Введение в полипропилен и его применение

Полипропилен (ПП) — это высокомолекулярный полимер, получаемый путём полимеризации мономеров пропилена. В зависимости от применяемого процесса полимеризации производство ПП можно разделить на пять основных методов: полимеризация в растворе, суспензионная полимеризация, блочная полимеризация, газофазная полимеризация и комбинированная блочно-газофазная полимеризация. По молекулярной структуре полипропилен обычно подразделяют на три типа: изотактический полипропилен, синдиотактический полипропилен и атактический полипропилен. Изотактический полипропилен является наиболее широко используемым типом, на его долю приходится более 90% общего потребления. Атактический полипропилен в основном используется в добавках, клеях и модифицированных материалах. При использовании в качестве носителя для модифицированных мастербатчей он обеспечивает высокую вязкость, хорошую текучесть и превосходные характеристики инкапсуляции.

Свойства полипропилена

① Механические свойства

По сравнению с полиэтиленом полипропилен обычно обеспечивает лучшие механические свойства, включая более высокую прочность, жёсткость и твёрдость, а также улучшенный глянец поверхности. Тем не менее эти свойства остаются относительно умеренными по сравнению со свойствами других инженерных пластиков. Более высокие требования к прочности могут быть достигнуты за счёт использования высококристаллического полипропилена или введения наполнителей и армирующих материалов.

На ударную вязкость полипропилена влияют такие факторы, как молекулярная масса, степень кристалличности и размер кристаллов, а также она сильно зависит от температуры. Его ударопрочность имеет тенденцию к снижению при более низких температурах. В то же время полипропилен обладает превосходной стойкостью к изгибу и усталости. При комнатной температуре изделия из полипропилена выдерживают многократный изгиб — до примерно одного миллиона циклов — без разрушения.

② Электрические свойства

Будучи неполярным полимером, полипропилен обладает превосходными электроизоляционными свойствами. Его электрические характеристики относительно нечувствительны к изменениям влажности окружающей среды и частоты электрического поля, что позволяет эффективно использовать его в качестве диэлектрика и изоляционного материала, в том числе в высокочастотных применениях.

Полипропилен также демонстрирует превосходную дугостойкость: время стойкости к дуге составляет примерно 130–180 секунд, что считается высоким показателем среди пластиковых материалов. Однако склонность к хрупкости при низких температурах ограничивает его применение в некоторых изоляционных областях по сравнению с полиэтиленом и поливинилхлоридом (ПВХ). Поэтому он в основном используется для изоляции телекоммуникационных кабелей и корпусов электроприборов.

③ Термические свойства

Полипропилен демонстрирует хорошую термостойкость и обычно может использоваться при температурах выше 100°C, достигая примерно 120°C в условиях лёгкой нагрузки. Его максимальная температура длительной эксплуатации составляет около 120°C, а кратковременная рабочая температура может достигать примерно 150°C.

Он также обладает превосходной стойкостью к кипящей воде и пару, что делает его особенно подходящим для медицинских изделий, требующих стерилизации под высоким давлением. С коэффициентом теплопроводности примерно 0,15–0,24 Вт/(м·К), который ниже, чем у полиэтилена, полипропилен также может обеспечивать эффективную теплоизоляцию.

④ Химическая стойкость

Полипропилен представляет собой неполярный кристаллический полимер на основе алканов с хорошей стойкостью к химической коррозии. При комнатной температуре он нерастворим в растворителях, хотя может набухать при воздействии некоторых растворителей.

ПП обычно устойчив к кислотам, щелочам, солям и большинству органических растворителей, включая спирты, фенолы, альдегиды, кетоны и большинство карбоновых кислот. Однако он чувствителен к сильным окислителям, концентрированной серной кислоте и концентрированной азотной кислоте. Он также обладает превосходной стойкостью к растрескиванию под воздействием окружающей среды.

Ароматические и хлорированные углеводороды могут вызывать набухание полипропилена, причем этот эффект усиливается с повышением температуры. При повышенных температурах полипропилен может растворяться в таких растворителях, как тетрагидронафталин, декагидронафталин и 1,2,4-трихлорбензол.

⑤ Экологические свойства

Полипропилен обладает относительно низкой атмосферостойкостью. Атомы водорода, присоединенные к его третичным атомам углерода, подвержены окислению, что делает ПП особенно чувствительным к ультрафиолетовому (УФ) излучению и склонным к деградации при длительном воздействии кислорода и УФ-света.

Без стабилизации полипропилен может подвергаться быстрой деградации эксплуатационных свойств уже после всего четырёх месяцев хранения в помещении. Он также может становиться хрупким после высокотемпературного старения при 150°C в течение примерно 0,5–3,0 часов или после примерно 12 дней воздействия атмосферы.

Поэтому в полипропиленовую смолу обычно добавляют антиоксиданты и светостабилизаторы для повышения её стойкости к окислению и УФ-деградации. В присутствии меди скорость окислительной деградации может возрастать в несколько сотен раз. Следовательно, необходимо вводить ингибиторы меди, такие как салицилиденэтилендиамин, бензоилгидразид или бензотриазол, чтобы помочь защитить полипропилен от ускоренной деградации.

Приложения

Полипропилен обладает превосходными технологическими свойствами, что позволяет изготавливать из него самые разнообразные изделия различными методами переработки. Изделия из полипропилена, полученные литьем под давлением, широко применяются, при этом обычный полипропилен в основном используется для повседневных потребительских товаров. Модифицированный полипропилен, в свою очередь, широко используется в автомобильных, бытовых и промышленных компонентах. Например, ударопрочный модифицированный полипропилен обычно применяется для бамперов и колпаков колес, а армированный полипропилен подходит для приборных панелей, рулевых колес, лопастей вентиляторов, ручек и других деталей.

Экструдированные изделия из полипропилена также составляют значительную часть потребления полипропилена, в частности волокна и нити. Их широкое применение объясняется превосходной механической прочностью полипропилена, износостойкостью, химической стойкостью и относительно низкой стоимостью. К полипропиленовым нитевым и волокнистым продуктам относятся мононити, плоские нити (ленточные нити) и штапельные волокна.

Мононити характеризуются низкой плотностью, высокой вязкостью и хорошей стойкостью к истиранию, что делает их пригодными для производства канатов, рыболовных сетей и аналогичных изделий. Плоские нити обладают высокой прочностью на разрыв и широко используются для изготовления тканых мешков для упаковки удобрений, цемента, зерна и химического сырья. Их также можно перерабатывать в тканые полотна для рекламных материалов, брезентов и сопутствующих изделий.

Полипропиленовые волокна широко используются в производстве ковров, одеял, одежды, искусственного газона, фильтровальных тканей, нетканых материалов, штор и других изделий. Экструзионная обработка также широко применяется для изготовления полипропиленовых плёнок. Двухосно ориентированные полипропиленовые плёнки обладают повышенной прочностью и прозрачностью, что делает их пригодными для таких применений, как ленты для пишущих машинок, упаковка сигарет и пакеты для упаковки пищевых продуктов.

К другим экструдированным полипропиленовым изделиям относятся трубы, листы, узкие полосы, нити из расщеплённой плёнки и упаковочные ленты. Полые полипропиленовые изделия обладают превосходной прозрачностью, механическими характеристиками и влагобарьерными свойствами. В результате они широко используются в качестве упаковочной тары для моющих средств, косметики, фармацевтических препаратов, жидкого топлива, химических реагентов и других продуктов.

Полипропилен также является основной синтетической смолой, используемой в производстве модифицированных мастербатчей. На ранних этапах развития этой технологии технические специалисты Пекинской компании пластиковой промышленности использовали атактический полипропилен (АПП) — побочный продукт производства изотактического полипропилена на Яньшаньском нефтехимическом комбинате — вместе с тяжёлым карбонатом кальция и соответствующими добавками для получения наполненных модифицированных мастербатчей. Эти мастербатчи вводили в полипропиленовые изделия, такие как плоские нити и упаковочные ленты, для улучшения способности к печати, снижения усадки изделий и повышения общей экономической эффективности.

Этот подход также обеспечил эффективный способ использования побочного продукта нефтехимии. Определив применение для атактического полипропилена, процесс помог повысить ценность этого иначе недостаточно используемого материала. Однако с продолжающимся развитием технологий производства синтетических смол изотактичность полипропилена возросла, тогда как выход и качество атактического полипропилена постепенно снизились. Поскольку объём производства и сфера применения наполненных модифицированных мастербатчей быстро расширялись, всё меньше производителей продолжали использовать атактический полипропилен в качестве смолы-носителя.

Сегодня изотактический полипропилен составляет большинство смол-носителей, используемых в наполненных модифицированных мастербатчах. Порошкообразный полипропилен, производимый с помощью малотоннажных процессов блочной полимеризации, также продолжает играть важную роль в этом применении.