Разрушающее напряжение при растяжении полипропилена
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 26 апреля 2020; проверки требуют 5 правок.
Полипропилен (PP) — термопластичный полимер пропилена (пропена).
Получение[править | править код]
Полипропилен получают полимеризацией пропилена в присутствии металлокомплексных катализаторов, например, катализаторов Циглера—Натта (например, смесь TiCl4 и AlR3):
nCH2=CH(CH3) → [-CH2-CH(CH3)-]n
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[править | править код]
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 °C, 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 °C и лучшей стойкостью к действию химических реагентов. Стереоблокполимер полипропилена при исследовании с помощью рентгеновских лучей обнаруживает определённую кристалличность, которая не может быть такой же полной, как у чисто изотактических фракций, поскольку атактические участки вызывают нарушение в кристаллической решётке. Изотактический и синдиотактический образуются случайным образом;
Физико-механические свойства[править | править код]
В отличие от полиэтилена, полипропилен менее плотный (плотность 0,91 г/см³, что является наименьшим значением вообще для всех пластмасс), более твёрдый (стоек к истиранию), более термостойкий (начинает размягчаться при 140 °C, температура плавления 175 °C), почти не подвергается коррозионному растрескиванию. Обладает высокой чувствительностью к свету и кислороду (чувствительность понижается при введении стабилизаторов).
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/см³ | 0,90—0,91 |
| Разрушающее напряжение при растяжении, кгс/см | 250—400 |
| Относительное удлинение при разрыве, % | 200—800 |
| Модуль упругости при изгибе, кгс/см | 6700—11900 |
| Предел текучести при растяжении, кгс/см | 250—350 |
| Относительно удлинение при пределе текучести, % | 10—20 |
| Ударная вязкость с надрезом, кгс·см/см² | 33—80 |
| Твердость по Бринеллю, кгс/мм² | 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/см, 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[править | править код]
Полипропилен — химически стойкий материал. Заметное воздействие на него оказывают только сильные окислители — хлорсульфоновая кислота, дымящая азотная кислота, галогены, олеум. Концентрированная 58%-я серная кислота и 30%-й пероксид 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%-я | 70 | -0,1 | Образец растрескивается |
| Натр едкий, 40%-й | 70 | Незначительное | |
| 90 | |||
| Соляная кислота, конц. | 70 | +0,3 | |
| 90 | +0,5 | ||
| Продолжительность выдержки образца в среде реагента 30 суток | |||
| Азотная кислота, 94%-я | 20 | -0,2 | Образец хрупкий |
| Ацетон | 20 | +2,0 | |
| Бензин | 20 | +13,2 | |
| Бензол | 20 | +12,5 | |
| Едкий натр, 40%-й | 20 | Незначительное | |
| Минеральное масло | 20 | +0,3 | |
| Оливковое масло | 20 | +0,1 | |
| Серная кислота, 80%-я | 20 | Незначительное | Слабое окрашивание |
| Серная кислота, 98%-я | 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%-м водном растворе эмульгатора ОП-7 при 50 °C для полипропилена с показателем текучести расплава 0,5—2,0 г/10 мин, находящегося в напряжённом 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 60 °C — менее 2 %.
Теплофизические свойства[править | править код]
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—140 ºC. 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 −15 ºC. 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[править | править код]
Показатели электрических свойств полипропилена приведены в таблице:
Переработка[править | править код]
Основные способы переработки — формование методами экструзии, вакуум- и пневмоформования, экструзионно-выдувного, инжекционно-выдувного, инжекционного, компрессионного формования, литьё под давлением.
Применение[править | править код]
Материал для производства плёнок (особенно упаковочных), мешков, тары, труб, деталей технической аппаратуры, пластиковых стаканчиков, предметов домашнего обихода, нетканых материалов, 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 вспененному полиэтилену (пенополиэтилен). Также встречаются декоративные экструзионные профили из ППП, заменяющие пенополистирол. Атактический полипропилен используют для изготовления строительных клеев, замазок, уплотняющих мастик, дорожных покрытий и липких плёнок.
Структура применения полипропилена в России в 2012 году была следующей: 38 % — тара, 30 % — нити, волокна, 18 % — плёнки, 6 % — трубы, 5 % — полипропиленовые листы, 3 % — прочее[1].
Рынок полипропилена[править | править код]
Полипропилен занимает второе место в мире среди полимеров по объёму потребления, с долей 26 % уступая только полиэтилену. Доля занимающего третью позицию поливинилхлорида (18 %) сокращается в пользу полипропилена. 76 % мирового потребления полипропилена приходится на гомополипропилен, остальное на сополимеры[2]. В России потребление полипропилена выросло с 250 тыс. т в 2002 году до 880 тыс. т в 2012 году[1], при этом остаётся на довольно низком уровне: 1,6 % от мирового[3] или 6 кг на человека в год против 18 кг/чел. в Западной Европе, 17 кг/чел. в США и 12 кг/чел. в Китае[2].
В мире наблюдается перепроизводство полипропилена: сейчас переизбыток оценивается в размере 7,4 млн тонн в год[1], в 2015 году при ожидаемом объёме мирового потребления 66 млн т производственные мощности составят 79 млн т[3].
Российское производство полипропилена началось в 1981 году на Томском нефтехимическом комбинате (ныне принадлежит «Сибуру»). В 1990-е годы установки по производству полипропилена были построены на Московском НПЗ («Газпром нефть» и «Сибур») и «Уфаоргсинтезе» («Башнефть»). В 2007 году производство полипропилена открылось на будённовском Ставролене («Лукойл»), а в 2013 году на омском Полиоме[2].
Крупнейшее российское производство полипропилена открылось 15 октября 2013 года — это принадлежащий «Сибуру» завод «Тобольск-Полимер»[1][2]. В момент запуска тобольского завода он входил в пятёрку самых мощных в мире (ещё два завода имели такую же мощность)[2][5]. Предприятие рассчитано на производство 510 тыс. т пропилена в год методом дегидрирования пропана (подрядчик — Maire Tecnimont, оборудование — UOP, получаемого на Тобольском нефтехимическом комбинате, и последующее производство из него 500 тыс. т полипропилена в год (подрядчик — Linde, оборудование — Ineos[1][4]. Мощности прочих российских заводов по выпуску полипропилена не превышают 250 тыс. т в год[2]. «Тобольск-Полимер» специализируется на выпуске гомополипропилена, в то время как производство сополимеров «Сибур» решил сосредоточить на Томском НХК и Московском НПЗ[4].
В 2015 году в России было произведено 1275 тыс. тонн полипропилена, при этом экспорт составил 350 тыс. тонн.[6][7]
См. также[править | править код]
- Система маркировки пластика
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Перепёлкин В. П. Полипропилен, его свойства и методы переработки. — Л.: ЛДНТП, 1963. — 256 c.
- Кренцель Б. А., Л. Г. Сидорова. Полипропилен. — Киев.: Техника, 1964. — 89 с.
- Коллектив авторов (И. Амрож и т. д.). Полипропилен. Перевод со словацкого В. А. Егорова. Под ред. В. И. Пилиповского и И. К. Ярцева. — Л.: Химия, 1967. — 316 c.
- Иванюков Д. В., М. Л. Фридман. Полипропилен. — М.: Химия, 1974. — 270 с.
- Handbook of Polypropylene and Polypropylene Composites / ed. H.G. Karian. — NewYork.: MarcelDekker Inc, 2003. — 740 p.
- Polypropylene. An A to Z reference / ed. J. Karger-Kocsis. Kluwer, 1999. — 987 p.
- ГОСТ 26996-86 «Полипропилен и сополимеры пропилена».
Источник
Полипропилен (PP) — термопластичный полимер пропилена (пропена). Проще говоря, это пластиковый полимер с широкой областью применения. В настоящее время он является наиболее востребованным современным пластиком, благодаря своим отличным потребительским свойствам и универсальностью использования. Сегодня полипропилен занимает второе место на мировом рынке по объему потребления, немного уступая полиэтилену.
Технические характеристики
Полипропилен имеет относительно высокую прочность. Многочисленные эксперименты показали, что он выдерживает большую нагрузку, что намного превышает возможности полиэтилена. 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.
В отличие от полиэтилена, полипропилен менее плотный — его плотность 0,91 г/см³, что является наименьшим значением вообще для всех пластмасс и при этом более твёрд (стоек к истиранию).
Легок в обработке. Полипропилен легко поддается сварке, распилу, сверлению, хорошо гнется, что значительно расширяет возможности его применения в промышленности и быту.
Полипропилен более термостойкий — имеет более высокую температуру плавления, чем полиэтилен , и соответственно более высокую температуру разложения. Чистый изотактический полипропилен плавится при 176 °C. , начинает размягчаться при 140 °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, тем не менее полимер прекрасно справляется с отрицательными температурами, выдерживая – 10 градусов по Цельсию и более низкие температуры.
Устойчив к резким перепадам температуры. Быстрая смена температурного режима также не страшна этому материалу. Хорошо выдерживает стремительный переход от минуса к плюсу и обратно.
Имеет превосходные диэлектрические свойства. Высокая диэлектрическая константа вместе с большой диэлектрической прочностью обеспечивают широкие возможности его применения в качестве электроизоляционного материала.
почти не подвергается коррозионному растрескиванию. Обладает высокой чувствительностью к свету и кислороду (чувствительность понижается при введении стабилизаторов).
Химические характеристики
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%-ный пероксид водорода при комнатной температуре действуют незначительно. Продолжительный контакт с этими реагентами при 60 °C и выше приводит к деструкции полипропилена.
Устойчив к агрессии химических веществ. Эта особенность материала позволяет широко применять его для нужд химических предприятий. Он выдерживает воздействие раскаленного металла, различных кислот и испарений. В частности, это свойство используется при изготовлении воздуховодов и вентиляции для вредных производств.
Экологичен и безопасен для окружающей среды и человека. Многочисленные опыты доказали нетоксичность и абсолютную экологическую безопасность этого материала для окружающей среды и человека. Поэтому он используется при производстве емкостей для воды, а также различных жидкостей и сыпучих продуктов питания. Очень часто его применяют при строительстве сооружений для очистки воды.
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 %.
Переработка
Основные способы переработки — формование методами экструзии, вакуум- и пневмоформования, экструзионно-выдувного, инжекционно-выдувного, инжекционного, компрессионного формования, литьё под давлением.
Сфера применения
Является материалом для производства плёнок (особенно упаковочных), мешков, тары, труб, деталей технической аппаратуры, пластиковых стаканчиков, предметов домашнего обихода, нетканых материалов, 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 плёнок.
Структура применения полипропилена в России в 2012 году была следующей: 38 % — тара, 30 % — нити, волокна, 18 % — плёнки, 6 % — трубы, 5 % — полипропиленовые листы, 3 % — прочее[1].
Получение полимерных материалов в свое время было настоящим прорывом. Низкая себестоимость и отличные физические и химические свойства полипропилена способствовали развитию многих отраслей промышленности. Благодаря внедрению новых технологий удалось повысить эффективность производства, заменить многие дорогостоящие материалы более современными и прогрессивными.
Полипропилен послужил основой для получения множества модифицированных материалов, среди них высокопрочные пластики и смесевые термоэластопласты. Новые высокотехнологичные материалы являются экологически чистыми и легко подвергаются переработке и утилизации.
Все это способствует тому, что полипропилен постепенно вытесняет с рынка такие материалы, как поливинилхлорид, АБС-пластик, полистирол и другие. Широко используется во всех ключевых отраслях современной мировой экономики: электронике, машиностроении, строительстве и многих других. Во многом по этой причине полипропилен получил народное название «король пластмасс». И хотя пока он не является лидером в своем сегменте, постепенно сфера его применения расширяется.
Упаковочные материалы и полипропиленовые волокна
Полипропилен широко применяется в упаковке. Например, полипропиленовые пленки, пожалуй, самый популярный упаковочный материал в мире. В чем-то они схожи с полиэтиленом, но по некоторым параметрам даже превосходят его. Главные преимущества полипропиленовой пленки над полиэтиленовой заключаются в следующем:
• лучшие показатели устойчивости к высоким температурам и агрессивным веществам;
• отличные потребительские свойства – прозрачность, прочность, гибкость и экологичность;
• лучшие презентационные характеристики.
Не так давно на рынке появились так называемые ориентированные пленки, особая технология производства позволила значительно улучшить и без того превосходные качества полипропиленовых пленок. Например, прозрачность ориентированной пленки в четыре раза лучше, чем у обычного полипропиленового материала.
В последние годы полипропилен стал часто использоваться при производстве пластиковой тары – бутылок, банок и других емкостей, а также крышек для них. Кроме этого его используют для производства различных контейнеров и емкостей для перевозки химикатов.
Низкая себестоимость полипропиленовых волокон обеспечила им широкое распространение в текстильной промышленности.
Имея невысокую стоимость, при этом они отличаются высокой прочностью и хорошей эластичностью. Еще одним достоинством этих синтетических волокон является превосходная термостойкость. Единственным, но существенным их недостатком является чувствительность к ультрафиолету, что несколько тормозит повсеместное распространение полипропиленовых волокон.
Применение в машиностроении и электронике
Широкому использованию материала в машиностроении, автомобилестроении и строительстве способствовала его высокая износостойкость. Многие комплектующие для бытовой техники – холодильников, пылесосов, стиральных машин, производятся из полипропилена. При производстве автомобилей также используется этот синтетический материал. В частности, из него делают детали салона, бамперы, амортизаторы и многое другое.
В электронике из него производят корпусы телевизоров, телефонов, катушки, патроны ламп, элементы выключателей – перечислить все просто не представляется возможным. Проще сказать, что полипропилен окружает нас повсюду в повседневной жизни.
Использование в медицине
В медицине полипропилен стали использовать, благодаря его устойчивости при высоких температурах. Что это дает? Произведенные из него изделия могут выдерживать стерилизацию при любых условиях, поэтому из полипропилена производят шприцы, ингаляторы и массу другого медицинского инструментария и оборудования. Кроме того, его применяют при производстве медицинской упаковки. Экологическая безопасность этого материала также способствовала его широкому распространению в медицине.
Товары для детей
Исключительная безопасность материала позволяет использовать его для производства детских товаров. Посуда, бытовые принадлежности, игрушки и множество другой продукции для самых маленьких изготавливаются из полипропилена.
Сочетание нескольких его свойств – экологичность, высокая износостойкость, прочность обуславливают его широкое применение в быту.
Мировое потребление полипропилена увеличивается с каждым годом. Его доля в производстве товаров народного потребления неуклонно растет. Он постепенно захватывает новые сегменты рынка, вытесняя менее технологичные полимеры, прежде всего, полистирол и ПВХ. Уступая по такому показателю как экологичность, они постепенно сдают свои позиции на мировом рынке. Под влиянием общественности европейские законодатели медленно, но верно расчищают дорогу новых технологиям. Такие важные показатели как нетоксичность и легкая утилизация уверенно выводят его в лидеры.
Еще одним немаловажным фактором, способствующим росту популярности вещества, является низкая по сравнению с конкурентами цена. Себестоимость является определяющим критерием при производстве любой продукции, и поэтому производители все чаще обращают свое внимание в сторону более дешевых и технологичных материалов.
Перспективы у этого высокотехнологичного материала весьма радужные. Очевидно, что его процент в мировом потреблении будет увеличиваться. Этому способствуют и постоянные исследования, и появление новых технологий и модификаций полипропилена. С большей долей вероятности, так будет продолжаться пока не появятся более совершенные синтетические материалы, но даже тогда пропилен будет широко использоваться в промышленности и народном хозяйстве.
Статья подготовлена на основе информации
Источник