Экологические риски в промышленном производстве полипропилена

МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

«Экологические риски в промышленном производстве полипропилена»

 

 

 

 

 

                                                                                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2013

Введение

 

Полипропилен (ПП или PP) – второй после полиэтилена по тоннажу производства полимерный продукт. По сравнению с полиэтиленом, он имеет меньшую плотность, а значит – более легок. Вообще, полипропилен – самый легкий из массовых термопластов. Кроме того, полипропилен также более устойчив термически: эксплуатационные характеристики изделий сохраняются вплоть до 140–150°С. Зато полипропилен менее стоек к морозу, нежели полиэтилен: при отрицательных температурах он становится хрупким, поэтому использовать под нагрузкой изделия и детали из полипропилена в регионах с суровым климатом нельзя. Но в целом, из полипропилена изготавливают множество самых разных изделий, начиная от пленки, в которую заворачивают сигаретные пачки, и заканчивая приборными панелями автомобилей.

Из-за наличия дополнительного атома углерода, «торчащего» из цепочки, полипропилен более чувствителен к свету и кислороду. Для снижения этого влияния в полипропилен вводят специальные вещества, называемые стабилизаторами – они тормозят деструктивные процессы в полимере.

Наличие еще одного атома углерода влечет и другие весьма важные последствия. Оказывается, что характеристики полипропилена существенно зависят от того, как звенья ориентируются по отношению друг к другу. Например, цепочка, где все боковые атомы углерода находятся по одну строну, носит название изотактической:

 

Рис. 1

 

Если боковые углероды строго чередуются, то цепочка называется синдиотактической:

 

Рис. 2

 

Два этих типа структур характеризуются высокой упорядоченностью и образуют хорошо кристаллизующийся полимер. А вот если расположение боковых атомов носит хаотический характер, то такая структура носит название атактической. Кристалличность такого полимера выражена в меньшей степени. Вообще же, характер строения цепочек полипропилена оказывает очень большое влияние на его свойства.

 

История полипропилена

 

Достоверно неизвестно, когда впервые была осуществлена полимеризация пропилена. Однако до 50-х годов прошлого века полипропилен, в отличие от полиэтилена, не находил широкого применения. За предшествующие десятилетия наука довольно хорошо разобралась в закономерностях реакций полимеризации, стало ясно, как на процесс влияет температура и давление, характер среды, в которой идет реакция, были найдены и внедрены в промышленности высокоэффективные инициаторы. Однако сама реакция, то есть присоединение отдельных звеньев к растущей цепи, не поддавалась, в сущности, контролю. Поэтому те полимеры пропилена, которые удавалось получать, сильно различались по своим свойствам – получались атактические, низкомолекулярные1 структуры. Характеристики таких полимеров не позволяли широко их использовать. Это и обусловило некоторое забвение полипропилена в первой половине XX века.

В начале 50-х годов ученые впервые попробовали использовать в реакциях полимеризации катализаторы, которые смогли косвенно управлять строением получающихся продуктов. Первые удачные опыты были выполнены, правда, с синтетическими каучуками. В 1952 году Карл Циглер провел удачные опыты с применением нового типа катализаторов при синтезе полиэтилена. Его успехи вызвали волную активного изучения роли металлоорганических катализаторов2 при полимеризации. В 1953 году группа ученых из Миланского политехнического института под руководством профессора Джулио Натта модифицировала каталитические системы Циглера и провела опыты по полимеризации различных олефинов, в частности, пропилена. Полученное ими вещество коренным образом отличалось от всего того, что удавалось получить раньше: оно имело больший молекулярный вес («длину» цепочек), было способно кристаллизоваться, имело более четкий температурный диапазон плавления, большую плотность и меньше растворялось в растворителях. Исследования структуры показало, что этот полипропилен имел линейную структуру и регулярность строения – то есть был изотактическим или синдиотактическим. За эти открытия Джулио Натта в 1963 году получил Нобелевскую премию по химии, а примененные им стереоспецифические катализаторы полимеризации с тех пор называются катализаторами Циглера-Натта.

Первый изотактический полипропилен начали производить для продажи на родине Натта в Италии в 1956 году. Сначала на нефтехимическом заводе компании Montekatini в городе Феррара работала полуэкспериментальная установка, но в 1957 году там ввели крупное по тем временам производство в 5 тыс. тонн в год. В 1959 году там было освоено производство волокон из полипропилена.

Со временем выпуск полипропилена начался еще в ряде городов в Италии, в 1962 году стартовало производство в США. В СССР производство полипропилена началось в 1965 году на Московском НПЗ, где была применена отечественная технология. В 1977 году в Гурьеве заработал завод, выпускающий полипропилен по итальянской технологии. В 1982 году был пущен мощный нефтехимический комплекс в Томске. 

 

 

 

 

Сырье и получение полипропилена

 

Пропилен выделяют из газов крекинга нефти или нефтепродуктов. Создавая нужные условия крекинга, а именно: давление, температуру, продолжительность процесса и применяя требуемый катализатор, можно направить деструкцию углеводородов, входящих в состав нефти, в сторону образования преимущественно пропилена и этилена. Выделение из смеси пропилена и очистка его осуществляются методом глубокого охлаждения.

Пропилен — это бесцветный горючий газ со слабым запахом. Молекулярная масса его 42,078, температура плавления — 185,25°С, температура кипения — 47,70сС, температура самовоспламенения — 455°С, пределы взрываемости в смеси с воздухом — 2,0—11,1% (объемных). В газах крекинга нефти он содержится в количестве 5—18% (по массе). Пропилен весьма реакционноспособен и легко присоединяет по двойным связям разнообразные соединения.

В промышленности полипропилен получают полимеризацией пропилена в растворителе (бензине, гептане, пропане) при давлении 1—4 МПа (в зависимости от применяемого растворителя). Реакция идет при 70°С в присутствии каталитического комплекса AlR3 + TiCI3. Максимальная активность катализатора при молярном отношении A1R3: TiCl3>3 : 2. Степень кристалличности полипропилена зависит от размера частиц катализатора. Активность наиболее часто применяемого каталитического комплекса AlR3 + TiCI3  уменьшается в присутствии кислорода воздуха или следов влаги, поэтому полимеризацию производят в атмосфере азота, используя тщательно осушенные растворитель и пропилен.

Известен метод производства изотактического полипропилена в присутствии окисно-хромовых катализаторов на алюмосиликате.

Большое внимание уделяют дальнейшему усовершенствованию процесса полимеризации. Так, в Англии был предложен метод полимеризации полипропилена в сжиженных низкокипящих углеводородах (в чистом пропилене, пропане или бутане). При этом упрощается очистка исходных углеводородов, отвод тепла полимеризации за счет теплоты испарения растворителя и появляется возможность, высоких скоростей полимеризации.

Ведутся работы в направлении уменьшения количества циркулирующих растворителей в процессе полимеризации. С этой целью предлагается проводить полимеризацию газообразного полипропилена под действием комплексных катализаторов: треххлористого титана + триэтилалюминия, нанесенных на частицы порошкообразного полимера или при температурах выше температуры плавления полипропилена, когда образовавшийся полимер стекает с носителя катализатора.

 

 

 

 

 

 

 

 

Производство полипропилена

 

Принципиальная схема производства полипропилена представлена на рисунке:

 

Рис. 3

 

В мире для производства полипропилена используется, как правило, сырье трех видов: это пропилен пиролиза, пропилен нефтезаводских газов и пропилен, полученный дегидрированием индивидуального пропана.

После этого пропилен подается на полимеризацию. Процесс идет при температуре при 70-80°С  и давлении порядка 10 атмосфер в среде растворителя (им может выступать обычный бензин) и в присутствии катализаторов стереорегулярной полимеризации. Далее суспензия готового полипропилена в растворителе отделяется от непрореагировавшего пропилена, катализатор разлагается, а полимер отделяется от растворителя, сушится и отправляется на гранулирование.

 

Свойства полипропилена

 

Взаимосвязь структуры и свойств

 

Полипропилен обладает ценным сочетанием свойств, изучение которых привлекает внимание многих исследователей, работающих как в области теории макромолекулярной химии и физики, так и в области переработки и применения полимерных материалов.

Решающее влияние на свойства полипропилена и изделий из него оказывает молекулярная и надмолекулярная структура полимерной цепи.

Полипропилен характеризуется более сложной молекулярной структурой, чем большинство производимых промышленностью полимеров, так как, помимо химического состава мономера, среднего молекулярного веса и молекулярновесового распределения, на его структуру оказывает влияние пространственное расположение боковых групп по отношению к главной цепи. В техническом отношении наиболее важен и перспективен изотактический полипропилен. В зависимости от типа и соотношения присутствующих стереоизомеров свойства полипропилена изменяются в широком диапазоне.

 

 

 

Молекулярный вес

 

Разные свойства полимера зависят от величины молекулярного веса в различной степени. Так, при механических нагрузках, связанных с малыми деформациями или малыми скоростями деформации, с изменением молекулярного веса (и то лишь у полимеров с низким молекулярным весом) такие свойства полимера, как предел текучести, модуль упругости или твердость, изменяются незначительно. Механические же свойства полимера, связанные с большими деформациями, с изменением молекулярного веса изменяются гораздо сильнее. Например, показатели предела прочности при растяжении, относительное удлинение при разрыве, ударная вязкость при изгибе и растяжении с уменьшением молекулярного веса снижаются.

Наибольшее влияние величина молекулярного веса оказывает на вязкость растворов и расплавов полипропилена, так как под действием растворителей или в результате теплового движения цепей происходит настолько значительное уменьшение интенсивности межмолекулярного взаимодействия, что каждая макромолекула может представлять собой более или менее самостоятельную кинетическую единицу.

 

Механические свойства

 

При оценке практической пригодности полипропилена для той или иной цели первостепенное значение приобретают его механические свойства. Очевидно, что полимер с низким модулем упругости, т. е. с малой жесткостью, нельзя рекомендовать для изготовления технических деталей, подвергающихся большим механическим нагрузкам, и, наоборот, полимер с большой жесткостью оказывается непригодным там, где материал должен обладать свойством поглощать колебания с относительно высокой амплитудой.

Механические свойства полипропилена определяются его структурным составом. Атактическая фракция в чистом виде обладает свойствами аморфно-жидких полимеров, изотактическая — свойствами высококристаллических полимеров, а механические свойства стереоблокполимера занимают промежуточное положение. Промышленный полипропилен состоит в основном из макромолекул изотактического строения, чем и обусловлены его высокие механические характеристики.

 

 

 Диаграмма растяжения

 

Важным показателем, характеризующим механические свойства полипропилена, является зависимость удлинения от напряжения, которую определяют, подвергая испытуемый образец растяжению на разрывной машине. При этом испытании под напряжением понимают усилие, действующее на единицу площади первоначального сечения образца.

Зависимость относительного удлинения от напряжения для стереоблочного полипропилена принципиально отличается от таковой для изотактического полимера. Для достижения значительной деформации в данном случае достаточно небольшого напряжения, величина которого нарастает плавно (без скачков) вплоть до разрыва испытуемого образца. После снятия напряжения основная часть деформации быстро исчезает. Подобное поведение типично для каучукоподобных полимеров.

Наконец атактический полипропилен обнаруживает сильную пластическую (т. е. необратимую) деформацию при незначительном напряжении, величина которого почти не изменяется до разрушения образца.

Поведение полипропилена обычных марок при испытании на растяжение определяется содержанием кристаллического полимера. С увеличением содержания неизотактических фракций начальный модуль упругости и предел текучести снижаются, относительное удлинение при разрыве, как правило, возрастает, а предел прочности при растяжении несколько падает.

С изменением величины молекулярного веса несколько изменяется форма кривой «напряжение—относительное удлинение» для полимеров с одинаковой степенью изотактичности. Предел текучести с уменьшением молекулярного веса повышается, а относительное удлинение при разрыве снижается, что связано с повышением степени кристалличности.