Поли(этен) (полиэтилен)

Универсальность, простота изготовления и относительно низкая стоимость делают пластмассы одними из наиболее полезных материалов для широкого спектра применений. В этой статье объясняется химия и производственные процессы двух самых популярных пластиков — полиэтилена и полипропилена.

Пластмассы являются одними из самых разнообразных и полезных материалов в мире. В то время как пластмассы охватывают большое количество материалов, полиэтилен и полипропилен являются двумя основными типами пластмасс, которые используются во многих потребительских товарах, от автомобильных запчастей до сумок для покупок и водопроводных труб.

Несколько типов реакторов могут производить полимеры, включая реакторы с псевдоожиженным слоем, петлевые, автоклавные и трубчатые реакторы. Различные марки полиэтилена и полипропилена обладают широким спектром физических свойств, таких как плотность, жесткость, гибкость, непрозрачность, температура плавления, текстура и прочность. Управляя переменными в реакторе, такими как скорость потока мономера, сомономера, катализатора и охлаждающей среды, можно контролировать ключевые параметры качества. Добавки и красители могут изменить внешний вид полимера.

Полимерные установки представляют собой полунепрерывные процессы. Сырье подается в реактор непрерывно в передней части, а полимерный порошок и гранулы упаковываются партиями. На большинстве площадок работает несколько линий со множеством бункеров и силосов для хранения и смешивания. В конечном итоге пластмассы доставляются клиентам с использованием барж, грузовиков или железнодорожных вагонов.

В этой статье описываются различные процессы производства полиолефинов, их основные рабочие параметры и способы использования автоматизации для улучшения контроля качества и повышения производительности.

Химия изготовления пластика

Полезно понимать некоторые химические процессы, лежащие в основе реакции полимеризации, чтобы понять, как работает этот процесс, и понять сложность изготовления пластика. Реакция полимеризации начинается с первичного ингредиента (мономера), такого как этилен или пропилен.

Этилен (С2H4) представляет собой стабильную молекулу с двумя атомами углерода и двойной связью. Полиэтилен (ПЭ) получают в результате реакции нескольких молекул этилена в присутствии катализатора, чтобы разорвать двойную связь и соединить атомы углерода в цепочку (рис. 1). Чем длиннее цепь, тем выше молекулярная масса. Молекулярная масса полимеров может исчисляться миллионами.

Читайте также:
10 лучших систем домашней безопасности 2022 года | СейфВайс

Точно так же полипропилен (PP) производится путем разрыва двойной связи в пропилене (C3H6) молекулы в присутствии катализатора с образованием длинных цепочек молекул с тремя атомами углерода (рис. 2). Третий атом углерода добавляет сложности: на какой стороне цепи будет метил (CH3) группы попадают? Все они могут быть по одну сторону от центральной линии цепи или остова (изотактические), они могут появляться попеременно на противоположных сторонах остова (синдиотактические), или их положения могут быть случайными (атактическими). Эти устройства имеют разные физические свойства.

Реакции полимеризации также будут потреблять водород, который необходим для гашения реакции (т.е. конце цепи), а некоторые будут включать вторичный ингредиент (известный как сомономер). Поскольку концентрации этих компонентов в реакторе влияют на вероятность протекания конкретных реакций, состав в реакторе эффективно задает степень разветвления и длину цепи.

Фото товара

Рисунок 1. Этилен представляет собой стабильную молекулу с двумя атомами углерода, соединенными двойной связью. Полиэтилен получают реакцией нескольких молекул этилена в присутствии катализатора.

В полимерной промышленности используется много катализаторов, и каждый год разрабатываются новые катализаторы. Различные катализаторы используются для создания полимеров с определенными свойствами даже в одном и том же реакторе. Каждый лицензиар процесса производства полиэтилена или полипропилена включает запатентованные рецептуры катализаторов в свои конструкции реакторов. В зависимости от типа реактора катализаторы могут быть твердыми частицами или взвешенными в углеводороде или растворителе.

Полимеризация является сильно экзотермической реакцией и требует постоянного охлаждения для предотвращения неуправляемых реакций. Большинство реакторных систем включают в себя устройство аварийного гашения, которое быстро останавливает реактор, если температура достигает заданного значения. До внедрения избыточных механизмов управления неуправляемая реакция могла привести к тому, что реактор был полностью забит пластиком. С тех пор схемы процессов изменились, и были внедрены системы безопасности для предотвращения таких инцидентов.

Фото товара

Рисунок 2. Полипропилен получают путем разрыва двойной связи в молекуле пропилена в присутствии катализатора. Полученный полимер может быть изотактическим, со всеми метильными группами на одной стороне основной цепи полимера, синдиотактическим, с чередующимися метильными группами на противоположных сторонах основной цепи, или атактическим (не показано), со случайным расположением метильных групп.

Читайте также:
Выбор наушников для поиска металла (как и почему) - Советы по поиску металла

Фото товара

Рисунок 3. Молекулярно-массовое распределение бимодального полимера имеет более одного пика.

Ключевые характеристики качества

Хотя свойства полимера могут быть несколько изменены на стадиях смешивания и экструдирования, условия в реакторе определяют сорт(ы) продукта, определяемый несколькими ключевыми показателями качества, который может быть получен. Как правило, полиэтилен классифицируется на основе его плотности, линейности молекул (т.е. степень разветвления) и его молекулярная масса (длина цепей). Другие качества полимера, в том числе свойство текучести расплава, известное как показатель текучести расплава, являются функцией кристаллической структуры и также в основном определяются реакцией полимеризации. Индекс текучести расплава определяет поведение полимера в последующих операциях, таких как экструзия, выдувное формование или производство пленки.

Наиболее распространенные марки полиэтилена:

  • полиэтилен высокой плотности (HDPE). Этот полимер имеет плотность больше или равную 0.941 г/см 3 . Он имеет низкую степень разветвления, в основном линейные молекулы, обладает высокой прочностью на разрыв, устойчив ко многим химическим веществам и используется в таких продуктах, как бутылки, кувшины, водопроводные трубы и игрушки.
  • полиэтилен средней плотности (MDPE). Имея диапазон плотности от 0.925 до 0.940 г/см 3 , MDPE обладает лучшей устойчивостью к ударам и растрескиванию под напряжением, чем HDPE, и обычно используется для газовых труб, пластиковых пакетов и упаковочных пленок.
  • полиэтилен низкой плотности (LDPE). Этот сорт имеет диапазон плотности.

Хотите получить доступ к полной статье CEP?

Без проблем. Вам просто нужно выполнить следующие шаги.

Вы выполнили 0 из 2 шагов.

Войти

Вы должны войти в систему, чтобы просмотреть этот контент. Войдите сейчас.

Членство в Айше

Вы должны быть членом AIChE для просмотра этой статьи. Присоединяйся сейчас.

Разрешения на авторское право

Хотели бы вы повторно использовать материалы из журнала CEP? Легко запросить разрешение на повторное использование контента. Просто нажмите здесь, чтобы мгновенно подключиться к службам лицензирования, где вы можете выбрать из списка варианты повторного использования желаемого контента и завершить транзакцию.

Особенности

Изготовление пластмасс: от мономера к полимеру

Универсальность, простота изготовления и относительно низкая стоимость делают пластмассы одними из наиболее полезных материалов для широкого спектра применений. В этой статье объясняется химия и производственные процессы двух самых популярных пластиков — полиэтилена и полипропилена.

Читайте также:
Спиральные опоры - ответы на все вопросы (обновлено в 2021 г. ) - Helical Anchor Inc. Ответы на все вопросы. Чтобы получить спиральный пирс лучшего качества, свяжитесь с нами.

Охладите жидким азотом

Многие низкотемпературные процессы используют охлаждающие и замораживающие способности азота. Узнайте, какие методы используются в каких приложениях и почему.

Автоматизируйте пакетный процесс — часть 2

Знания инженера-химика о процессе являются активом для усилий по автоматизации периодического процесса. Узнайте, какие аспекты автоматизации пакетных процессов заслуживают особого внимания, а также какие проблемы ожидаются в этой развивающейся области.

Перенос безопасности процессов в зал заседаний

Высшее руководство часто не знакомо с решениями, связанными с высокой степенью риска, которые ежедневно принимаются руководителями предприятий. Включите этот метод в свою процедуру управления изменениями (MOC), чтобы убедиться, что все решения соответствуют уровню допустимости риска в вашей организации.

Поли(этен) (полиэтилен)

Ежегодно производится более 80 миллионов тонн полиэтилена, часто известного как полиэтилен и полиэтилен, что делает его самым важным пластиком в мире. Это составляет более 60% этилена, производимого каждый год.

Использование полиэтилена (этилена) (полиэтилена)

Поли(этен) производится в трех основных формах: низкой плотности (LDPE) (< 0.930 г см -3 ) и линейной низкой плотности (LLDPE) (ca 0.915-0.940 г см -3 ) и высокой плотности (ПЭВП) (ca 0.940-0.965 г см -3 ).

Форма LDPE или LLDPE предпочтительна для пленочной упаковки и электроизоляции. ПЭВП выдувается для изготовления контейнеров для бытовых химикатов, таких как моющие средства, и барабанов для промышленной упаковки. Он также экструдируется в виде трубопровода.

ПВД / ЛПЭНП

Рисунок 1 Использование поли(этилена).

Все формы можно использовать для литья под давлением таких изделий, как ведра, коробки для пищевых продуктов и миски для мытья посуды (таблица 1).

Обработка HDPE ПВД LLDPE
Создание фильма Упаковка для еды
Сумки для шоппинга
Упаковочная пленка
Подкладка из молочного картона
Стретч-пленка
Литье под давлением Мусорные баки
Ящики
Ведра
Миски
Ящики для еды
Выдувное формование Бутылки для моющих средств
Барабаны
Сжимаемые бутылки
Экструзия Водопроводные трубы Гибкие водопроводные трубы
Кабельная оболочка
Покрытие кабеля

Таблица 1 Примеры использования полиэтилена.

Рисунок 2. Полиэтилен используется для изготовления больших водопроводных труб.

Рисунок 3 – трубы гораздо меньшего размера.
С любезного разрешения Total.

Читайте также:
Как рассчитать квадратные футы любой комнаты в вашем доме. Калькулятор - HomeAdvisor

Годовое производство полиэтилена (полиэтилена)/млн тонн 1

В 2013, 2015 2018 (есть)
Мир 81.8 99.6
Северная Америка 2 16.0 18.1
Европа 3 12.9 13.8
Азиатско-Тихоокеанский регион 36.6 47.5
Другое 16.3 20.2

1. Фридония, 2014 г.
2. США: 17.4 млн тонн в 2014 г. Руководство по химическому бизнесу, 2015 г., Американский химический совет.
3. 14.0 млн тонн в 2015 г., Plastics – the Facts 2016 PlasticsEurope 2016

ПВД ЛПЭНП* HDPE*
Мир 4 18.7 24.1 37.5
США 5 3.2 6.3 7.9
Европа 6 8.2 7 5.8

4. Nexant и ChemVision, 2014 г.
5. Руководство по химическому бизнесу, 2015 г., Американский химический совет.
6. Пластмассы – факты 2016 г., PlasticsEurope, 2016 г.
7. ПЭНП плюс ЛПЭНП

* Многие заводы могут производить обе формы поли(этилена) и изменять количество каждого типа, которое они производят, в короткие сроки. Оба используют катализатор Циглера (или Филлипса). При использовании чистого этилена образуется ПЭВП. ЛПЭНП получают, когда к этилену добавляют небольшое количество другого алкена, например, бут-1-ена.

Другая форма, обсуждаемая ниже, mLLDPE, в настоящее время производится в гораздо меньших количествах.

Производство полиэтилена (полиэтилена)

Поли(этен) получают несколькими способами путем аддитивной полимеризации этилена, который в основном получают крекингом этана и пропана, лигроина и газойля.

В Бразилии строится новый завод по производству полиэтилена из этилена, полученного из сахарного тростника с использованием биоэтанола. Иногда его называют поли(этилен) на биологической основе (полиэтилен на биологической основе).

Полиэтилен низкой плотности (LDPE)

Процесс протекает при очень высоком давлении (1000-3000 атм) при умеренных температурах (420-570 К), что можно предсказать из уравнения реакции:

Это процесс радикальной полимеризации, в котором используется инициатор, такой как небольшое количество кислорода и/или органический пероксид.

Этен (чистота более 99.9%) компримируется и вместе с инициатором поступает в реактор. Расплавленный полиэтилен удаляют, экструдируют и нарезают на гранулы. Непрореагировавший этен рециркулируют. Средняя молекула полимера содержит 4000-40 000 атомов углерода, с множеством коротких разветвлений.

Он может быть представлен:

На 20 атомов углерода приходится около 1000 разветвлений. Относительная молекулярная масса и разветвление влияют на физические свойства ПЭНП. Ветвление влияет на степень кристалличности, которая, в свою очередь, влияет на плотность материала. LDPE обычно аморфен и прозрачен с кристалличностью около 50%. Ответвления не позволяют молекулам плотно прилегать друг к другу, и поэтому он имеет низкую плотность.

Читайте также:
Квартиры-студии: все, что вам нужно знать!

Полиэтилен высокой плотности (HDPE)

В производстве ПЭВП в основном используются два типа катализатора:

  • металлоорганический катализатор Циглера-Натта (соединения титана с алкилом алюминия).
  • неорганическое соединение, известное как катализатор типа Филлипса. Хорошо известным примером является оксид хрома (VI) на кремнеземе, который получают обжигом соединения хрома (III) при ca 1000 К в кислороде, а затем хранение перед использованием в атмосфере азота.

HDPE производится тремя способами. Все они работают при относительно низких давлениях (10-80 атм) в присутствии катализатора Циглера-Натта или неорганического катализатора. Типичный диапазон температур составляет 350–420 К. Во всех трех процессах водород смешивают с этеном, чтобы контролировать длину цепи полимера.

(i) Суспензионный процесс (с использованием либо CSTR (реактора непрерывного действия с мешалкой), либо контура)

Катализатор Циглера-Натта в виде гранул смешивают с жидким углеводородом (например, 2-метилпропаном (изобутаном) или гексаном), который просто действует как разбавитель. Смесь водорода и этилена пропускают под давлением в суспензию, и этилен полимеризуется в ПЭВП. Реакция протекает в большом петлевом реакторе при постоянном перемешивании смеси (рис. 4). При открытии клапана продукт высвобождается, а растворитель испаряется, оставляя полимер, все еще содержащий катализатор. Водяной пар, протекающий с азотом через полимер, вступает в реакцию с каталитическими центрами, разрушая их активность. Остаток катализатора, оксиды титана (IV) и алюминия, остается смешанным в незначительных количествах с полимером.

Рисунок 4 Производство полиэтилена с использованием
шламовый процесс в петлевом реакторе.

(ii) Процесс решения

Второй метод включает пропускание этилена и водорода под давлением в раствор катализатора Циглера-Натта в углеводороде (C10 или С12 алкан). Полимер получают аналогично суспензионному способу.

(iii) Газофазный процесс

Рис. 6 Газофазный процесс низкого давления.

Смесь этилена и водорода пропускают через катализатор Филлипса в реакторе с неподвижным слоем (рис. 6).

Этен полимеризуется с образованием гранул ПЭВП, взвешенных в протекающем газе, которые выходят из реактора при открытии клапана.

Современные установки иногда используют два или более отдельных реактора последовательно (например, два или более шламовых реактора или два газофазных реактора), каждый из которых находится в слегка различающихся условиях, так что свойства различных продуктов из реакторов присутствуют в продуктах. полученная полимерная смесь, приводящая к широкому или бимодальному молекулярно-массовому распределению. Это обеспечивает улучшенные механические свойства, такие как жесткость и ударная вязкость.

Читайте также:
Свойства горения древесины | Хозяин леса
Рисунок 7 Гранулы полиэтилена, которые затем используются для изготовления пленки, экструдируемой в трубы или формованной.
С любезного разрешения Total.

Порошок ПЭВП, выходящий из любого из рассмотренных выше реакторов, отделяют от разбавителя или растворителя (если он используется), экструдируют и нарезают на гранулы.

Этот метод дает линейные полимерные цепи с небольшим количеством ответвлений. Молекулы полиэтилена могут располагаться ближе друг к другу. Полимерные цепи можно представить следующим образом:

Это приводит к прочным межмолекулярным связям, делая материал более прочным, плотным и жестким, чем LDPE. Полимер не прозрачен.

Линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE)

Поли(этен) низкой плотности имеет множество применений, но метод производства под высоким давлением, с помощью которого он производится, требует больших капитальных затрат. Однако была разработана элегантная технология, основанная как на катализаторах Циглера-Натта, так и на неорганических катализаторах, для производства линейного полиэтилена низкой плотности из полиэтилена низкой плотности, свойства которого даже лучше, чем у полиэтилена низкой плотности. При выборе катализатора Циглера-Натта можно использовать любой из трех процессов: суспензионный, растворный и газовый. Газофазный процесс используется, когда используется неорганический катализатор.

К исходному сырью добавляют небольшие количества сомономера, такого как бутен-1 или гекс-1-ен. Мономеры полимеризуются случайным образом, и вдоль линейных цепочек есть небольшие разветвления, состоящие из нескольких атомов углерода.

Например, с бут-1-еном CH3CH2СН = СН2, структура полимера:

Боковые цепи известны как боковые группы или разветвления коротких цепей. Молекулу можно представить в виде:

Структура в основном линейная, но из-за короткого разветвления цепи имеет низкую плотность. Структура придает материалу гораздо лучшую упругость, прочность на разрыв и гибкость без использования пластификаторов. Это делает линейный полиэтилен низкой плотности идеальным материалом для изготовления пленочных изделий, например, используемых для обертывания.

Свойства полимера и, следовательно, его применение можно варьировать, изменяя соотношение этена и сомономера и используя разные сомономеры. Все это можно сделать, не останавливая завод, что является огромным преимуществом.

Металлоценовый линейный полиэтилен низкой плотности (мЛПЭНП)

Этот полиэтилен, известный как mLLDPE, производится с использованием нового семейства катализаторов — металлоценов. Другое название этого семейства катализатор с одним сайтом. Преимущество заключается в том, что mLLDPE гораздо более гомогенен с точки зрения молекулярной структуры, чем классический LLDPE, полученный с помощью катализаторов Циглера-Натта. Каждый катализатор представляет собой катализатор с одним центром, который производит одну и ту же цепь РЕ. Химики сравнили структуру металлоценов со структурой сэндвича. Существует переходный металл (часто цирконий или титан), «заполняющий» дыру между слоями органических соединений.

Читайте также:
Что такое MOSFET: основы, принцип работы и применение

Катализаторы еще более специфичны, чем оригинальный катализатор Циглера-Натта, и можно контролировать молекулярную массу полимера, а также его конфигурацию. Обычно используются суспензионные или растворные процессы.

Полиэтилен, полученный с использованием металлоцена, можно использовать в качестве очень тонкой пленки, которая обладает превосходными оптическими свойствами и герметизирующими свойствами, что делает их очень эффективными для упаковки пищевых продуктов. Настоящим плюсом металлоценовых катализаторов являются улучшенные механические свойства пленок из mLLDPE.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: