какая реакция лежит в основе получения полипропилена
Полипропилен
Полипропилен: гранулы, нити, трубы, фитинги, мешки, листовой, сотовый.
Полипропилен (ПП) — это термопластичный полимер пропилена (пропена), представляющий собой (в основном) кристаллический полимер стереорегулярного строения, получаемый путем полимеризации пропилена в присутствии металлокомплексных катализаторов.
Полипропилен в промышленности получают в присутствии каталитической системы типа Циглера — Натта Al(C2H5)2Cl/TiCl3 в среде экстракционного бензина и в среде легкого растворителя — пропан-пропиленовой фракции или в массе мономера, а также в присутствии высокоактивной каталитической системы Al(C2H5)2Cl, TiCl3 и основания Льюиса в среде н-гептана.
Полимеризацию пропилена осуществляют в суспензии и растворе, в массе и в газовой фазе. В растворе процесс проводят при более высоких температурах и давлении, чем в суспензии. В газовой фазе скорость процесса и степень изотактичности полимера ниже, чем в жидкой фазе. В жидкой фазе содержание атактического полипропилена не превышает 10%, тогда как в газовой фазе оно достигает 25%. Основными недостатками указанных процессов являются необходимость разложения катализатора ввиду высокой чувствительности к нему полипропилена, удаление из полимера атактического полипропилена, очистка промывной жидкости, регенерация растворителей.
Получаемый полипропилен представляет собой в основном кристаллический полимер стереорегулярного строения.
Ценные физико-механические свойства полипропилена обусловлены высоким содержанием кристаллической фазы, поэтому каталитические системы, применяемые для его получения, должны обладать высокой стереоспецифичностью.
Исходным сырьем для производства полипропилена является пропилен.
Сырье для получения полипропилена
Исходным сырьем для производства полипропилена является пропилен.
Пропилен выделяют из пропан-пропиленовой фракции, получаемой при крекинге и пиролизе нефтяных углеводородов. Выделенная пропиленовая фракция, содержащая около 80% пропилена, подвергается дополнительной ректификации; в результате получают пропилен 98—99%-ной концентрации.
Пропилен высокой степени чистоты, не содержащий влаги, кислорода, оксидов углерода и других примесей, отравляющих катализатор полимеризации, получают дополнительной очисткой.
Наличие в пропилене насыщенных углеводородов этана и пропана не влияет на процесс образования полимера. На этом основан технологический процесс полимеризации пропилена в виде пропан-пропиленовой фракции, содержащей 30% пропилена и 70% пропана, разработанный в СССР, в котором пропан является растворителем и используется для отвода тепла реакции.
Полимеризация пропилена
Полимеризация пропилена в присутствии катализаторов Циглера — Натта протекает по ионно-координационному механизму.
При полимеризации пропилена образующаяся макромолекула полипропилена состоит из элементарных звеньев регулярно чередующихся вторичных и третичных атомов углерода.
Каждый третичный атом углерода является асимметрическим и может иметь одну из двух (D- или L-) стерических конфигураций. Подбирая условия полимеризации и катализатор, можно получить полипропилен, содержащий в основном одну из заданных структур. Такие полимеры называются изотактическими. Полимеры, в цепи которых попеременно чередуются асимметрические атомы углерода D- и L-конфигурации, называются: синдиотактическими. В атактическом полипропилене асимметрические атомы D- и L-конфигурации располагаются беспорядочно. Изотактические и синдиотактические полимеры объединяются под общим названием стереорегулярных полимеров.
Кроме того, в полипропилене имеются участки со стереоблочной структурой, содержащей изотактический и атактический полипропилен.
Полипропилен, выпускаемый в промышленности, представляет собой смесь различных структур, соотношение которых зависит от условий проведения процесса. Наиболее ценным материалом является полимер с низким содержанием примесей атактических и стереоблочных структур.
В зависимости от молекулярной массы и содержания изотактической части свойства полипропилена изменяются в широких пределах. Наибольший практический интерес представляет полипропилен с молекулярной массой 80 000—200 000 и содержанием изотактической части 80—95%.
Содержание в полимере изотактической части зависит от применяемых для полимеризации катализаторов. Стереорегулярный полимер образуется только в присутствии таких катализаторов, которые обладают способностью ориентировать элементарное звено в определенном положении по отношению к ранее присоединенным группам. Молекулы мономера вначале адсорбируются на поверхности твердого катализатора, ориентируются и затем присоединяются к цепи полимера.
Полимеризацию пропилена проводят в присутствии каталитического комплекса Al(C2H5)2Cl/TiCl3 и других катализаторов.
Соотношение компонентов в каталитической системе влияет на скорость полимеризации и на стереоспецифичность. При мольном соотношении AlR2CI:TiCl3=2 : 1 проявляется максимальная активность катализатора, а при соотношении, превышающем 3:1 — наибольшая стереоспецифичность.
Производство полипропилена
В промышленности изотактический полипропилен получают стереоспецифической полимеризацией пропилена на комплексных катализаторах типа Циглера — Натта. Тепловой эффект полимеризации пропилена составляет около 58,7 кДж/моль или 1385 кДж/кг (в 2,4 раза меньше, чем при полимеризации этилена). Это дает возможность отводить тепло полимеризации через рубашку аппарата, охлаждаемую водой, не прибегая к специальным методам отвода тепла (кипение растворителя, циркуляция газа и др.). Полимеризацию проводят в среде растворителя, обычно жидкого углеводорода (бензина, н-гептана, уайт-спирита).
Технологический процесс получения полипропилена (рисунок 1) состоит из стадий:
Рисунок 1.
Продолжительность реакции при температуре 70 °С и давлении 1,0 МПа составляет около 6 часов. Степень конверсии 98%.
Ниже приведены соотношения компонентов (в масс, ч.):
Разбавленная суспензия обрабатывается на центрифуге 6 раствором изопропилового спирта в бензине (до 25%-ной концентрации по массе).
Непрореагировавший пропилен, растворитель, промывные растворы и азот поступают на регенерацию и возвращаются в цикл.
При получении полипропилена полимеризацией пропан-пропиленовой фракции (30% пропилена и 70% пропана) в качестве растворителя используется пропан. Полимеризацию проводят в массе мономера, добавляя избыток пропилена и бензин.
Необходимое давление в аппарате создается за счет паров растворителя пропан-пропиленовой фракции, пропана, бензина, остатка и мономера.
Образовавшийся полипропилен выпадает в виде белого порошка. Дальнейшие процессы обработки полипропилена — разложение каталитического комплекса, промывка полимера, сушка и грануляция проводятся так же, как описано выше.
Освоен промышленный способ получения полипропилена на высокоактивном катализаторном комплексе, состоящем из диэтилалюминийхлорида [Аl(С2Н5)2Сl] в гептане, хлорида титана (TiCl3) в гептане, хлорида алюминия (АlСlз) в гептане или хлорида магния (MgCl2) в гептане. Полимеризацию пропилена осуществляют в среде гептана под давлением 0,9—1,2 МПа и температуре 65—75 °С.
Технологический процесс производства полипропилена (рисунок 2) состоит из операций:
Рисунок 2.
Приготовление катализаторного комплекса проводится периодическим способом в смесителях-диспергаторах в гептане.
Для регулирования плотности и других свойств полимера в систему вводят этилен. Сополимеризация осуществляется в две стадии:
Полученная суспензия полимера в гептане выгружается из реактора, разбавляется гептаном, содержащим Al(С2Н5)H2С l, и подается на сополимеризацию. После заполнения реактора подается пропилен, а затем этилен и водород.
В качестве стабилизаторов применяют амины (дифениламин), а также технический углерод, который вводят в полимер в количестве 1—2%.
Гептан и водно-бутанольная смесь подвергаются регенерации, гептан и бутанол возвращаются в цикл.
Одним из основных направлений совершенствования производства полипропилена является разработка более активных каталитических комплексов, которые можно было бы вводить в небольшом количестве для того, чтобы продукты его разложения не влияли на свойства полимера. При этом отпадает необходимость в стадиях промывки полимера и регенерации промывной жидкости.
Свойства и применение полипропилена
Ниже приведены показатели основных физико-механических свойств полипропилена:
Полипропилен имеет более высокую теплостойкость, чем полиэтилены низкой и высокой плотности. Он обладает хорошими диэлектрическими показателями, которые сохраняются в широком интервале температур. Благодаря чрезвычайно малому водопоглощению его диэлектрические свойства не изменяются при выдерживании во влажной среде.
Полипропилен нерастворим в органических растворителях при комнатной температуре; при нагревании до 80 °С и выше он растворяется в ароматических (бензоле, толуоле), а также хлорированных углеводородах. Полипропилен устойчив к действию кислот и оснований даже при повышенных температурах, а также к водным растворам солей при температурах выше 100 °С, к минеральным и растительным маслам. Старение стереорегулярного полипропилена протекает аналогично старению полиэтилена.
Полипропилен меньше, чем полиэтилен, подвержен растрескиванию под воздействием агрессивных сред.
Одним из существенных недостатков полипропилена является его невысокая морозостойкость (—30 °С). В этом отношении он уступает полиэтилену. Полипропилен перерабатывается всеми применяемыми для термопластов способами.
Модификация полипропилена полиизобутиленом (5—10%) улучшает перерабатываемость материала, повышает его гибкость, стойкость к растрескиванию под напряжением и снижает хрупкость при низких температурах.
Пленки из полипропилена обладают высокой прозрачностью; они теплостойки, механически прочны и имеют малую газопроницаемость и паропроницаемость. Полипропиленовое волокно прочно; оно пригодно для изготовления технических тканей, для изготовления канатов.
Полипропилен применяется для производства пористых материалов — пенопластов.
Полипропилен: формула и реакция его получения
Полипропилен считается крепким и износоустойчивым, кристаллическим термопластичным полимером, в структуре которого находится мономер пропен (пропилен). За счет хороших физико-химических свойств используется в промышленности. Получение полипропилена обходится дешевле, чем другие сорта пластмасс, поэтому его задействуют при производстве многих сортов изделий.
Полипропилен: структурная формула
Формула полипропилена выглядит таким образом: (C3H6)n. Структурное звено полипропилена можно записать формулой: [-CH2-CH(CH3)-]n. Выпускается этот полимер в порошкообразной форме или в гранулированном формате. Благодаря составу полипропилен очень устойчив к химическим реакциям и не вступает во взаимодействие с кислотами, щелочами, искусственными растворителями, а также не получает от них повреждения.
В формуле структуры мономера полипропилена (пропилена) атом водорода замещен метиловой группой. Благодаря наличию двойной связи появляется возможность полимеризации, за счет которой возникает прочный синтетический полимер. В получившейся макромолекуле число n обозначает количество звеньев из мономеров. При различных условиях полимеризации функциональная группа CH3 располагается с разных сторон молекулы метиловой группы – от этого зависит свойство получившегося пластика.
Полипропилен: формула мономера
На производстве изготавливают различные виды полимеров, но чаще всего используются 3 вида:
Формула у каждого из видов та же, но структурные звенья полипропилена расположены в пространстве по-разному, что различает их по механическим, химическим и физическим свойствам. Формула указывает на конструкцию из неограниченного числа молекул пропена. Плотность его самая низкая у пластмасс, но структура позволяет выдерживать механические воздействия и нагрев. Получаемый полимер не подвержен коррозии, но при переизбытке прямых солнечных лучей и кислорода можно наблюдать его порчу.
Любой из видов этого полимера имеет хорошую стойкость к воздействию химических веществ. Ощутимые разрушения слоя могут нанести мощные окислители, например, хлорсульфоновая кислота, олеум, азотная кислота. При нахождении материала в органических растворителях (бензол, толуол) может произойти набухание. Уровень поглощения воды 0,5%, поэтому он считается водонепроницаемым.
Как из пропена получить полипропилен
Методика получения полипропилена впервые была создана химиками Карлом Реном и Джулио Натта в 1954 году. В современной промышленности мономером для получения полипропилена служит вещество, формула которого C3H6, реакция проходит при помощи катализатора Циглера-Натта или металлоценовых катализаторов.
С первым из катализаторов производят изотактический полипропилен. Благодаря гораздо меньшему тепловому эффекту, чем при производстве полиэтилена, отвод тепла не предусматривает специфических способов или дополнительного охладительного оборудования. Процесс проводится в среде жидкого углеводородного растворителя:
Технология состоит из стадий:
Получение полипропилена: реакция
Реакция после загрузки компонентов продолжается около 5-7 ч при температуре выше 65 градусов и давлении 1,0 Мпа. Компоненты смешиваются в пропорции:
Полипропилен получают из вещества, формула которого CH2=CH(CH3) х n частей, а после изготовления формула превращается в [-CH2-CH(CH3)-]n.
Существует еще методы пропан-пропиленой фракции полимеризации попропилена, соединяющие на 30% пропилен и на 70% пропан. Второй компонент используется как растворитель. Аппаратное давление во время производства поддерживается за счет паров, выделяемыми составом. Выпадает осадок готового вещества в виде белого порошка, остальные стадии дублируются по предыдущему методу. Также в промышленных масштабах используют метод с добавлением высокоактивного металлоценового катализатора. Происходит реакция в среде гептана при температуре 65-70 градусов и давлением 1-1,2 Мпа.
Сегодня производство такого полимера нуждается в совершенствовании катализаторов: разрабатываются более активные вещества, способные при небольшой дозировке выполнять тот же функционал, но с меньшей выработкой отходов. Тогда можно будет пропускать шаг с промыванием состава полипропилена и восстановлением промывной жидкости.
Полипропилен получают из вещества пропена (пропилена) путем полимеризации различными комплексами катализаторов при нагревании. Происходит расщепление двойной связи между атомами, образуется полимер с выраженными прочными и водостойкими функциями. Среди различных типов пластмасс он занимает почетное второе место после полиэтилена, ежегодно вырастает производственный оборот за счет относительной дешевизны и высокого качества получаемой продукции.
Реакции полимеризации
Синтетические полимеры (произведенные искусственным путем) химическая промышленность получает при помощи реакций полимеризации и поликонденсации.
В основе реакции полимеризации лежит процесс соединения (при помощи ковалентных связей) друг с другом мономеров (молекул низкомолекулярного соединения), которые и формируют высокомолекулярное соединение (синтетический полимер).
В ходе процесса полимеризации происходит раскрытие двойных связей в молекулах непредельных углеводородов, которые затем соединяются друг с другом в одну макромолекулу гигантских размеров. При разрыве двойной связи высвобождается атом с высокой реакционной активностью, называемый радикалом, у которого имеется непарный электрон. После этого, радикал соединяется с другим радикалом (при этом оба они получают парные электроны), давая тем самым старт образованию полимерной цепи.
Полиэтилен
Рассмотреть процесс полимеризации удобнее всего на примере полиэтилена, являющегося самым простым синтетическим полимером.
На первом этапе выполняется реакция дегидрирования, когда при высокой температуре в присутствии металлического катализатора этан превращается в этилен (от молекулы этана отщепляется два атома водорода, в результате чего формируется двойная связь):
Образовавшийся этилен является мономером, который в дальнейшем будет использован для построения полимера (полиэтилена). Для этого этилен в присутствии катализатора подвергается высокому нагреву без доступа воздуха, что приводит к разрыву двойной углеродной связи, с образованием двух радикалов (на рисунке изображены красным цветом):
Виды полиэтилена, которые можно получить путем реакции полимеризации:
Полипропилен
В структурной формуле пропилена один атом водорода замещен метиловой группой. Поскольку молекула пропилена имеет двойную связь, она также может участвовать в реакциях полимеризации (по аналогии с этиленом), образуя полипропилен.
Коэффициент n указывает число мономерных звеньев, из которых образована макромолекула. Говорят, что n выражает степень полимеризации.
В полипропилене CH3 является функциональной группой. Меняя условия полимеризации, можно создавать молекулы с функциональными группами, которые будут располагаться по-разному(с одной стороны молекулы; по обе ее стороны; в случайном порядке), получая, таким образом, молекулы пропилена с различными свойствами. Свойства полипропилена настолько сильно зависят от расположения в его молекуле метиловой группы, что из данного полимера получаются самые разные изделия, используемые для внутренней и внешней отделки помещений, изготовления корпусов для аккумуляторных батарей, бутылок, канатов и проч.
Поливинилхлорид
В структурной формуле винилхлорида один из атомов водорода заменен атомом хлора. Из винилхлорида путем реакции полимеризации получают поливинилхлорид (ПВХ):
ПВХ является очень прочным полимером, нашедшим широкое применение при изготовлении линолеума, игрушек, садовых шлангов, различных труб.
Полистирол
В молекуле стирола один атом водорода заменен бензольным кольцом. Из стирола при помощи реакции полимеризации получают полистирол (бесцветную твердую пластмассу с хорошими диэлектрическими свойствами):
Основное применение полистирола: изготовление посуды, пуговиц, упаковочных и электроизоляционных материалов. Полистирол трудно поддается рециркуляции, поэтому, «зеленые» активно выступают против его применения.
Политетрафторэтилен
В молекуле тетрафторэтилена вместо атомов водорода присутствуют атомы фтора. При помощи реакции полимеризации из тетрафторэтилена получают политетрафторэтилен (тефлон или фторопласт):
Политетрафторэтилен обладает высокой стойкостью к щелочным и кислым средам, высокой жаропрочностью и очень гладкой поверхностью. Основное применение: изготовление подшипников, в качестве антипригарного покрытия сковородок и кастрюль.
Некоторые другие синтетические полимеры, получаемые при помощи полимеризации:
Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:
Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе