcu chemickú stabilitu a dobrú odolnosť voči korózii voči chemikáliám, ako sú kyseliny, zásady a soli. Je nerozpustný vo väčšine organických rozpúšťadiel a koroduje iba silnými oxidačnými činidlami pri vysokých teplotách. Preto je vhodný na výrobu výrobkov odolných voči korózii, ako sú chemické potrubia a skladovacie nádrže.

Polypropylén má tiež vynikajúci spracovateľský výkon so širokým rozsahom rýchlostí toku taveniny a možno ho vyrobiť do rôznych tvarov výrobkov pomocou rôznych spracovateľských techník, ako je vstrekovanie plastov, extrúzia, vyfukovanie a ťahanie drôtu. Počas spracovania má polypropylén dobrú tekutosť a krátky cyklus tvarovania, čo môže zlepšiť efektivitu výroby a znížiť náklady na spracovanie. Okrem toho má polypropylén dobré elektrické izolačné vlastnosti a odolnosť voči poveternostným vplyvom. Po správnej úprave môže mať aj odolnosť voči UV žiareniu, starnutiu a ďalšie vlastnosti, čím sa ďalej rozširuje jeho rozsah použitia.

2. Výrobný proces a zdroje surovín z polypropylénu

Priemyselná výroba polypropylénu využíva ako surovinu hlavne propylén a jeho výrobný proces prešiel viac ako polstoročím vývoja, pričom vytvoril viacero vyspelých technických postupov. Jadrom je iniciovanie polymerizačnej reakcie propylénového monoméru pomocou katalyzátorov.

Hlavnými zdrojmi surovín propylénu sú rafinácia ropy a spracovanie zemného plynu. Pri rafinácii ropy sa veľké množstvo propylénu môže vyrobiť krakovaním nafty; pri spracovaní zemného plynu sa propylén môže vyrábať aj dehydrogenáciou etánu a propánu. S rastúcim povedomím o ochrane životného prostredia sa výskum a vývoj biopropylénu stal novým trendom. Obnoviteľné suroviny propylénu sa dajú vyrábať pomocou technológií, ako je fermentácia biomasy, čo poskytuje možnosť ekologickej výroby polypropylénu.

Polymerizačný proces polypropylénu sa delí hlavne na štyri typy: roztoková polymerizácia, objemová polymerizácia, suspenzná polymerizácia a polymerizácia v plynnej fáze. Spomedzi nich sa polymerizácia v plynnej fáze a kombinovaná polymerizácia v plynnej fáze stali hlavnými technológiami vďaka ich jednoduchému procesu, nízkej spotrebe energie a dobrej environmentálnej šetrnosti.

Proces polymerizácie v plynnej fáze je polymerizačná reakcia prebiehajúca v plynnom reaktore s použitím propylénu ako monoméru za pôsobenia katalyzátora. Tento proces nevyžaduje rozpúšťadlá, čistota produktu je vysoká a následné separačné kroky sú jednoduché, čo môže výrazne znížiť spotrebu energie a znečistenie. Medzi bežné katalyzátory patria Ziegler-Natta katalyzátory, metalocénové katalyzátory a nemetalocénové katalyzátory. Ziegler-Natta katalyzátor je najstarší priemyselne vyrobený polypropylénový katalyzátor s nízkymi nákladmi a schopnosťou vyrábať polypropylén s vysokou izotropiou. Metalocénové katalyzátory majú vyššiu aktivitu a dokážu presne kontrolovať molekulárnu štruktúru polypropylénu, čím produkujú produkty s rovnomernejším výkonom, ako je polypropylén s vysokou transparentnosťou a vysokou húževnatosťou. Nemetalocénové katalyzátory majú výhody v špecifickej regulácii výkonu, čím ďalej rozširujú výkonnostný rozsah polypropylénu.

Proces polymerizácie v objemovom stave zahŕňa polymerizáciu propylénových monomérov v kvapalnom stave s vysokou viskozitou v reakčnom systéme, ktorý vyžaduje prísnu kontrolu reakčnej teploty a tlaku. Proces kombinovania v plynnej fáze s ontológiou kombinuje výhody polymerizácie v plynnej fáze a polymerizácie v plynnej fáze. Najprv sa v reaktore s ontológiou vykonáva predbežná polymerizácia a potom reakcia pokračuje v reaktore s plynnou fázou. Dokáže flexibilne upravovať distribúciu molekulovej hmotnosti a zloženie kopolyméru polypropylénu, čím sa vytvárajú diverzifikované produkty.

Po ukončení polymerizačnej reakcie musí získaný polypropylénový prášok prejsť procesom granulácie, pridaním stabilizátorov, antioxidantov, mazív a ďalších prísad, a spracovaný na granulované produkty pomocou extrúzneho granulátora pre jednoduché skladovanie, prepravu a následné spracovanie a použitie. Pridanie prísad môže zlepšiť spracovateľský výkon, tepelnú stabilitu a odolnosť polypropylénu voči poveternostným vplyvom a predĺžiť životnosť produktu.

3. Technológia klasifikácie a modifikácie polypropylénu

Existujú rôzne klasifikačné metódy pre polypropylén, ktorý možno podľa polymerizačnej metódy rozdeliť na homopolymérny polypropylén (PP-H), blokový kopolymérny polypropylén (PP-B) a náhodný kopolymérny polypropylén (PP-R). Podľa ich použitia možno polypropylén rozdeliť na všeobecný, technický, filmový, vláknitý atď. Rôzne typy polypropylénu majú rôzne vlastnosti a sú vhodné pre rôzne scenáre.

Homopolymér polypropylénu sa polymerizuje iba z monoméru propylénu, má vysokú kryštalinitu, dobrú tuhosť, vysokú pevnosť, ale nízku húževnatosť a je náchylný na krehkosť pri nízkych teplotách. Používa sa hlavne pri výrobe vstrekovaných výrobkov, ako sú plastové hrnce, vedrá, hračky atď. Blokový kopolymér polypropylénu vzniká polymerizáciou propylénu a malého množstva etylénu za vzniku blokovej štruktúry. Pridanie etylénu zvyšuje flexibilitu molekulárneho reťazca, čím sa výrazne zlepšuje rázová húževnatosť polypropylénu, najmä jeho odolnosť voči nízkym teplotám. Je vhodný na výrobu výrobkov s vysokými požiadavkami na húževnatosť, ako sú nárazníky automobilov a kryty domácich spotrebičov. Náhodná kopolymerizácia polypropylénu vzniká náhodnou kopolymerizáciou propylénu a etylénu, pričom etylénové jednotky sú náhodne rozložené v molekulárnom reťazci, čo znižuje kryštalinitu a dodáva polypropylénu dobrú priehľadnosť a flexibilitu. Bežne sa používa pri výrobe fólií na balenie potravín, zdravotníckych pomôcok, potrubí atď.

Pre ďalšie rozšírenie vlastností polypropylénu sa kľúčovým prostriedkom stala modifikačná technológia. Medzi bežné metódy modifikácie patrí modifikácia výplňou, modifikácia výstuže, modifikácia spevnenia, modifikácia spomaľujúca horenie, modifikácia transparentnosti atď.

Modifikácia výplne sa dosahuje pridaním anorganických plnív, ako je uhličitan vápenatý, mastenec a sľudový prášok, aby sa znížili náklady a zároveň sa zlepšila tuhosť, tepelná odolnosť a rozmerová stabilita polypropylénu. Napríklad polypropylén s pridaným mastencovým práškom sa môže použiť na výrobu automobilových prístrojových dosiek, ktoré majú dobrú tepelnú odolnosť a odolnosť voči zmršťovaniu. Vylepšená modifikácia využíva materiály, ako sú sklenené vlákna a uhlíkové vlákna, na výrazné zlepšenie mechanických vlastností polypropylénu, ako je pevnosť v ťahu, pevnosť v ohybe a rázová húževnatosť. Modifikovaný vylepšený polypropylén môže nahradiť niektoré technické plasty a používa sa na výrobu komponentov automobilových motorov, elektronických a elektrických krytov atď.

Modifikácia spevňovaním zlepšuje húževnatosť polypropylénu, najmä pri nízkych teplotách, pridaním elastomérov, ako je etylénpropylénový kaučuk a POE. Elastické častice tvoria dispergovanú fázu v polypropylénovej matrici, ktorá dokáže absorbovať energiu nárazu, zabrániť šíreniu trhlín a udržať dobrú húževnatosť modifikovaného polypropylénu pri nízkych teplotách, vďaka čomu je vhodný pre vonkajšie výrobky v chladných oblastiach. Modifikácia s ochranou proti horeniu sa dosahuje pridaním spomaľovačov horenia (ako sú spomaľovače horenia na báze brómu a fosforu) alebo použitím technológie kopolymerizácie spomaľovačov horenia, ktorá dodáva polypropylénu vlastnosti spomaľujúce horenie a spĺňa požiadavky na protipožiarnu ochranu v oblastiach, ako je elektronika a stavebníctvo.

Modifikácia priehľadnosti sa zameriava na riešenie nízkej priehľadnosti bežného polypropylénu pridaním nukleačných činidiel (ako sú sorbitolové nukleačné činidlá) na zjemnenie kryštalických častíc, zníženie rozptylu svetla a zlepšenie priehľadnosti a lesku polypropylénu. Priehľadný polypropylén sa široko používa v oblastiach, ako je balenie potravín a zdravotníckych pomôcok.

4. Oblasti použitia polypropylénu

Polypropylén sa vďaka svojmu vynikajúcemu komplexnému výkonu a rozmanitým modifikovaným produktom široko používa v mnohých oblastiach, ako sú obaly, automobily, domáce spotrebiče, lekárska starostlivosť, poľnohospodárstvo a stavebníctvo, a stal sa nepostrádateľným materiálom v modernej spoločnosti.

V oblasti balenia je polypropylén jedným z najdôležitejších obalových materiálov. Polypropylén fóliovej kvality sa dá vyrobiť na vyfukovanú fóliu a liatu fóliu, ktorá má dobrú priehľadnosť, odolnosť voči vlhkosti a mechanickú pevnosť a používa sa na balenie potravín (ako sú tašky na desiatu, vrecká na uchovávanie čerstvých potravín), balenie tovaru dennej potreby atď. Biaxiálne orientovaná polypropylénová (BOPP) fólia má vysokú pevnosť a dobrý lesk a možno ju použiť na balenie luxusných výrobkov a kompozitné fóliové substráty. Vstrekovaný polypropylén sa používa na výrobu obalov na potraviny, uzáverov fliaš na nápoje, kozmetických obalov atď. Jeho chemická odolnosť a hygiena spĺňajú normy pre materiály prichádzajúce do kontaktu s potravinami.

Automobilový priemysel je dôležitou oblasťou použitia polypropylénu a s rozvojom trendu odľahčovania automobilov sa množstvo polypropylénu používaného v automobiloch neustále zvyšuje. Blokový kopolymér polypropylénu sa používa pri výrobe automobilových nárazníkov, prístrojových dosiek, dverových panelov a ďalších komponentov vďaka svojej dobrej húževnatosti a odolnosti voči nárazu. Vystužený polypropylén môže nahradiť kovové materiály pri výrobe kapôt motora, komponentov podvozku atď., čím sa znižuje hmotnosť automobilu a spotreba paliva. Použitie polypropylénu v automobiloch nielen znižuje výrobné náklady, ale tiež zlepšuje bezpečnosť a pohodlie automobilov.

V oblasti domácich spotrebičov sa polypropylén bežne používa na výrobu komponentov, ako sú vložky do práčok, zásuvky chladničiek a kryty klimatizácií. Jeho vynikajúca odolnosť proti korózii, tepelná odolnosť a rozmerová stabilita dokážu splniť dlhodobé potreby domácich spotrebičov; modifikovaný polypropylén môže mať tiež vlastnosti spomaľujúce horenie, antistatické a ďalšie vlastnosti, čím zaisťuje bezpečnosť používania domácich spotrebičov.

Medicínska oblasť má extrémne vysoké požiadavky na hygienu a bezpečnosť materiálov. Náhodný kopolymér polypropylénu sa stal ideálnym materiálom pre zdravotnícke pomôcky vďaka svojej dobrej priehľadnosti, odolnosti voči dezinfekcii parou a vynikajúcej chemickej stabilite. Môže sa použiť na výrobu injekčných striekačiek, infúznych súprav, puzdier zdravotníckych pomôcok atď. Polypropylénové výrobky sa dajú sterilizovať vysokoteplotnou parou, opätovne použiť a znížiť náklady na zdravotnú starostlivosť.

V oblasti poľnohospodárstva sa polypropylén tiež široko používa. Polypropylénová fólia sa dá použiť na výrobu poľnohospodárskych skleníkových fólií a plastových fólií, ktoré majú dobrú priehľadnosť a izolačné vlastnosti, čo môže podporiť rast plodín. Polypropylénové vlákno sa môže použiť na výrobu rybárskych sietí, slnečných sietí, vriec na balenie plodín atď. Jeho odolnosť voči poveternostným vplyvom a pevnosť spĺňajú potreby poľnohospodárskej výroby.

Okrem toho sa polypropylén používa v stavebníctve na výrobu rúr, dosiek, hydroizolačných membrán atď. V textilnom priemysle sa polypropylénové vlákno (PP) môže použiť na výrobu odevov, kobercov, filtračných tkanín atď. Jeho výhody spočívajú v tom, že je ľahký, odolný voči opotrebovaniu a ľahko sa umýva.

5. Trendy ochrany životného prostredia a rozvoja polypropylénu

Ako polymérny materiál bola ekologická šetrnosť polypropylénu vždy stredobodom pozornosti priemyslu. V porovnaní s inými plastmi má polypropylén mnoho environmentálnych výhod: počas výrobného procesu je spotreba energie relatívne nízka a emisie uhlíka sú nižšie ako pri plastoch, ako je polyetylén a polyvinylchlorid; výrobky z polypropylénu sú ľahké a môžu znížiť spotrebu energie a emisie uhlíka počas prepravy; a čo je najdôležitejšie, polypropylén má dobrú recyklovateľnosť a možno ho recyklovať pomocou technológií, ako je fyzikálna a chemická recyklácia.

Fyzikálna recyklácia je v súčasnosti hlavnou metódou recyklácie polypropylénu, ktorá zahŕňa triedenie, čistenie, drvenie, tavenie a granuláciu odpadových polypropylénových výrobkov pred ich opätovným použitím na výrobu výrobkov s nižšími požiadavkami na výkon, ako sú plastové palety, odpadkové koše atď. Chemická recyklácia využíva technológie ako pyrolýza a hydrolýza na rozklad polypropylénu na zlúčeniny s nízkou molekulovou hmotnosťou, ktoré sa môžu opätovne použiť ako suroviny na výrobu propylénových monomérov alebo iných chemikálií, čím sa dosiahne uzavretý obeh. S pokrokom v technológii recyklácie sa výkon recyklovaného polypropylénu neustále zlepšuje a možno ho použiť vo vysoko žiadaných oblastiach, ako je balenie potravín.

Výskum a industrializácia biopolypropylénu je dôležitým smerom pre ekologický rozvoj polypropylénu. Biopolypropylén vyrobený z biomasy môže znížiť emisie uhlíka a znížiť závislosť od fosílnych zdrojov počas celého svojho životného cyklu. V súčasnosti viaceré podniky dosiahli priemyselnú výrobu biopolypropylénu, ktorého výkon je porovnateľný s tradičným polypropylénom, čo predstavuje novú cestu pre udržateľný rozvoj polypropylénu.

V budúcnosti bude vývoj polypropylénu priniesť nasledujúce trendy: po prvé, vysoký výkon, prostredníctvom presnej regulácie molekulárnej štruktúry a pokročilej technológie modifikácie, bude vyvinutý polypropylén s vyššou pevnosťou, húževnatosťou a tepelnou odolnosťou, čím sa rozšíri jeho uplatnenie v oblasti strojárstva; druhým je funkcionalizácia, vývoj polypropylénu so špeciálnymi funkciami, ako sú antibakteriálne, vodivé, tepelne vodivé a samoopraviteľné polypropylény, aby sa uspokojili potreby rozvíjajúcich sa oblastí; tretím je ekologizácia, podpora modernizácie technológií substitúcie a recyklácie bio surovín a budovanie kruhového systému výroby, spotreby, recyklácie, regenerácie; štvrtým je inteligencia v kombinácii s pokročilými výrobnými technológiami, ako je 3D tlač, na dosiahnutie personalizovanej úpravy a efektívnej výroby polypropylénových výrobkov.

Polypropylén ako vysoko výkonný a široko používaný polymérny materiál zohráva dôležitú úlohu pri podpore priemyselného rozvoja a zlepšovaní kvality života. S neustálym pokrokom v technológii sa polypropylén bude naďalej vyvíjať smerom k ekologickejšiemu, vysoko výkonnému a funkčnému smeru, pričom si zachová svoje tradičné výhody, prispeje k trvalo udržateľnému rozvoju a dosiahnutiu cieľa dvojitého uhlíkového rozdelenia.