Полипропилен. Что это?
Полипропилен представляет собой термопластичный неполярный полимер синтетической природы, относящийся к классу полиолефинов. Это твердое белое вещество, получаемое в процессе полимеризации пропилена. Реакция идет с использованием катализаторов Циглера-Натта. Также применяют металлоценовые катализаторы.
Для полимеризации необходимы температура до 80 °C и давление в 10 атм. Способ получения полипропилена с помощью катализатора Циглера-Натта изобретен в 1957 году.
На свойства полимеров оказывает влияние пространственное расположение боковых групп СН3- в отношении главной цепи. По своему строению полипропилен бывает:
Полипропилен – легкий кристаллизующийся материал, выпускаемый в виде окрашенных или неокрашенных гранул. Для придания ему оттенка применяют пигменты или специальные органические красители.
Основная и наиболее часто используемая разновидность – полипропилен, которому свойственна изотактическая структура. Это вещество отличают высокая степень кристалличности, прочность, безупречная твердость и теплостойкость. Атактический полипропилен является гибким, мягким и липким материалом. Промышленным способом получают полимеры, которые состоят преимущественно из макромолекул изотактического строения.
Свойства полипропилена
Полипропилен отличается высокой устойчивостью к воздействию кислот, щелочей, растворов солей и других неорганических агрессивных сред. В условиях комнатной температуры его невозможно растворить в органических жидкостях. При увеличении показателей термометра полипропилен набухает и растворяется в ряде растворителей (бензол, четыреххлористый углерод, эфир и др.).
Вещество имеет низкое влагопоглощение. Также оно отличается высокими электроизоляционными свойствами в условиях широкого диапазона температур.
Гомополимер отличается повышенной жесткостью и прозрачностью. Также он может быть хрупким при низкой температуре. Блок-сополимер характеризуется высокой ударопрочностью. Он подходит для использования в условиях низкой температуры. Кроме того, блок-сополимер легко перерабатывается. Прозрачность этого материала обеспечивается благодаря введению структурообразователя (нуклеатора), а также применению специальных технологических приемов (например, понижения температуры формы).
Причины растущей популярности
Одна из основных причин стремительного роста использования полипропилена – расширение сфер его применения при вытеснении таких полимеров, как полистирол и ПВХ. Последние являются предметом недовольства экологически озабоченной части населения, что отражается на законодательных инициативах в европейских странах. Полистирол и ПВХ преследуют по двум позициям – по утилизации отходов и токсичности. По этой причине многие производители пластиковой продукции все чаще выбирают полипропилен.
Этот материал не токсичен, легок и отлично утилизируется. Также полипропилен имеет более низкую стоимость. Благодаря этому его активно используют при изготовлении инженерных пластмасс в сферах электроники, автомобилестроения и т. д.
Области применения полипропилена
Полипропилен находит широкое применение благодаря обеспечению эффективного развития экономики и повышению конкурентоспособности продукции. Это происходит за счет:
На основе полипропилена можно получать множество продуктов, в том числе смесевые термоэластопласты и высокомодульный высокопрочный пластик. Благодаря экологической чистоте, технологичности переработки и утилизации полипропилен вытесняет поливинилхлорид, ударопрочный полистирол и АБС-пластики с мирового рынка пластмасс.
Полипропилен активно используют во всех доминирующих отраслях экономики:
Иногда его называют «королем» пластмасс. Также позиции полипропилена сильны в сфере изготовления полимерных волокон и нитей. Низкая цена и простота утилизации позволяют ему вытеснять из производства другие материалы. Полипропилен используют при изготовлении предметов домашнего быта (ковров, пледов), гигиены (одноразовых подгузников) и медицинских средств.
В настоящее время данный материал нельзя назвать самым популярным полимером – на рынке лидируют полиэтилен и поливинилхлорид. При этом по темпам роста производства полипропилен находится вне конкуренции. Также следует учитывать, что даже в XXI веке реализован не весь научный и технический потенциал полимера.
Упаковка
Полипропиленовые пленки – один из наиболее популярных вариантов упаковочных материалов в мире. Их характеристики близки к пленкам из полиэтилена. При этом по многим параметрам полипропиленовые пленки превосходят продукцию из других полимеров. Они отличаются высокой устойчивостью к нагреванию и воздействию химических веществ. Полипропиленовые пленки можно стерилизовать при температуре свыше 100 °C, что увеличивает их ценность для фармацевтической и пищевой отраслей.
Изделия также характеризуются прозрачностью, гибкостью, нетоксичностью и легкой свариваемостью. Еще одной причиной популярности на рынке упаковки стало такое новшество, как ориентация пленки. Материалы, ориентированные в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях, производят сравнительно недавно, но они уже зарекомендовали себя на рынке гибкой упаковки.
Благодаря ориентации пленки увеличиваются ее прочность, жесткость, прозрачность и влагоизоляционные свойства. Прозрачность такого материала превышает прозрачность неориентированных изделий минимум в 4 раза.
Полипропиленовые пакеты на заказ имеют конкурентные преимущества перед полиэтиленовыми. Такая упаковка отличается большей прозрачностью, прочностью, экологичностью и презентабельным внешним видом.
Полипропилен постепенно вытесняет полиэтилентерефталат и другие пластики из производства бутылок и крышек для них. На полках магазинов все чаще можно увидеть продукцию из полипропилена. Вместо стандартной этикеточной бумаги используют пропиленовую пленку.
Материал также используют в производстве таких видов упаковки, как тара и контейнеры. Благодаря высокой прочности полипропилен вытесняет полистирол, благодаря жесткости и глянцевитости – множество видов полиэтилена. Высокая стойкость к химическим веществам позволяет применять полипропилен для плакирования емкостей, в которых хранят и перевозят агрессивные жидкие вещества.
Волокна
Полипропилен имеет существенные преимущества перед другими полимерами в области производства волокон. Такие изделия имеют низкую цену. Из 1 кг полипропилена можно получить больше волокна, чем из 1 кг других полимеров. При этом продукция отличается высокой прочностью и безупречными эластическими свойствами.
Полипропилен также имеет высокую термостойкость. Только чувствительность к разрушительному ультрафиолетовому излучению замедляет более масштабное распространение полипропиленовых волокон в текстильной промышленности.
Электроника и электротехника
Из полипропилена создают:
В настоящее время материал в качестве изоляционного применяют достаточно редко. В этой области ПВХ пока остается практически безальтернативным вариантом. В сфере производства пеноизоляции для проводов полипропилен успешно конкурирует с полиэтиленом.
Медицина
Самое востребованное качество материала в медицине – устойчивость к высокой температуре. Благодаря этому продукцию, выполненную из полипропилена, можно подвергать горячей стерилизации. Из него изготавливают ингаляторы и разовые шприцы. Если сравнивать с полиэтиленом и полистиролом, в этой сфере материал занимает лидирующие позиции. Также шприцы упаковывают в пленку. Для ее изготовления применяют полипропилен.
Машиностроение
Полипропилен отличает высокая износостойкость. Благодаря этому его широко используют в автомобильном производстве, машиностроении и при возведении зданий. Из этого материала изготавливают детали для различных видов оборудования, в том числе холодильников, пылесосов и вентиляторов. В автомобильной отрасли из полипропилена выполняют блоки предохранителей, амортизаторы, элементы сидений и окон, бамперы, детали кузова и т. д.
Полипропилен
| Полипропилен | |
 | |
 | |
 Международный знак вторичной переработки для полипропилена | |
| Общие | |
|---|---|
| Сокращения | ПП, PP |
| Химическая формула | ( C 3 H 6)n |
| Физические свойства | |
| Плотность | 0,92-0,93 г/см³ |
| Термические свойства | |
| Температура плавления | 130–171 °C |
| Классификация | |
| Рег. номер CAS | 9003-07-0 |
Полипропилен (ПП) — это термопластичный полимер пропилена (пропена).
Содержание
Получение
Полипропилен получают полимеризацией пропилена в присутствии металлокомплексных катализаторов, например, катализаторов Циглера—Натта (например, смесь TiCl4 и AlR3):
Параметры, необходимые для получения полипропилена близки к тем, при которых получают полиэтилен низкого давления. При этом, в зависимости от конкретного катализатора, может получаться любой тип полимера или их смеси.
Полипропилен выпускается в виде порошка белого цвета или гранул с насыпной плотностью 0,4—0,5 г/см³. Полипропилен выпускается стабилизированным, окрашенным и неокрашенным.
Молекулярное строение
По типу молекулярной структуры можно выделить три основных типа: изотактический, синдиотактический и атактический. Изотактическая и синдиотактическая молекулярные структуры могут характеризоваться разной степенью совершенства пространственной регулярности. Стереоизомеры полипропилена существенно различаются по механическим, физическим и химическим свойствам. Атактический полипропилен представляет собой каучукоподобный материал с высокой текучестью, температурой плавления — около 80°С, плотностью — 850 кг/м3, хорошей растворимостью в диэтиловом эфире. Изотактический полипропилен по своим свойствам выгодно отличается от атактического, а именно: он обладает высоким модулем упругости, большей плотностью — 910 кг/м3, высокой температурой плавления — 165—170°С и лучшей стойкостью к действию химических реагентов. Стереоблокполимер полипропилена при исследовании с помощью рентгеновских лучей обнаруживает определенную кристалличность, которая не может быть такой же полной, как у чисто изотактических фракций, поскольку атактические участки вызывают нарушение в кристаллической решетке. Изотактический и синдиотактический образуются случайным образом;
Физико-механические свойства
Поведение полипропилена при растяжении ещё в большей степени, чем полиэтилена, зависит от скорости приложения нагрузки и от температуры. Чем ниже скорость растяжения полипропилена, тем выше значение показателей механических свойств. При высоких скоростях растяжения разрушающее напряжение при растяжении полипропилена значительно ниже его предела текучести при растяжении.
Показатели основных физико-механических свойств полипропилена приведены в таблице:
| Плотность, г/см 3 | 0,90—0,91 |
| Разрушающее напряжение при растяжении, кгс/см² | 250—400 |
| Относительное удлинение при разрыве, % | 200—800 |
| Модуль упругости при изгибе, кгс | 6700—11900 |
| Предел текучести при растяжении, кгс/см² | 250—350 |
| Относительно удлинение при пределе текучести, % | 10—20 |
| Ударная вязкость с надрезом, кгс·см/см 2 | 33—80 |
| Твердость по Бринеллю, кгс/мм 2 | 6,0—6,5 |
Физико-механические свойства полипропилена разных марок приведены в таблице:
| Показатели / марка | 01П10/002 | 02П10/003 | 03П10/005 | 04П10/010 | 05П10/020 | 06П10/040 | 07П10/080 | 08П10/080 | 09П10/200 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Насыпная плотность, кг/л, не менее | 0,47 | 0,47 | 0,47 | 0,47 | 0,47 | 0,47 | 0,47 | 0,47 | 0,47 |
| Показатель текучести расплава, г/10 мин | ≤0 | 0,2—0,4 | 0,4—0,7 | 0,7—1,2 | 1,2—3,5 | 3—6 | 5—15 | 5—15 | 15—25 |
| Относительное удлинение при разрыве, %, не менее | 600 | 500 | 400 | 300 | 300 | — | — | — | — |
| Предел текучести при разрыве, кгс/см², не менее | 260 | 280 | 270 | 260 | 260 | — | — | — | — |
| Стойкость к растрескиванию, ч, не менее | 400 | 400 | 400 | 400 | 400 | — | — | — | — |
| Характеристическая вязкость в декалине при 135 °C, 100 мл/г | — | — | — | — | — | 2,0—2,4 | 1,5—2,0 | 1,5—2,0 | 0,5—15 |
| Содержание изотактической фракции, не менее | — | — | — | — | — | 95 | 93 | 95 | 93 |
| Содержание атактической фракции, не более | — | — | — | — | — | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 |
| Морозостойкость, °C, не ниже | -5 | -5 | -5 | — | — | — | — | — | — |
Химические свойства
Полипропилен химически стойкий материал. Заметное воздействие на него оказывают только сильные окислители — хлорсульфоновая кислота, дымящая азотная кислота, галогены, олеум. Концентрированная 58%-ная серная кислота и 30%-ная перекись водорода при комнатной температуре действуют незначительно. Продолжительный контакт с этими реагентами при 60 °C и выше приводит к деструкции полипропилена.
В органических растворителях полипропилен при комнатной температуре незначительно набухает. Выше 100 °C он растворяется в ароматических углеводородах, таких, как бензол, толуол. Данные о стойкости полипропилена к воздействию некоторых химических реагентов приведены в таблице.
| Среда | Температура, °C | Изменение массы, % | Примечание |
|---|---|---|---|
| Продолжительность выдержки образца в среде реагента 7 суток | |||
| Азотная кислота, 50%-ная | 70 | -0,1 | Образец растрескивается |
| Натр едкий, 40%-ный | 70 | Незначительное | |
| 90 | |||
| Соляная кислота, конц. | 70 | +0,3 | |
| 90 | +0,5 | ||
| Продолжительность выдержки образца в среде реагента 30 суток | |||
| Азотная кислота, 94%-ная | 20 | -0,2 | Образец хрупкий |
| Ацетон | 20 | +2,0 | |
| Бензин | 20 | +13,2 | |
| Бензол | 20 | +12,5 | |
| Едкий натр, 40%-ный | 20 | Незначительное | |
| Минеральное масло | 20 | +0,3 | |
| Оливковое масло | 20 | +0,1 | |
| Серная кислота,80%-ная | 20 | Незначительное | Слабое окрашивание |
| Серная кислота,98%-ная | 20 | >> | |
| Соляная кислота, конц. | 20 | +0,2 | |
| Трансформаторное масло | 20 | +0,2 | |
Вследствие наличия третичных углеродных атомов полипропилен более чувствителен к действию кислорода, особенно при воздействии ультрафиолета и повышенных температурах. Этим и объясняется значительно большая склонность полипропилена к старению по сравнению с полиэтиленом. Старение полипропилена протекает с более высокими скоростями и сопровождается резким ухудшением его механических свойств. Поэтому полипропилен применяется только в стабилизированном виде. Стабилизаторы предохраняют полипропилен от разрушения как в процессе переработки, так и во время эксплуатации. Полипропилен меньше, чем полиэтилен подвержен растрескиванию под воздействием агрессивных сред. Он успешно выдерживает стандартные испытания на растрескивание под напряжением, проводимые в самых разнообразных средах. Стойкость к растрескиванию в 20%-ном водном растворе эмульгатора ОП-7 при 50 °C для полипропилена с показателем текучести расплава 0,5—2,0 г/10 мин, находящегося в напряженном состоянии, более 2000 ч.
Полипропилен — водостойкий материал. Даже после длительного контакта с водой в течение 6 месяцев (при комнатной температуре) водопоглощение полипропилена составляет менее 0,5 %, а при 60ºС — менее 2 %.
Теплофизические свойства
Полипропилен имеет более высокую температуру плавления, чем полиэтилен, и соответственно более высокую температуру разложения. Чистый изотактический полипропилен плавится при 176 °C. Максимальная температура эксплуатации полипропилена 120—140ºС. Все изделия из полипропилена выдерживают кипячение, и могут подвергаться стерилизации паром без какого-либо изменения их формы или механических свойств.
Превосходя полиэтилен по теплостойкости, полипропилен уступает ему по морозостойкости. Его температура хрупкости (морозостойкости) колеблется от −5 до −15ºС. Морозостойкость можно повысить введением в макромолекулу изотактического полипропилена звеньев этилена (например, при сополимеризации пропилена с этиленом).
Показатели основных теплофизических свойств полипропилена приведены в таблице:
| Температура плавления, °C | 160—170 |
| Теплостойкость по методу НИИПП, °C | 160 |
| Удельная теплоёмкость (от 20 до 60ºС), кал/(г·°C) | 0,46 |
| Термический коэффициент линейного расширения (от 20 до 100 °C), 1/°C | 1,1·10 −4 |
| Температура хрупкости, °C | От −5 до −15 |
Электрические свойства
Показатели электрических свойств полипропилена приведены в таблице:
| Удельное объёмное электрическое сопротивление, Ом·см | 10 16 —10 17 |
| Диэлектрическая проницаемость при 10 6 Гц | 2,2 |
| Тангенс угла диэлектрических потерь при 10 6 Гц | 2·10 −4 —5·10 −5 |
| Электрическая прочность (толщина образца 1 мм), кВ/мм | 30—40 |
Переработка
Основные способы переработки — формование методами экструзии, вакуум- и пневмоформования, экструзионно-выдувного, инжекционно-выдувного, инжекционного, компрессионного формования, литье под давлением.
Применение
Материал для производства плёнок (особенно упаковочных), мешков, тары, труб, деталей технической аппаратуры, предметов домашнего обихода, нетканых материалов и др.; электроизоляционный материал, в строительстве для вибро- и шумоизоляции межэтажных перекрытий в системах «плавающий пол». При сополимеризации пропилена с этиленом получают некристаллизующиеся сополимеры, которые проявляют свойства каучука, отличающиеся повышенной химической стойкостью и сопротивлением старению. Для вибро- и теплоизоляции также широко применяется пенополипропилен (ППП). Близок по характеристикам к пенополиэтилену. Также встречаются декоративные экструзионные профили из ППП, заменяющие пенополистирол. Атактический полипропилен используют для изготовления строительных клеев, замазок, уплотняющих мастик, дорожных покрытий и липких пленок.
Полипропилен: что это за материал и где его используют
Содержание
Получение полипропилена
Впервые полимер удалось синтезировать в 1954 году. Это сделали двое ученых, специализирующихся в области органической химии: Карл Циглер (Германия) и Джулио Натта (Италия). В ходе предложенного процесса полимеризации удалось получить кристаллический полипропилен (формула (C3H6)n). Молекулярная структура нового вещества выглядит следующим образом:
Спустя всего 3 года после открытия компания Montecatini (Италия) уже производила новый полимер в промышленных объемах. Крупнейшими современными поставщиками являются крупные компании и корпорации ExxonMobil Chemical (США), SABIC (Саудовская Аравия), Borealis (Австрия), СИБУР (Россия), LyondellBasell (США) и некоторые другие.
Промышленный метод получения полипропилена заключается в полимеризации непредельного мономерного пропена с участием специальных веществ, выступающих в качества катализаторов:
Для улучшения эксплуатационных параметров полимера в его состав могут добавлять различные вещества и наполнители в виде небольшого количества талька, глины, а также добавок из карбоната кальция, углеродистых и стеклянных волокон (для армирования).
Факторы, определяющие стабильные темпы роста выпуска полипропиленовых материалов, заключаются в ряде их преимуществ перед другими традиционными конструкционными пластическими массами (а иногда и металлами):
Важным свойством полимера является его безопасность: он не оказывает негативного химического или токсического воздействия на организм человека.
Виды полипропилена
Существует две основные разновидности полимера, отличающиеся химическим составом, свойствами и областью применения:
Основные свойства полипропилена
| Показатель, единица измерения | Значение показателя | Примечание |
|---|---|---|
| Температура плавления полипропилена, °C | от 135 до 165 | Для гомополимера 160 – 165; для сополимера при 135 – 159. |
| Плотность материала, г/см3 | от 0,898 до 0,908 | Сополимеры 0,898 – 0,908; гомополимеры 0,904 – 0,908;. |
| Устойчивость к химическим соединениям | Да | Можно применять в кислотной среде (в концентрированном или разбавленном виде), при контакте со спиртами, альдегидами, кетонами, сложными эфирами, в среде алифатических углеводородов. Менее выраженная устойчивость в среде окислителей, ароматических и содержащих галоген углеводородов. Не подвержен растворению в жидкостях органического происхождения при нормальной температуре. |
| Горючесть | Поддерживает горение | |
| Водопроницаемость | Нет | |
| Водопоглощение | Низкое | |
| Проводимость электрического тока | Диэлектрик | Характеризуется хорошими электроизоляционными свойствами |
| Воздействие микроорганизмов (бактериальных, грибковых и других) | Низкая чувствительность |
Слабые стороны полипропилена, ограничивающие его применение в качестве конструкционного материала, проявляются в следующих свойствах:
Область применения
Определившись с тем, что такое полипропилен, ознакомившись с его видами и основными свойствами, перейдем к способам его использования.
Направления применения полимера характеризуют следующие цифры:
| Область применения | Удельный вес в объеме произведенного полипропилена в мире, % |
|---|---|
| Производство упаковки | 33 |
| Изготовление мебели | 14 |
| Автомобилестроение | 12 |
| Товары широкого спроса | 10 |
| Электроника | 9 |
| Строительство | 6 |
| Прочие области применения | 16 |
Производство упаковки
Высокие прочностные характеристики, оптическая привлекательность, надежные барьерные свойства, подходящее качество поверхностей и относительно низкая стоимость являются базовыми характеристиками, которые определяют широкое использование полимера для производства упаковочной продукции:
Полипропиленовые пленки нашли широкое применение и стали популярным упаковочным материалом благодаря своей прозрачности, гибкости, стойкости к нагреванию и легкости сваривания. Существуют так называемые «ориентированные» пленки с повышенной жесткостью, прочностью, влагоизоляционными свойствами.
Потребительские товары
Полипропиленовые элементы можно найти во множестве товаров широкого потребления:
Автомобилестроение
Благодаря небольшому удельному весу, хорошей устойчивости к агрессивным химическим соединениям, удачному сочетанию жесткости и ударной вязкости, полипропилен широко используют для производства деталей для автомобилей:
Медицина
Химическая и биологическая устойчивость дают возможность использовать PP пластик для медицины при производстве:
Использование в промышленных целях
Благодаря хорошему пределу прочности, коррозионной устойчивости и возможности эксплуатации в условиях повышенных температур, листовой полипропилен используют для изготовления:
Ткани и волокна
Из полипропилена получают прочные эластичные волокна с повышенной термостойкостью.
Электроника, электротехника
Нельзя не отметить множество изделий, используемых в электротехнике:
Методы обработки полипропилена
Одним из преимуществ полипропилена является возможность его промышленной обработки большинством существующих методов.
Самыми типичными и распространенными для этого материала являются технологии:
Литье
Экструзия
С применением этой технологии получают:
и другие изделия.
В ходе технологического процесса происходит сжатие расплавленного до температуры 200 – 300 °C полимера в соотношении 3 : 1 с помощью нагретого до 180 – 205 °C материального цилиндра.
Рециклинг
Полипропилен имеет широкие возможности вторичной переработки: он успешно выдерживает не менее 4 циклов производства и переработки.
В процессе рециклинга происходит новая полимеризация пропилена:
Из вторичного полимера получают:
Причем изделия можно получать как из 100 % вторичного ресурса, так и из смешанной с первичным полипропиленом массы.
Смотрите также по теме «Полипропилен: что это за материал и где его используют»: