Производство полипропилена. Свойства и применение

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра строительных материалов

Пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине «Органические вяжущие вещества»

на тему:

«Производство полипропилена. Свойства и применение»

Липецк

Содержание:

1.     Введение…………………………………………………………………….3

2.     Характеристика выпускаемой продукции, основные принципы ее производства………………………………………………………………..4

3.     Характеристика района строительства……………………………..…...18

4.     Характеристика сырьевых материалов……………………………..…...20

5.     Выбор и обоснование технологии производства…………………….....22

6.     Определение режима работы предприятия……………………………..24

7.     Расчет складов сырья……………………………………………………..25

8.     Проектирование поточной линии производства …………………….....26

9.     Разработка схемы генерального плана……………………………..……27

    10. Организация контроля производства и качества готовой

          продукции………………............................................................................28

     11. Мероприятия по технике безопасности, охране труда и

            защите окружающей среды…………………………………………......31

     12. Анализ решений, принятых в проекте………………………………….34

     13. Библиографический список………………………………………......…36

1. Введение

Полимерами называют высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся элементарных звеньев одинаковой структуры. Эти элементарные звенья соединены между собой ковалентными связями в длинные цепи различного строения или же образуют жесткие и пластичные пространственные решетки.

Полимеры разнообразны по своему составу, методам получения и свойствам. Производство полимеров является одной из крупных подотраслей нефтехимической промышленности. Основные задачи подотрасли связаны с производством широкой гаммы продуктов органического синтеза: полиэтилена, полипропилена, полистирола, поливинилхлорида и т.п. Производством данной продукции занимаются нефтеперерабатывающие заводы, а также специализированные заводы органического синтеза в составе НПЗ.

Важность отрасли для российской экономики подтверждается расширением использования полимерных материалов и изделий из пластика в промышленности и производстве товаров народного потребления. Наиболее емкими областями применения полимерных материалов являются машиностроение, строительство, легкая промышленность, производство упаковочных материалов.

По оценкам специалистов темпы роста мирового спроса на пластмассы и полимеры в течение ближайших 10 лет значительно ускорятся, в связи с чем объем выпуска полимеров в мире к 2010 г. достигнет 260 млн т, тогда как в 2000 г. было произведено 170 млн т. То есть темпы роста спроса на полимеры составят примерно 5,5% в год.

В 1990-1994 гг. объемы производства полимеров в России значительно снизились, что было обусловлено общим кризисным состоянием российской экономики: падением платежеспособного спроса со стороны потребителей при одновременном росте цен на сырье, электроэнергию, транспорт. Ситуация осложнялась необходимостью обновления ассортимента выпускаемой продукции и улучшения ее качества, из-за чего конкурентоспособность полимеров российского производства на мировом рынке была невысокой.

В середине 90-х годов ситуация в отрасли начала изменяться к лучшему. Постепенное возрождение экономики способствовало росту спроса на полимерные материалы, у предприятий отрасли появились заказы, что способствовало увеличению загрузки производственных мощностей. Многие предприятия вышли со своей продукцией на российский и мировой рынок. Рост объемов продаж позволил нефтехимическим предприятиям провести модернизацию производства, что позволило значительно улучшить качество выпускаемой продукции и расширить ее ассортимент. По итогам 2001 г. рост объемов выпуска синтетических смол и пластмасс в России составил 5,7%, а объемы производства полистирола и ПВХ-смолы превысили самые оптимистичные прогнозы специалистов. Так, согласно положениям "Стратегии развития химической и нефтехимической промышленности на период до 2005 г.", в случае интенсивного развития производства объем выпуска полистирола в 2005 г. должен был составить 100 тыс. т, однако уже в 2001 г. он достиг 105 тыс. т; объем производства ПВХ-смолы вырос в 2001 г. до 487 тыс. т, тогда как, по прогнозу, он должен был достигнуть 430 тыс. т в 2005 г.[1]

2. Характеристика выпускаемой продукции, основные принципы ее технологии.

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 молекулярно весового 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.[2]

Рис. 1. Полипропиленовые цепочки разных структур: а – изотактической; б – стереоблочной; в – атактической; г – синдиотактической.

В зависимости от условий про­ведения процесса полимеризации пропилена получают полимеры с различной молекулярной струк­турой, которая и определяет их физико-механические свойства. Структуры полипропилена разли­чаются пространственным распо­ложением метильных групп по от­ношению к главной цепи полиме­ра. Различают следующие струк­туры полипропилена (рис. 1):

1. Изотактическая структу­ра — вес группы СН3 находятся по одну сторону от плоской цепи. В действительности макромолекулы изотактического полипро­пилена имеют третичную симметрию, так как группы СН3 вдоль главной углеродной цепи располагаются по спирали.

2. Синдиотактическая структура — группы СН3 располагаются строго последовательно по разные стороны от плоскости цепи. Изотактическая и синдиотактическая молекулярные структуры могут характеризоваться разной степенью совершенства простран­ственной регулярности.

3. Атактическая структура - с неупорядоченным расположени­ем метильных групп

4. Промежуточное положение между атактической и изотакти­ческой структурами занимают стереоблокполимеры, в макромоле­кулах которых регулярно чередуются различные по длине изотактические и атактические участки.

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 рентгеновых лучей обнаруживает определенную кристалличность, которая не может быть такой же полной, как у чисто изотактических фракций, поскольку атактические участки вызывают нарушение в кристаллической решетке. [4]

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.[3]

Диэлектрические свойства.

Полипропилен, подобно большинству синтетических полиме­ров, является прекрасным диэлектриком. Благодаря ничтожному водопоглощению его электроизоляционные свойства практически не изменяются даже после длительной выдержки в воде .

Поведение полипропилена как диэлектрика в переменном электрическом поле во многом сходно с поведением полимера при воздействии на него динамической механической нагрузки. Инду­цированные диполи звеньев цепей ориентируются по мгновенному направлению поля, в большей или меньшей степени отставая при этом от возбуждающей силы. Диэлектрическая проницпемость полипропилена почти не за­висит от частоты поля и температуры.

Различие между значениями диэлектрической проницаемости изотактического ( =2,28) и атактического ( =2,16) полимеров не настолько велико, чтобы по этому показателю можно было, на­пример, оценивать содержание атактических фракций в полипро­пилене.

Поверхностные свойства.

Поверхность полипропи­леновых изделий отличает­ся относительно  хорошей износостойкостью, близкой к износостойкости иолиамидов. Стой­кость к истиранию повы­шается с увеличением моле­кулярного веса и почти не зависит от стереоизомерного состава полипропилена .

Антифрикционные свой­ства при контакте полипро­пилена со сталью близки к аналогичным свойствам найлона в су­хом состоянии. При применении смазки коэффициент трения полипропилена снижается в меньшей степени, чем в случае най­лона .

Неполярный характер полипропилена обусловливает плохую адгезию клеев к его поверхности. Поэтому в настоящее время нет надежных методов склеивания полипропиленовых деталей между собой и с другими материалами.

Оптические свойства.

Степень прозрачности изделий из полипропилена определяется прежде всего размером сферолитов, на которых происходит рас­сеяние света. Если удается воспрепятствовать образованию круп­ных сферолитов путем быстрого охлаждения тонкой пленки, то получается прозрачное изделие, которое даже в поляризационном микроскопе не обнаруживает двойного лучепреломления, типичного для сферолитной структуры. Чем меньше скорость охлаждения — а она при плохой теплопроводности полипропилена в значительной степени зависит также и от толщины изделия, — тем крупнее сферолиты и ниже прозрачность изделия. На прозрачность оказывают влияние и другие факторы, от которых зависят размеры сфероли­тов, в частности величина молекулярного веса и стереоизомерный состав полипропилена.[2]

Химическая стойкость.

Полипропилен благодаря своей парафиновой структуре обла­дает высокой стойкостью к действию различных химических реагентов, даже в высоких концентрациях. При нормальной тем­пературе изотактический полипропилен очень хорошо противо­стоит действию органических растворителей даже при длительном пребывании в них. Однако любое нарушение правильности струк­туры цепей, проявляющееся в уменьшении степени кристалличности полипропилена, вызывает снижение стойкости к растворителям. Эту особенность полипропилена Натта использовал для опре­деления содержания в нем атактической, стереоблочной и изотактической структур. Спирты, кетоны, сложные и простые эфиры имеют относительно малое сродство к парафиновой цепи и поэтому не способны сольватировать цепи, прочно связанные в кристалли­ческих участках. Однако они в большей или меньшей степени могут вызывать набухание или даже растворение атактических структур, особенно при высоких температурах. Углеводороды ввиду большего сродства к полипропилену растворяют атактические фракции уже при нормальной температуре. Интересное откло­нение от такой закономерности обнаруживают сжиженные пропан и пропилен, растворяющая способность которых в области темпе­ратур от -10 до -20° С выше, чем при нормальной температуре . По мере повышения температуры растворяющая способность высших углеводородов и их хлорпроизводных возрастает, так что ими можно экстрагировать и частично кристаллические стерео-блокполимеры. Наиболее эффективными растворителями являются ароматические и гидроароматические углеводороды, в которых при повышенных температурах растворяется изотактический полипро­пилен.

Из атмосферных влияний самым сильным оказывается дей­ствие кислорода, активированное солнечным светом.

Токсикологические свойства.

Чистый полипроиилен атактической и изотактической струк­туры физиологически безвреден. Однако необходимо иметь в виду, что промышленный полипропилен содержит целый ряд примесей, о действии которых на организм пока известно очень мало. По­этому требуется тщательная проверка физиологической безвред­ности этих веществ, прежде всего остатков катализатора, а также стабилизаторов и цветных пигментов.[3]

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИПРОПИЛЕНА

1. Полипропилен как констукционный материал.

Производится очень много сортов полипропилена с раз­нообразными свойствами . Практически не существует поли­пропилена общего назначения, который бы с одинаковым успехом использовался, например, как для производства волокна, так и для изготовления деталей машин или пленки. Успешное примене­ние полипропилена для той или иной цели предполагает правиль­ный выбор композиции (сорта, марки материала), которая по своим свойствам наиболее соответствует условиям переработки, назначению изделия и основным требованиям к его конструкции . При применении металлов для конструкционных целей соблюдение принципа подбора считается вполне естественным, при работе же с пластмассами этот принцип пока еще недостаточно прочно вошел в практику. Именно из-за незнания взаимосвязи областей применения и свойств пластических масс было допущено немало ошибок при внедрении их в технику.

2. Тара и упаковка.

Полипропилен, в особенности пленка из него, обладает всеми необходимыми свойствами для применения в этой области. По своим характеристикам полипропиленовая пленка близка к поли­этиленовой, причем по некоторым показателям превосходит ее. По сравнению с пленками из других термопластов полипропиленовая пленка имеет преимущество в отношении стойкости к нагреванию и действию химических реагентов (она может быть подвергнута стерилизации при температуре выше 100° С, что определяет целе­сообразность ее использования в пищевой и фармацевтическом промышленности). Ее достоинствами являются также превосходили гибкость, глянцевитость поверхности, прозрачность, незначитель­ная паропроницаемость, нетоксичность, сравнительно легкая сва­риваемость и хорошая сопротивляемость усталостной коррозии.

Несколько лет назад начали получать полипропиленовые пленки, ориентированные в одном или двух взаимно перпенди­кулярных направлениях. Ориентация пленки улучшает ее прочность, жесткость, влагоизоляционные свойства и прозрачность. Прочность пленки, ориентированной в двух направлениях, в 4—8 раз превышает прочность неориентированной. По свариваемости ориентированная пленка уступает неориентированной, поэтому главным потребителем ее как упаковочного материала следует считать галантерею, где она ценна благодаря своей исключитель­ной прозрачности, отсутствию морщинистости - в этом отноше­нии она лучше полиамидной пленки.

Вполне оправдало себя применение полипропилена для изго­товления затворов (пробок), бутылей , контейнеров. Как указывается в литературе , полипропилен может успешно кон­курировать с традиционными материалами в отношении экономич­ности изготовления этих изделий (полипропилен способен формо­ваться при исключительно коротких циклах). По прочности, ударостойкости и химической стойкости полипропилен превосходит полистирол, а по жесткости, сопротивлению истиранию и внешнему блеску - полиэтилен.[2]

3. Волокно.

Большое количество изотактического полипропилена расхо­дуется на производство волокна. Характерной особенностью полипропиленового волокна является его малая по сравнению с другими видами синтетических волокон плотность (0,905). Из 1 кг полипропилена можно получить 240000 м моноволокна диа­метром 0,075 мм , т. е. больше, чем из любого другого синте­тического материала, применяемого для производства моноволо­кон. Малая плотность полипропиленового моноволокна сочетается с исключительной прочностью и высокими эластическими свой­ствами. В то же время полипропиленовое волокно имеет меньший крип при постоянной нагрузке, более устойчиво к выцветанию и способно выдерживать без изменений воздействие более высоких температур (на 30° С), чем полиэтиленовое. Однако до сих пор не решена проблема стабилизации полипропиленового волокна от ультрафиолетового излучения. Это ограничивает возможность его использования в текстильной промышленности. Серьезными недо­статками этого волокна являются также пониженная гигроскопич­ность (при использовании его для изготовления бельевых тканей), относительно плохая поверхностная окрашиваемость (поэтому не­редко практикуется нерациональный метод окрашивания в массе) и не вполне удовлетворительная морозостойкость (20°С для ориентированного волокна).

С целью устранения этих недостатков полипропилен можно модифицировать разными методами, в частности введением в него специальных добавок (например, веществ с хорошими гидрофиль­ными свойствами или содержащих реакционноспособные группы, необходимые для крашения, ультрафиолетовых стабилизаторов, морозостойких добавок и т. п.) , Хотя проблемы модифи­кации полипропилена разрешены еще далеко не полностью, неко­торые зарубежные фирмы производят в опытных количествах над­лежащим образом стабилизированные и окрашенные волокна, способные выдержать длительную эксплуатацию в условиях воз­действия солнечных лучей (под открытым небом). Бесспорно, что решение указанных проблем принципиально возможно и является лишь делом времени.[3]

4. Полипропилен как антикоррозионный материал.

Одно из типичных применений полипропилена — плакировка резервуаров, предназначенных для транспортировки и хранения химически агрессивных жидкостей, в том числе различных продовольственных товаров .

Были предприняты попытки изготовления полипропилено­вых слоистых стеклопластиков различными методами. Основную трудность при этом представляет недостаточная адгезия полипро­пилена к стеклу

Кроме того, из полипропилена изготовляют корпуса насосов, работающих в агрессивных средах, шестерни, колпаки, трубопро­воды и арматуру. Там, где требуется ударостойкость при высоких рабочих температурах, полипропилен может конкурировать с поливинилхлоридом.

5. Применение в машиностроении.

Низкий коэффициент трения и высокая износоустойчивость полипропилена позволяют использовать этот перспективный мате­риал для конструкционных и других целей в машиностроительной промышленности, в том числе и там, где химическая стойкость имеет второстепенное значение. Из полипропилена изготовляют, в частности, детали текстильного оборудования (бобины, сепара­торы, веретена), вентиляторов, пылесосов, полотеров, холодильни­ков, колпаки и винты машин для стрижки газонов и т. д. . При­менение его для этих целей вполне обоснованно: вентиляторы с по­липропиленовыми деталями создают меньше шума и более стойки к вибрации, чем металлические, к тому же они более безопасны при случайном попадании пальцев между лопастями, что особенно важно в случае настольных вентиляторов.

В автомобильной промышленности полипропилен пока не по­лучил широкого применения. Это объясняется, в частности, тем, что рабочие части автомобилей проходят длительные испытания на прочность и надежность. Тем не менее европейские автомоби­лестроители в настоящее время уже изготовляют из полипропилена амортизаторы, приборные щитки, распределительные коробки, штепсельные соединения, блоки предохранителей, рефлекторы, клаксоны, трубопроводы установки для кондиционирования воз­духа, педали подачи топлива (сформованные в виде одного це­лого), оконные детали, дверные прокладки, а также сидения, заполненные полиуретановым пенопластом . Рабочие части, непосредственно контактирующие с керосином или бензином (на­пример, насосы и карбюраторы), целесообразнее изготовлять из полиамида, так как бензин и керосин размягчают полипро­пилен.

Корпуса насосов для щелока до последнего времени делали из полиэтилена высокого или низкого давления или металла. Ме­таллические детали непригодны для этой цели ввиду химической агрессивности моющих средств, а полиэтиленовые подвержены усталостной коррозии.

К полипропилену был проявлен большой интерес как к мате­риалу для изготовления деталей посудомоечных полуавтоматов, где он ценен благодаря химической стойкости, высокой износо­устойчивости и ударопрочности.[2]

6. Применение в электротехнике.

В электротехнической промышленности находят применение формованные детали из полипропилена (например, катушки, обоймы, футляры, ламповые патроны, подставки, детали выключа­телей и телефонных аппаратов, корпуса радиоприемников, репро­дукторов, телевизоров и т. п.) , а также изоляционные оболочки и пленка, главным образом в виде ленты.

В качестве материала для изоляции электрических проводов и кабелей полипропилен пока еще не получил широкого признания, несмотря на то, что обладает высокими диэлектрическими свой­ствами и малой проницаемостью для паров воды. По всей вероят­ности, это связано с тем, что полипропилен, как каждый новый изоляционный материал, сначала должен выдержать длительный испытательный срок.

Полипропилен пробовали применять для изоляции электро­проводов легкого типа, находящихся под напряжением 220 В. По­скольку для этой цели в настоящее время с успехом применяются другие изоляционные материалы, в частности поливинилхлорид, их замена полипропиленом была бы оправданной только в том случае, если бы он имел явное преимущество перед ними. Внедре­ние полипропилена означало бы уменьшение веса электроизоля­ции, а также повышение ее теплостойкости и, как следствие, воз­можность увеличения допустимой нагрузки в цепи и экономии изоляционного материала. Однако недостаточная гибкость поли­пропилена в относительно толстом слое ограничивает его приме­нимость для электротехнической изоляции. При снижении толщины полипропиленового покрытия оно приобретает нужную гибкость, но при этом возрастает опасность механического поврежде­ния его.

В высокочастотной технике применение полипропилена затруд­нено тем, что в нем обычно содержатся остатки катализатора. Существующие технологические методы не обеспечивают дости­жения требуемой степени чистоты полимера. Правда, для боль­шинства применений незначительное увеличение тангенса угла диэлектрических потерь не является помехой.

В последние годы в технике нашли распространение коммуни­кационные провода с пеноизоляцией. Полипропиленовый пенопласт может конкурировать в этой области с полиэтиленовым, так как обладает более низкой диэлектрической проницаемостью и луч­шими физическими свойствами.

Полипропиленовая пленка в виде ленты широко применяется для различных электротехнических целей. Этому способствуют вы­сокая электрическая прочность тонких пленок, теплостойкость и способность к намотке.

7. Применение в медецине.

Долговременная устойчивость при температурах выше 100° С позволяет использовать полипропилен для изготовления корпусов ингаляторов, которые не подвержены коррозии под действием ми­неральных вод, применяемых для ингаляции, а также специальных трубок и шлангов.