Уравнение реакции полимеризации пропилена. Полипропилен как констукционный материал. Применение хлорированного полипропилена
Пропилен
Получение
Пропилен наряду с этиленом и бутиленом относится к числу важнейших видов сырья современной нефтехимической промышленности.
Разнообразие синтезов на основе пропилена является причиной быстрого увеличения объема производства этого продукта. Это наглядно иллюстрируется приведенными ниже данными (табл. 1) по планируемому производству пропилена в США, стране с самой мощной нефтехимической промышленностью.
С коммерческой точки зрения изотактический полипропилен является наиболее важным по сравнению с атактической и синдиотактической; изотактический пропилен является наиболее стереорегулярной структурой полипропилена. По этой причине достигается высокая степень кристалличности. В результате многие механические и технологические свойства полипропилена сильно определяются уровнем изотактичности и ее кристалличностью. Хотя повышенная кристалличность полипропилена делает материал менее твердым, чем полиэтилен.
Синдиотактический полипропилен в последнее время стал коммерческой реальностью, метильные радикалы чередуются по цепочке в стереохимическом порядке, как показано на следующем рисунке. Формула мономера и полимера следующая. В послевоенной Германии не было нефти. Единственным источником для химической промышленности был национальный уголь. Он получил смесь алкенов, число С которых не ассоциировалось с используемыми алкенами.
Значительное расширение производства пропилена намечается и в других промышленно развитых странах.
Источником сырья для промышленного производства пропилена могут служить продукты переработки нефти, а также природные углеводородные газы.
Пропилен получают различными методами: а) разделением газов нефтепереработки, содержащих олефины; б) пиролизом этана и пропана, содержащихся в газах нефтепереработки; в) пиролизом этана и высших алканов, выделенных из природного газа; г) пиролизом жидких углеводородов.
Полимеризация Циглера-Натта
Причиной, указывающей на это событие, была примесь в реакторе, идентифицированном как металлический никель. Полимеризация Циглера-Натта представляет собой форму виниловой полимеризации. Это важно, потому что это позволяет производить конкретные полимеры. Это было обнаружено двумя учеными, которые дали ему имя. Циглер-Натта особенно полезен, потому что он может производить полимеры, которые нельзя изготовить каким-либо другим способом, такие как неразветвленный линейный полиэтилен и изотактический полипропилен.
Таблица 1 Планируемое производство мономеров в США (в тыс. т)
Под газами нефтепереработки подразумеваются газы первичной перегонки нефти, крекинга и риформинга. Их состав зависит от технологических параметров указанных процессов. При нефте-перегонке образуется 25-30% от общего количества газов нефтепереработки. Ниже приведен примерный состав газов (в мол.%), образующихся при переработке нефти на современном нефтеперерабатывающем заводе :
Виниловая полимеризация с свободными радикалами может привести только к разветвленному полиэтилену, и полипропилен не будет полимеризоваться путем свободнорадикальной полимеризации. Знания о том, как работает полимеризация Циглера-Натта, и почему одна система праймеров работает лучше, чем другая, весьма ограничена.
Полипропилен как констукционный материал
Эта молекула может быть размещена в различных кристаллических структурах. Как можно видеть, каждый атом титана координирован с шестью атомами хлора с октаэдрической геометрией. Это самая стабильная форма титана, когда она координируется с шестью другими атомами. Это представляет проблему для атомов титана на поверхности кристалла. Внутри кристалла каждый атом титана окружен шестью атомами хлора, но на поверхности атом титана окружен с одной стороны пятью атомами хлора, а с другой стороны - белым пространством.
Инертные газы | 4,1 |
Водород | 6,1 |
Метан | 39,1 |
Этилен | 7,3 |
Пропилен | 8,9 |
Этан | 17,5 |
Пропан | 9,4 |
Бутаны | 2,6 |
Пентаны | 1,4 |
Сероводород | 3,0 |
Двуокись углерода | 0,6 |
Пиролиз углеводородов природного газа или жидких углеводородных фракций, выделенных из нефти, протекает при температурах свыше 700° С.
В ходе технологического процесса пиролиза в основном осуществляются следующие реакции: а) дегидрогенизация, характеризующаяся разрывом химической связи С-Н; б) деструкция, характеризующаяся разрывом связи С-С; в) реакции изомеризации; г) реакции типа синтезов - полимеризация, циклизация, реакции конденсации и т. п.
Катализаторы стереосспецифической полимеризации
Эта ситуация оставляет титан неустойчивым, поскольку в качестве переходного металла титан имеет шесть пустых орбиталей в его внешнем электронном слое. Чтобы быть стабильным, он должен координироваться с достаточным числом атомов, чтобы разместить на каждом орбите два электрона. Атом титана на поверхности кристалла имеет достаточно соседних атомов, чтобы заполнить пять из шести орбиталей. Мы будем иметь пустую орбиту, показанную как пустой квадрат на рисунке ниже.
Это состояние молекулы не может продолжаться; титан нуждается в заполнении орбиталей. Он жертвует одну из своих этильных групп титану и отгоняет один из атомов хлора в процессе. Как можно видеть на фигуре, атом алюминия находится в неблагоприятном положении. Не только это, но и координирует один из атомов хлора, прилегающих к титану. Говорят, что пропилен и титан образуют комплекс, показанный ниже.
Процессы дегидрогенизации и деструкции являются эндотермическими первичными, а все остальные - экзотермическими вторичными реакциями.
При высоких температурах сначала разрывается химическая связь С-С, имеющая меньшую энергию связи (62,8 ккал/моль), чем связь С-Н. Энергия связи С-Н снижается при переходе от первичного к третичному атому углерода: энергия связи атома водорода с первичным атомом углерода составляет 87,0, со вторичным - 85,5 и с третичным - 83,0 ккал/моль.
Часть 1: Изотактическая полимеризация
Точная природа комплекса между титаном и пропиленом сложна. Комплекс решает проблему титана, не имеющего достаточного количества электронов на орбиталях. Но эта ситуация не будет постоянной. Несколько пар электронов сдвинут положение. Эти изменения показаны на рисунке ниже.
Окисление полипропилена воздухом и кислородом
Что происходит дальше, называется миграцией. Неизвестно, почему происходит этот процесс, это только известно. Атомы перестраиваются, образуя несколько другую структуру, например. Как видно из рисунка, теперь алюминий в комплексе с одним из атомов углерода нашего пропиленового мономера. Титан вернулся туда, где он начал с пустой орбиты, нуждаясь в электронах, чтобы заполнить его.
В зависимости от способа подвода тепла в реакционную зону различают следующие методы пиролиза углеводородов для получения пропилена: а) в трубчатых печах с наружным огневым обогревом; б) с применением в качестве теплоносителя перегретого водяного пара и дымовых газов; в) в регенеративных печах с неподвижной насадкой; г) в регенеративных печах с движущимся теплоносителем; д) окислительный пиролиз (так называемый автотермический процесс, не требующий подвода тепла извне).
Затем взаимодействует другая молекула пропилена, весь процесс начинается снова, и конечный результат выглядит примерно так. Понятно, что больше пропилена реагирует, и полимерная цепь растет. Как показано на чертеже, все метильные группы в полимере находятся на одной стороне цепи. Этот механизм дает изотактический полипропилен. По какой-то причине приближающаяся молекула пропилена реагирует только в том случае, если она указывает в правильном направлении, в направлении, которое образует изотактический полипропилен.
Часть 2: Синдиотактическая полимеризация
Причина этого неопределенная. Каталитическая система, описанная выше, дает изотактические полимеры. Однако другие системы могут обеспечивать синдиотические полимеры. Будет проанализирован тот, который основан на ванадии, а не титане. Это похоже на фигуру, показанную слева, в отличие от титановой системы. Для простоты рисунок в правой части будет показан в ходе этой работы.
Наиболее распространенным методом получения пропилена является пиролиз нефтяного сырья в трубчатых печах. Это объясняется небольшими капитальными затратами на строительство трубчатых пиролизных установок и сравнительной простотой обслуживания.
Для получения пропилена высокой степени чистоты, необходимой для химической переработки, производят разделение пиролизного газа на отдельные компоненты.
Этот комплекс будет очень сходен с титановой системой, когда он взаимодействует с молекулой пропилена. Во-первых, пропилен образует комплекс с ванадием, поэтому электроны движутся по-прежнему, и пропилен вставляется между металлом и этильной группой, как и раньше. Это показано на рисунке ниже.
Однако на этой фигуре видно существенное различие. В отличие от того, что происходит в титановой системе, полимерная цепь не меняет положение в атоме титана. Растущая полимерная цепь остается в своем новом положении, то есть до тех пор, пока не взаимодействует другая молекула пропилена. Этот второй пропилен реагирует, в то время как растущая цепь все еще находится в своем новом положении, как видно ниже.
Таблица 2
Состав газа, полученного пиролизом бензина (Средний молекулярный вес газа 25,6.)
Компоненты | Выход на сырье, вес. % | |
Водород | 14,2 | 0,7 |
Метан | 23,8 | 9,6 |
Этилен | 34,9 | 24,6 |
Пропилен Обратите внимание, однако, что, когда второй пропилен добавляется к цепи, цепь снова меняет положение. Ваша задняя позиция - это место, где вы начали. Метильные группы первого и второго мономеров находятся на противоположных сторонах полимерной цепи. Когда растущая полимерная цепь находится в другом положении, полипропилен можно добавлять только таким образом, чтобы метильная группа высвобождала другую сторону. Причина этого не совсем точно известна. Но известно, что из-за положения сдвига полимерной цепи с каждым добавленным пропиленовым мономером метильные группы оказываются на альтернативных сторонах цепи, что приводит к синдиотактическому полимеру. | ||
Бутадиен | 3,1 | 4,2 |
Бутилен | 5,0 | 6,9 |
Бутан | 0,1 | 0,2 |
Итого | 100,0 | 65,0 |
Выделение и очистка
Разделение газов пиролиза целесообразно осуществлять при повышенном давлении. Перед разделением газ сжимают компрессорами в четыре-пять ступеней и очищают в щелочных промывных аппаратах от кислых примесей. Затем из газа удаляют соединения ацетилена (путем селективного гидрирования на специальном катализаторе или промывкой диметилформамидом) и подвергают его осушке с помощью различных адсорбентов.
Полимеризация Циглера-Натта является отличным способом получения полимеров из углеводородных мономеров, таких как этилен и пропилен. Но он не работает с другими типами мономеров. Например, невозможно сделать поливинилхлорид. Когда катализатор и сокатализатор объединяются для образования комплекса инициатора, на промежуточных стадиях реакции образуются радикалы. Это может инициировать свободнорадикальную полимеризацию мономера винилхлорида. Акрилаты также образуются, потому что катализаторы Циглера-Натта часто инициируют анионную виниловую полимеризацию в этих мономерах.
Предварительно очищенный от вредных примесей газ разделяют на фракцию С 3 , содержащую углеводороды с двумя углеродными атомами (этан+этилен), фракцию С 3 (пропан+пропилен), фракцию C 4 и т. д.
В промышленности для выделения пропилена из пиролизного газа чаще всего применяется метод ректификации, являющийся в технико-экономическом отношении наиболее выгодным.
Факультет наук и технологий Университета Коимбры. Катализатор Циглера-Натта при полимеризации пропена. Введение Введение катализатора Циглера-Натта произвело революцию в отрасли. полимеров, в то время, когда мы получали полиалкены только в высоких условиях. температуры и давления, этот катализатор позволил получить крупномасштабное производство. полипропилена, при более низких температурах и давлении.
Рисунок 1 - Упрощенная реакция. В настоящее время этот термопластик состоит из одного из наиболее используемых полимеров. по отраслям, во многом благодаря своим исключительным особенностям. . Помимо того, что он является перерабатываемым термопластом. Динамизм, который этот полимер ввел в промышленность.
Для производства полипропилена требуется пропилен высокой степени чистоты. Содержание таких примесей, как ацетиленовые и сернистые соединения, кислород, окись и двуокись углерода, не должно превышать сотых и тысячных долей процента.
Удовлетворительным считается пропилен следующего состава (в объемн. ч. на 1 млн.):
Сера................. 10*
Релевантным является исследование, которое включает в себя его производственный процесс, из сырья. к механизму инициирующих его реакций, таким образом, можно определить условия, которые оптимизируют процесс и которые могут еще больше расширить его использование. соединение.
Катализаторы Циглера-Натта катализатора Циглера-Натта образованы солью переходного металла и металлоорганическим соединением, присоединенным или не присоединенным к носителю. Рисунок 1 - Пример катализатора Циглера-Натта. В этих взаимодействиях алкен св зываетс с металлом. разделяя их π-связи электронами с пустыми орбиталями координирующего слоя металла.
Вода................. 10
Пропадиен.............. 20
Кислород............... 10
Окись углерода........... 10
Карбонилсульфид........... 10
Ацетилен............... 5
Этан + пропан............ 2000
Для определения отдельных компонентов применяют следующие методы аналитического контроля.
Сера. Общую серу определяют сжиганием навески в аппарате Wickbold ‘ a с последующим переводом образовавшегося сернистого ангидрида в серный ангидрид и далее в серную кислоту. Последнюю оттитровывают хлористым барием в присутствии торина в качестве индикатора или же определяют, фотометрически по реакции с хлоранилатом бария.
Эти взаимодействия облегчают миграцию металлоалкеновых связей одного из. углеродных связей от двойной связи к другой, что позволяет осуществить перегруппировку. структурные детерминанты многих каталитических процессов, например, происходят в цикле. катализатор для полимеризации пропилена для получения полипропилена. Рисунок 1 - Добавление головного хвоста.
Полипропилен как конструкционный материал
Например, если все метильные группы. Говорят, что полипропилен ориентирован на мешадеру растянутой полимерной цепи. что это изотактический полимер. Если метильные группы чередуются, так что один. впереди, а следующий - в сторону плоскости, полимер синдиотактичен.
Ацетилен. Метод определения основан на образовании растворимых комплексных соединений ацетиленидов серебра в концентрированных растворах серебряных солей-азотнокислой, хлорно-кислой, фтористой и кремнефтористоводородной.
Вода. Содержание влаги в пропилене определяют в основном двумя методами: титрованием реактивом Фишера и кулонометрическим методом. Первый способ довольно сложен, а его точность относительно невысока. Правда, его можно усовершенствовать, в таком случае точность анализа составит ±2 ч. на 1 млн. Кулонометрический метод экспериментально очень прост и вместе с тем очень точен. Он основан на электролизе влаги, уловленной из потока анализируемого газа или пара гигроскопической пленкой, например фосфорной кислотой,между двумя платиновыми электродами.
Выделение и очистка
Таким образом, можно наблюдать нерегулярную организацию метильных групп и, следовательно, иметь. атипичный полимер. Рисунок 2 - Различные структурные схемы. Эта структурная разница также отражает различные физические свойства. Изотонический полипропилен: полукристаллический материал, используемый при изготовлении. контейнеры. Это основной продукт, полученный при использовании каталитического нейтрализатора.
Эти тексты также могут быть интересными
Катализация Циглера-Натта Глава 1 Введение Полимеризационные процессы органических соединений с использованием комплексов переходных металлов используют катализаторы Циглера-Натта, один из самых стереоспецифических процессов катализа и получили большие улучшения в течение поколений катализаторов. Быт 6-8 «И сказал Бог: дай воды под небом собраться вместе в одном месте, и пусть появится сухая часть». Однако основным источником пропена является растрескивание углеводородных паров, где он производится совместно с этиленом. существует особый способ получения пропена, за исключением дегидрирования пропана.
- И Бог назвал светлый день; и призвал тьму к небесам.
- Керамика и стекло университета Авейру.
Окись углерода. Используются хроматографические методы.шализа (в качестве адсорбента применяют активированный уголь, а в качестве газа-носителя-водород) или инфракрасная спектроскопия,
Пропадиен. Наиболее совершенным методом определения считается хроматографический, причем в качестве насадки разделительной колонки можно использовать силикат магния, диэтил-формамид и другие вещества. Предельная концентрация пропа-диена в пропилене определяется чувствительностью метода.шализа.
Кислород. Наиболее известны три метода. Первый основан на взаимодействии кислорода с водородом на твердом катализаторе, причем за ходом реакции следят с помощью двух термопар, одна из которых расположена в протекающем газе, а вторая- в каталитическом пространстве. Они соединены по способу встречною включения, так что замеряется разность температур. Точность анализа достигает 10 ч. на 1 млн., она зависит от активности катализатора в течение всего процесса.
Свойства
Пропилен СН 2 =СН-СН 3 (молекулярный вес 42,081) при обычных условиях-бесцветный газ со слабым характерным запахом.
С воздухом пропилен образует взрывоопасные смеси, нижний предел взрываемости которых равен 2,0 , а верхний- 11,1 объемн.%.
Критические константы: температура, °С | 91,9 |
давление, кгс/см 2 | 45,4 |
плотность, г/мл | |
Температура кипения при 760 мм рт: ст., °С Температура плавления при 760 мм рт. ст., °С Температура воспламенения, °С | |
Температура самовоспламенения в смеси с воздухом, °С | 458 |
Удельная теплоемкость Ср, ккал/(кг град) | 0,363/25 |
Теплота испарения при температуре кипения, ккал/кг Теплота сгорания газа при 25° С до жидкой Н 2 О и С0 2 , ккaл/мoль | |
Теплота образования газа DН 0 298 , ккал/моль Коэффициент теплопроводности, ккал/(см сек град) |
В концентрации до 4000 ч. на 1 млн. пропилен физиологически безвреден. Оказывает слабонаркотическое действие, несколько более сильное, чем действие этилена. При концентрации 15 объемн.% пропилен вызывает потерю сознания спустя 30 мин, 24%-спустя 3 мин и 35-40% -через 20 сек.
Для пропилена в качестве средства огнетушения применяют двуокись углерода.
ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ ПРОПИЛЕНА
Стереоспецифическая полимеризация
Катализаторы стереосспецифической полимеризации
Открытие стереоспецифических катализаторов представляло большой промышленный интерес и вызвало целый ряд исследований в области полимеризации пропилена и других олефинов. Вскоре после появления первых сообщений о полимеризации этилена при низких давлениях фирмой Монтекатини и Циглером были взяты совместные патенты, в которых описаны основные группы веществ, применяемых в качестве катализаторов. Важнейшие из них следующие:
Соединения переходных металлов: TiCl 4 , TiCI 3 , TiCl 2 , ацетилацетонат хрома и т. д.
Металлорганические соединения: Al (C 2 H 5) 3 , А1(С 3 Н 7) 3 -Аl(С 16 Н 33) 3 , алюминиевые сплавы (например, Mg 3 Al 2) и т. п.
Детальное изучение различных каталитических систем позволило выявить новые типы катализаторов, однако принцип их действия тот же и заключается во взаимодействии металлов органических соединений I, II или III групп периодической системы с соединениями переходных металлов IV-VIII групп. В этой сиязи представляется интересным вспомнить метилтрихлортитан (СН 3 ТiС1 3), являющийся, по мнению некоторых исследователей, эффективным катализатором. Однако более глубокое исследование указывает на то, что сначала происходит его разложение на треххлористый титан
RTiCl 3 -> TiCl 3 + R . (1)
и катализатором служит, следовательно, система ТiС1з+RТiС1з.
Изотактический полипропилен в настоящее время получают только на гетерогенных каталитических системах, в которых переходные металлы находятся в нерастворимой, более или менее кристаллической форме, а металлорганическое соединение растворимо в углеводородной среде. Ниже приводится краткое описание получения металлорганических соединений алюминия, триэтилалюминия и диэтилалюминийхлорида, а также треххлористого титана, представляющих собой наиболее широко распространенные и технологически наиболее хорошо разработанные системы катализаторов.
Получение алюминийорганических соединений
Алкилпроизводные алюминия, применяемые в качестве катализаторов стереоспецифической полимеризации пропилена, представляют собой бесцветные, на воздухе самовоспламеняющиеся жидкости; с водой и веществами, содержащими подвижный атом водорода (спирты, органические кислоты и т. п.), реагируют в концентрированном состоянии со взрывом. При незначительном доступе воздуха и влаги окисляются до соответствующих алкоксипроизводных или гидролизуются до гидроокиси алюминия. С другими донорными соединениями (такими, как простые эфиры, амины, сульфиды) они образуют различные устойчивые комплексы, которые значительно меняют каталитическую активность. Высшие гомологи, начиная с триизобутилалюминия, отличаются уже меньшей реакционной способностью, но и они на воздухе неустойчивы, поэтому работать с ними необходимо в атмосфере инертных газов (азот, гелий, аргон и т. п.; двуокись углерода не является инертным газом).
Триэтилалюминий. Температура кипения 194° С при 760 мм рт. ст. (с частичным разложением) и 63° С при 1 мм рт. ст., плотность 0,84 г/см 3 , показатель преломления n 20 d =1,480, с углеводородами смешивается в любых соотношениях. При нормальной температуре примерно на 90% ассоциируется с образованием димера:
Алюминийорганические соединения могут быть получены по общему для металлорганических соединений методу, который заключается в обмене алкилов между диалкилпроизводными ртути и алюминием:
Реакция протекает с избытком алюминия при 100-120° С практически количественно. Для крупного производства, однако, этот метод не годится из-за трудности получения исходных алкилпроизводных ртути, с одной стороны, и их высокой токсичности, с другой.
Циглер модифицировал этот метод, предложив заменить натрий гидридом натрия:
В результате реакции, которую можно осуществлять в углеводородной среде (например, в гексане или циклогексане), получается раствор диэтилалюминийгидрида. Этот раствор затем непосредственно переводится в триэтилалюминий действием этилена при 70-80° С и повышенном давлении:
Данная реакция составляет сущность так называемого прямого синтеза триэтилалюминия, уравнение которого можно записать в виде:
При проведении реакции возникают известные трудности; особенно сложно приготовить алюминий в тонкоизмельченной активной форме без поверхностных оксидных пленок. Измельчение можно проводить на вибрационных мельницах в среде =50% раствора триэтилалюминия. Полученная суспензия активного алюминия затем вступает в реакцию с водородом в автоклаве при 10-120° С, давлении водорода 20-30 ат и в присутствии в качетве катализатора пористого титана:
На следующей стадии проводится реакция (7), и весь цикл повторяется сначала.
Хотя в настоящее время в промышленности применяются оба посмотренных метода синтеза триэтилалюминия, прямой синтез в будущем непременно получит преимущественное развитие, так как в этом случае практически отсутствуют трудно утилизируемые отходы производства.
Диэтилалюминийхлорид можно с успехом применять вместо триэтилалюминия в каталитических системах с a , g , d-модификациями треххлористого титана. Физические свойства диэтилалю-минийхлорида: температура кипения при 760 мм рт. ст. 208° С, при 0,9 мм рт. ст. 44° С; плотность 0,9736 г/мл; температура плавления -74° С; вязкость 1,45 спз при 23° С. С алифатическими и ароматическими углеводородами смешивается в любом соотношении. Степень ассоциации до мостиковой димерной структуры выше, чем у триэтилалюминия и этилалюминийхлорида.
В производстве диэтилалюминийхлорид получают из этилалюминийсесквихлорида, однако вместо реакции с NaСl применяется частичное дегалогенирование металлическим натрием по схеме:
Влияние условий проведения реакции на процесс полимеризации.
Основные параметры процесса полимеризации, а именно общая скорость процесса, стереоизомерный состав полимера и его молекулярный вес, зависят от химической и физической природы катализатора, полимеризационной среды и физических условий, а также степени чистоты отдельных компонентов системы и их концентрации.
Линейный полиэтилен на таких катализаторах может образовываться как в гомогенной, так и в гетерогенной фазе, поскольку он не имеет пространственных изомеров. Для получения же изо-тактического полипропилена предпочитают применять твердые хлориды титана (прежде всего TiCl 3) в сочетании с алюминийорганическим компонентом. О роли твердой фазы говорит тот факт, что в присутствии каталитического комплекса металлорганического соединения с переходным металлом, адсорбированного на аморфном носителе, при полимеризации пропилена образуется атактический аморфный продукт. Тот же комплекс, адсорбированный на кристаллическом носителе (треххлористый титан), позволяет получить изотактический полимер. Следует отметить, что самой по себе регулярности решетки носителя еще недостаточно для того, чтобы катализатор приобрел высокую стереоспецифичность; носитель должен также удовлетворять определенным стерическим условиям, связанным с величиной его ионов и расстоянием между ними. Так, в присутствии трехбромистого или трехиодистого титана атактического полимера образуется больше, чем при применении треххлористого титана.
Льюисовский характер обоих каталитических компонентов предопределяет и выбор среды. Наиболее выгодной средой считаются инертные углеводороды. Поскольку треххлористый титан действует как сильный адсорбент, наиболее предпочтительны алифатические углеводороды (гептан, гексан, пропан и т. п.), которые сорбируются в меньшей степени, чем ароматические.
Влияние концентрации мономера и компонентов катализатора
Из приведенных данных по механизму стереоспецифической полимеризации следует, что активные центры образуются при сорбировании алюминийорганического компонента на поверхности твердой фазы. Поэтому в первую очередь именно этот компонент будет оказывать влияние на скорость образования полимера и его стереорегулярность.
Наибольший выход изотактического полипропилена получается при использовании треххлористого титана с малой удельной поверхностью и хорошо развитыми кристаллами. Однако на таком катализаторе полимеризация протекает медленно. При увеличении удельной поверхности применяемого катализатора одновременно со скоростью реакции возрастает содержание атактической фракции и стереоблоков в полимере, что связано, очевидно, с увеличением дефектов в твердой фазе.
Очевидно, что на изломах и гранях кристаллов мономерные звенья могут присоединяться к растущей цепи из разных положений, вследствие чего образуются аморфные полимеры или-при более специфических условиях-в большей или меньшей степени регулярные стереоблоки (стереоизомерный сополимер). Чем мельче частицы твердой фазы, тем больше изломов относительно плоскостей, отличных от обычной плоскости 001 (обозначения индексами Миллера), и, как результат, часть поверхности имеет иные геометрические и химические свойства.
Алкилбериллий, содержащий металл с наименьшим ионным радиусом, в присутствии треххлористого титана дает самый высокий выход изотактического полипропилена при больших скоростях реакции полимеризации. На степень изотактичности и скорость реакции оказывают влияние также стерические и химические свойства заместителей металлорганического соединения. При полимеризации пропилена в присутствии триметилалюминия образуется полимер с большим содержанием атактической фракции, чем при применении триэтилалюминия. Стереоспецифичностъ, однако, падает и при высших алкилах. Если один алкил алюминия заменить на галоген, то скорость реакции снижается в ряду F>Cl>Br>I; в том же порядке увеличивается молекулярный вес. Натта в результате проведенных опытов по полимеризации пропилена с треххлористым титаном в среде толуола пришел к заключению, что стереорегулярность падает в ряду
Аl(С 2 Н 5) 2 I > Аl(С 2 Н 5) 2 Вr > Al(С 2 Н 5) 2 С1 > Аl(С 2 Н 5) 2
Алюминийдигалогениды в присутствии треххлористого титана полимеризации уже не инициируют; при введении же в систему соответствующего донора (амины, пиридин) можно получить полимер с высокой стереорегулярностью. Донор и металлорганическое соединение лучше всего брать в соотношении 1:2.
Влияние температуры
Суммарная энергия активации полимеризации пропилена на каталитической системе треххлористый титан - триэтилалюминий равна 14 ккал/моль, причем 4 ккал/моль приходится на долю теплоты растворения мономера в н - гептане.
В отличие от константы скорости молекулярный вес и стереоизомерный состав полимера, полученного на системе треххлористый титан-триэтилалюминий, при температурах ниже 80° С изменяются относительно мало. Повышение температуры, способствующее уменьшению молекулярного веса, вызывает также и заметное изменение содержания экстрагируемых фракций. Полимеры, синтезированные при 100° С, содержали лишь 3% аморфной фракции. На катализаторе Т1С1 3 -А1(С 3 Н 5) 2 I и других известных каталитических системах полимеризация проходит с более низкой скоростью, чем в присутствии TiCl 3 - AIR 3 или TiCI 3 - BeR 3 .
Влияние примесей
Оба компонента каталитической системы охотно вступают в реакцию с веществами, в молекуле которых есть атом со свободной электронной парой. В случае триэтилалюминия стремление заполнить недостающую электронную пару на алюминии настолько велико, что это вещество в нормальных условиях существует как димер с довольно большой устойчивостью. Димер энергетически более устойчив (почти на 10 ккал/моль). Триалкилалюминий образует с донорами комплексные соединения, некоторые из них настолько устойчивы, что их можно перегонять, а попытка разделить их на первоначальные компоненты часто приводит к деструкции всей молекулы.
Благодаря наличию свободных орбит переходный металл образует координационные связи с мономером за счет п-электронов последнего. Подобное взаимодействие имеет место с молекулами, имеющими свободную электронную пару. Соединения, обладающие способностью к координации, покрывают часть активной поверхности катализатора, некоторые из них действуют как каталитические яды и влияют на ход полимеризации и свойства полимера.
Аналогичным действием обладают и ненасыщенные углеводороды (пропадиен, ацетилены), которые к тому же не реагируют с триалкилалюминием и сильно сорбируются треххлористым титаном. Эти вещества снижают скорость полимеризации и модифицируют свойства полимера.
Примеси можно разделить на две группы в зависимости от того, действуют ли они как ингибиторы или как промоторы полимеризации. Сначала рассмотрим соединения с ингибирующими свойствами, часто присутствующие в сырье. При температуре полимеризации триалкилалюминий образует с полярными примесями комплексы, которые на дальнейший ход полимеризации не оказывают существенного влияния. Примеси, сорбированные на твердой фазе, где происходит реакция роста цепи, действуют гораздо интенсивнее. При малых их количествах наблюдаются индукционный период и снижение скорости полимеризации по окончании этого периода. Изменяется и стереоизомерный состав полимера: обычно повышается содержание аморфных и стереоблочных фракций.
Продолжительность индукционного периода определяется теми факторами, от которых зависит скорость удаления сорбированного вещества с поверхности твердой фазы. Примеси, которые слишком сильно сорбированы или из-за стерических затруднений не могут участвовать в реакции роста цепи (в роли сополимера), действуют как сильные ингибиторы процесса полимеризации. Из доноров наиболее сильными каталитическими ядами являются COS, CS 2 , R 2 S, СО, т. е. вещества, известные своим ингибирующим действием и способностью образовывать координационные связи. Из ненасыщенных углеводородов наиболее эффективным ингибитором считается пропадиен. Ацетиленистые соединения также снижают скорость полимеризации. Однако сорбция их треххлористым титаном не настолько сильна, чтобы исключалась возможность сополимеризации. Ацетилен образует с пропиленом сополимеры, которые уже при ничтожных концентрациях ацетилена в системе (10 ч. на I млн.) имеют сине-фиолетовую окраску, свидетельствующую о наличии сопряженных двойных связей и, следовательно, об образовании сополимера с блочной структурой. Метилацетилен цветных сополимеров не дает.
Вторую группу примесей составляют вещества, имеющие ионный характер или приобретающие его после сорбции на поверхности твердой фазы. Из доноров значительный интерес представляют вещества, которые способны образовывать ониевые соединения. Наибольшей активностью отличаются соединения на основе азота, такие, как амины, пиридин и т. п. При применении треххлористого титана с малой 2 удельной поверхностью (хорошо развитые кристаллы) они вдвое повышают скорость реакции уже в концентрациях 10 -4 моль /л, в то время как диэтиловый эфир при прочих равных условиях-всего лишь в 1,3 раза.
Доноры обычно увеличивают молекулярный вес полимера. Исключение составляют вещества, содержащие группу, способную вызвать передачу цепи. По влиянию на величину молекулярного веса активаторы можно расположить, например, в следующий ряд:
H 2 S < RSH < RSR < CS
Вещества, способные образовывать ониевые соли, уменьшают количество образующегося при полимеризации продукта, растворимого в холодном и кипящем гептане (аморфные фракции и стереоблоки). Частично, однако, меньшая растворимость в гептане обусловлена более высоким молекулярным весом полимера.
Регулирование свойств продукта
Полученный в результате стереоспецифической полимеризации продукт наряду с изотактическим полимером содержит также некоторое количество атактической фракции и так называемые стереоблокполимеры, в макромолекулах которых чередуются на противоположных сторонах цепи не отдельные группы СНз, а целые изотактические участки этих групп. Катализатор находится в массе образовавшегося полимера, и поэтому его необходимо либо удалить, либо перевести в химически инертную форму, не вызывающую деструкции и нежелательного окрашивания полимера. Содержание аморфных и стереоблочных фракций оказывает влияние на способность полимера к переработке и свойства получаемых изделий и должно быть отрегулировано в соответствии с назначением полимера. Другим параметром, который необходимо варьировать в широких пределах в зависимости от назначения полимера, является величина молекулярного веса.
Регулирование молекулярного веса
Как уже упоминалось, увеличить молекулярный вес полимера можно с помощью различных добавок (например, аминов) или самих каталитических систем (AlR 2 X-TiCI 3 и др.). Снизить молекулярный вес можно тремя методами: а) выбором режима полимеризации (катализатор, температура, концентрация мономера и т. п.); б) добавлением веществ, вызывающих передачу цепи; в) направленной деструкцией готового полимера.
Об изменении величины молекулярного веса с изменением условий ведения процесса полимеризации достаточно подробно говорилось выше. На практике молекулярный вес полимера чаще всего регулируют с помощью агентов передачи цепи. Впервые для этой цели был применен водород. Его действие зависит от концентрации в жидкой фазе. При прочих равных условиях (концентрация катализатора и мономера, температура) снижение молекулярного веса в первом приближении пропорционально корню квадратному из парциального давления водорода. В низших углеводородах (С 3) растворимость водорода повышается с ростом температуры. Эта кажущаяся аномалия теоретически хорошо исследована.
Водород, применяемый в качестве агента передачи цепи, должен быть очень чистым (в противном случае происходит резкое снижение скорости реакции). Водород, полученный при пиролизе газов, обычно содержит СО, а электролитический водород-большое количество кислорода и воды (сотни частей на миллион). Однако и очень чистый водород, взятый в высоких концентрациях, снижает скорость реакции на 30-40%. Содержание аморфного полимера с уменьшением молекулярного веса повышается незначительно. Передачу цепи с помощью водорода можно с успехом использовать и для получения волокнообразующего полипропилена с [h] =1.
Другим эффективным агентом передачи цепи является диэтилцинк. Его действие было открыто Натта при изучении металлорганнческих соединений, способных образовывать активный каталитический комплекс с треххлористым титаном. В последнее время опубликовано большое число исследований, посвященных регулированию молекулярного веса полимера; методом направленной деструкции. Деструкция углеводородных полимеров в теоретическом отношении тесно связана с процессами крекинга и пиролиза углеводородов.
Экстракция аморфных и стереоблочных фракций из полимера
В зависимости от способа полимеризации образуется полимер разного стереоизомерного состава. Структура полипропилена может быть нескольких типов (изотактическая, синдиотактическая, атактическая и стереоблочная). Различие между указанными структурами молекулярной цепи обусловливается неодинаковым положением метальной группы у третичного атома углерода. Изотак-тнческий и синдиотактический полимеры имеют совершенно регулярно построенные цепи, располагающиеся вдоль винтовой оси (спирали). Структуру называют изотактической, если все метильные группы находятся по одну сторону от воображаемой плоскости главной цепи. Структура с регулярно чередующимся расположением метильных групп по разные стороны главной цепи называется синдиотактической, а структура со стерически нерегулярной последовательностью метильных групп-атактической. Стерео-изомеры различаются между собой по свойствам. Атактический полипропилен представляет собой каучукоподобный продукт с высокой текучестью, стереоблокполимеры обнаруживают уже некоторую прочность, хотя и они обладают свойствами эластомеров. Изотактический полипропилен - вязкий продукт с высоким модулем упругости.
Низкомолекулярные атактические фракции необходимо удалить из полимера, так как со временем они мигрируют к поверхности изделий, делая их липкими на ощупь. Стереоблокполимеры хорошо совмещаются с изотактическим полипропиленом. В известной степени они действуют как внутренний пластификатор и снижают кристалличность полимера. Их удаляют из полимера полностью или хотя бы частично в зависимости от назначения изделия. Для некоторых целей (в частности, для получения высокопрочного волокна) требуется полипропилеи, обладающий практически 100%-ной степенью изотактичности.
Атактические и стереоблочные фракции удаляют из полимера экстракцией. Растворимость этих фракций зависит от применяемого растворителя и температуры. Экстракция обычно производится алифатическими углеводородами. Хлорированные растворители отличаются несколько лучшей растворяющей способностью, однако они отщепляют хлористый водород, который и в незначительных концентрациях вызывает коррозию оборудования и привносит в полимер следы железа, существенно снижающие его термоокислительную стойкость.
Схема производства полипропилена фирмы Монтекатини
В полимеризационный автоклав 4 , снабженный охлаждающей рубашкой, в один прием загружают оба компонента катализатора и мономер. Полимеризацию ведут при температуре =80° С и давлении до 30 ат в определенном количестве растворителя (гептана). Как только скорость полимеризации падает (вследствие конверсии мономера) ниже некоторого предела, часть реакционной массы (30-50% объема автоклава) переводят в аппарат для дегазации 5. В автоклав 4 из аппарата 1 подают нужное количество дисперсии катализатора в гептане, а также свежий мономер с таким расчетом, чтобы уровень жидкости в автоклаве был таким же, как вначале. При крупнотоннажном производстве параллельно устанавливают 6-10 полимеризационных автоклавов, рабочие циклы (загрузка и разгрузка) которых соответствующим образом смещены друг относительно друга. Все операции на данной стадии процесса выполняются автоматически по заданной программе. На следующей стадии полимер отделяют от растворителя и содержащихся в нем атактических фракций. Затем производят экстракцию остатков катализатора спиртами, а также промывку или отпарку полимера. После сушки порошковый полипропилен подвергают грануляции на двухчервячной экструзионной машине с вакуум-отсосом.
Сополимеризация пропилена
Наряду с изучением физических и механических свойств полипропилена внимание исследователей во всем мире привлекает сополимеризация пропилена с другими мономерами в целях модификации свойств продукта. В круг проблем, связанных с сополимеризацией на стереоспецифических катализаторах, помимо изучения состава сополимера и содержания исходных мономеров,входит также изучение пространственного строения образующихся продуктов с учетом примененной комбинации мономеров и каталитической системы.
Наибольшие успехи пока достигнуты при совместной полимеризации этилена с пропиленом, поэтому данный вопрос целесообразно осветить более подробно.
Сополимеризация этилена с пропиленом
Введение небольшого количества пропилена или бутена-1 в цепь полиэтилена, синтезированного на циглеровском или окисно-хромовом катализаторе, вызывает резкое снижение степени кристалличности продукта и, как следствие, улучшение ряда его технически ценных свойств. Исследованиями установлено, что в присутствии 21 группы СН 3 на 1000 групп СН 3 главной цепи (т. е., =6,25 вес.% пропилена) кристалличность полиэтилена снижается почти на 20%. Подобный же эффект дают 14 групп C 2 H 5 на 1000 групп СН 2 (т. е. -5,6 вес.% бутена-1).
Аморфные сополимеры этилена с пропиленом с содержанием 30-70% пропилена,по всей вероятности, найдут применение в резиновой промышленности. Методам вулканизации, хлорирования и хлорсульфонирования с последующей вулканизацией этих продуктов уже посвящено большое число обстоятельных исследований.
Улучшения свойств сополимеров можно достигнуть полимеризацией трехкомпонентной системы, состоящей из этилена (25-75%), пропилена (25-75%) и диена с одной концевой двойной связью и одной изолированной внутренней двойной связью (0,1-1,0 моль/кг}. Из литературных источников известно, что названные тройные сополимеры по своим свойствам аналогичны бутилкаучуку и поддаются переработке не хуже обычных типов синтетических каучуков.
Достоин упоминания метод получения блоксополимеров этилена с пропиленом, структуру которых можно представить так:
Растущие цепи имеют относительно большую продолжительность жизни, и при поочередном введении сомономеров в каталитическую систему (например, четыреххлористый титан-триэтил-алюминий в гептане) можно произвольно управлять ростом и чередованием рядов отдельных мономеров. По своим свойствам такие продукты отличаются от смесей гомополимеров и от классических статистических сополимеров.
Структура полипропилена
В зависимости от условий проведения процесса полимеризации пропилена получаются полимеры с различной молекулярной структурой, которая определяет их физико-механические свойства и, как следствие, пригодность для той или иной цели.
Стереоизомерия
Открытие стереоспецифической полимеризации положило начало новому этапу в исследовании структуры и свойств полипропилена. В зависимости от условий полимеризации структура полипропилена может быть нескольких типов, которые различаются пространственным расположением метальных групп по отношению к главной цепи полимера.
а) Изотактическая структура-все группы СН 3 находятся по одну сторону от плоскости цепи:
В действительности, однако, макромолекулы изотактического полипропилена имеют третичную симметрию, так как группы СН 3 вдоль главной углеводородной цепи располагаются по спирали.
б) Синдиотактическая структура-группы СН 3 располагаются строго последовательно по разные стороны от плоскости цепи:
Изотактическая и синдиотактическая молекулярные структуры могут характеризоваться различной степенью совершенства пространственной регулярности.
Структуру с неупорядоченным расположением метильных групп называют атактической:
Промежуточное положение между чисто атактической и чисто изотактической структурами занимают стереоблокполимеры, в макромолекулах которых регулярно чередуются различные по длине изотактические и атактические участки.
На рис. 4.2 показаны типы пространственной структуры цепи линейного полипропилена.
Стереоизомеры полипропилена (изотактические, синдиотактические, атактические и стереоблочные) существенно различаются по механическим, физическим и химическим свойствам. Атактический полипропилен представляет собой каучукоподобный продукт с высокой текучестью, температура плавления =80° С, плотность 0,85 г/см 3 , хорошо растворяется в диэтиловом эфире и в холодном н-гептане. Изотактический полипропилен по своим свойствам выгодно отличается от атактического; в частности, он обладает более высоким модулем упругости, большей плотностью (0,90-0,91 г/см 3), высокой температурой плавления (165-170°С), лучшей стойкостью к действию химических реагентов и т. п. В отличие от атактического полимера он растворим лишь в некоторых органических растворителях (тетралине, декалине, ксилоле, толуоле), причем только при температурах выше 100° С. Стереоблок-полимер полипропилена при исследованиях с помощью рентгеновских лучей обнаруживает определенную кристалличность, которая не может быть такой же полной, как у чисто изотактических фракций, поскольку атактические участки вызывают нарушения в кристаллической решетке.
Определение стереоизомерного состава полипропилена обычно производят методом последовательного экстрагирования, основанным на резком различии в растворимости аморфной и кристаллической фракций. Как правило, экстрагирование осуществляют кипящими растворителями в такой последовательности: вначале из полипропилена ацетоном экстрагируют маслообразные, низкомолекулярные атактические полимеры, затем эфиром-высокомолекулярные атактические каучукоподобные полимеры и парафиновыми углеводородами С 5 -С 7 - стереоблочные фракции со все более высокими молекулярным весом и степенью кристалличности. Точность разделения стереоб-лочных фракции, однако, весьма относительна, так как при последовательном экстрагировании их парафиновыми углеводородами из полипропилсиа извлекаются также и изотактические полимеры низких молекулярных весов. Остаток после экстракции кипящим н-гептаном представляет собой изотактический полимер; его количество, выраженное в процентах, служит показателем изотактичности полимера.
Свойства полипропилена.
Взаи мосвязь структуры и свойств
Полипропилен обладает ценным сочетанием свойств, изучение которых привлекает внимание многих исследователей, работающих как в области теории макромолекулярной хмии 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 молекулярновесового 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.
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 иолииропилеи 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 атактнческий 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.
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 (e =2,28) и атактического (e =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.
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.
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.
Химические реакции полипропилена
Химическая модификация полипропилена, т. е. направленное изменение его физических, механических или химических свойств введением в макромолекулу новых функциональных групп, сшиванием или сополимеризацией, представляет большой интерес с научной и практической точки зрения.
Термическая деструкция
Для правильного применения полипропилена в различных областях очень важно знать процессы его деструкции. При термической деструкции полипропилена в инертной атмосфере или вакууме снижается молекулярный вес и образуются летучие продукты.
Снижение молекулярного веса полимера зависит от температуры и продолжительности пиролиза.
Скорость образования летучих продуктов также является функцией температуры. Скорость термической деструкции полипропилеиа не зависит от его молекулярного веса.
В процессе деструкции уменьшается кристалличность полипропилена. В отличие от других полимеров, например поли-тетрафторэтилена или полиметилметакрилата, при пиролизе полипропилена получается лишь незначительное количество мономерного продукта, что объясняется низкой энергией активации изомеризации макрорадикала, образовавшегося при термической деструкции. Так, при превращении 50% полимера в газообразные продукты при 387° С образуется всего лишь 0,2% мономера. Газообразные продукты состоят в основном из 2-метилпропена-1, пентена-1 и пентена-2 . При разложении неразветвленного полипропилена газообразные продукты образуются гораздо быстрее, чем в случае полипропилена разветвленного строения.
Реакции инициированные ионизирующим ультрафиолетовым излучением
Влияние различных видов излучения высокой энергии (гамма-лучи, рентгеновские лучи, электроны, нейтроны) теоретически изучено хорошо, сведения же о практическом применении облученного полипропилена значительно более ограниченны, чем, например, о применении полиэтилена.
Полипропилен имеет структуру, промежуточную между полиэтиленом и полиизобугпленом, чем и предопределяется его поведение при действии излучений. Если при облучении полиэтилена преобладающим процессом является сшивание (структурирование), а в случае полиизобутилена -деструкция главной цепи, то при облучении полипропилена процессы сшивания и деструкции находятся в соотношении 0,75-0,8:1 , вследствие чего одновременно образуются нерастворимый гель и низкомолекулярный полипропилен.
Получение сшитого продукта прямым облучением полипропилена, например в присутствии сенсибилизатора хлорбензола, в условиях нормальной температуры экономически невыгодно вследствие упомянутого выше соотношения процессов сшивания и деструкции (0,75-0,8:1). Эффективное сшивание достигается при 100-125° С. В случае присутствия в полипропилене полифункциональных мономеров сшитый полимер удается получить при значительно меньших дозах облучения, причем процесс деструкции полностью подавляется. В качестве полифункциональных мономеров пригодны моно- (ди-, три-, гетра) этиленгликольдиметакрилат, аллилакрилат, аллилметакрилат (требуют облучения мощностью 0,25 Мрад ил 20% расхода мономера), винилметакрилат, диаллилмалеинат (1 Мрад} , дивинилбензол, триаллилци-анурат и диаллилитаконаг. Такой же эффект сшивания достигается при облучении в присутствии серы, селена, теллура и некоторых их соединений, а также в результате термообработки при 180° С предварительно облученного полипропилена.
Хорошо известно, что вредное влияние на механические свойства полипропилена оказывает ультрафиолетовая часть спектра солнечного света с диапазоном волн 2800-4000 А. Под действием кислорода полипропилен подвергается фотохимической деструкции, поэтому его необходимо стабилизировать. При облучении полипропилена УФ-светом в вакууме или инертной атмосфере одновременно со сшиванием протекает деструкция. В присутствии сенсибилизаторов, например бензофенонов, полихлорированных бензолов, нафталинов и монохлористой серы (для пропилена она наиболее эффективна), доля сшитого продукта возрастает; так, при применении монохлористой серы выход геля достигает 80% от веса облученного полипропилена.
Свободные радикалы, образующиеся в полипропилене при радиационном или фотохимическом облучении, с успехом используются для получения богатой гаммы привитых сополимеров. Радиационным облучением катализируются также различные радикальные реакции полипропилена, в частности хлорсульфонирование и сульфокисление.
Окисление
Половина углеродных атомов в полипропиленовой цепи связана с метильными группами, которые оказывают активирующее действие на атом водорода, соединенный с третичным атомом углерода. Поэтому атом водорода у третичного атома углерода оказывается более реакционноспособным, чем водород метиленовой или метильной группы, вследствие чего при повышенных температурах нестабилизированный полипропилен окисляется быстрее, чем полиэтилен.
Различная реакционная способность связей С-Н в полипропилене проявляется при радикальных реакциях передачи цепи.
Окисление полипропилена воздухом и кислородом
Для получения привитых полимеров из изотактического полипропилена и сополимеров пропилена с этиленом предложен также процесс пероксидации воздухом при температуре 70° С и давлении 3 кгс/см 2 , причем концентрация перекисей по истечении 5 ч достигает 0,03 вес.% .
Окислительная деструкция полипропилена, предназначенного для переработки в волокно, может быть осуществлена при 145° С и повышенном давлении воздуха в суспензии порошкообразного полимера в метаноле, а также в растворах или суспензиях поли-a-олефинов (полученных нагреванием с водяным паром под давлением) .
В результате глубокой окислительной деструкции изотактического или аморфного полипропилена получают воскообразные вещества. Окислительная деструкция проходит быстрее в присутствии ди-трет-бутилперекиси при 160° С, причем воскообразные эмульсии можно применять в лакокрасочной промышленности. Полимер с низким молекулярным весом (в пределах 900-30000) и температурой плавления не ниже 100° С можно получить при термообработке полипропилена при 310-480° С в течение 30 мин. Известен процесс окисления поли-a-олефинов, диспергированных в водной фазе, при давлении воздуха до 20 кгс/см 2 и температуре 90° С. Водные эмульсии лаурилсульфата натрия и окисленного сополимера пропилена с этиленом пригодны для шлихтования тканей, а также для производства красок и лаков.
Озонирование
При окислении полимеров озоном перекиси начинают образовываться уже при комнатной температуре. Озон, действуя как инициатор окисления, значительно ускоряет окислительный процесс. Инициирующее действие озона при окислении полипропилена осуществляется через полимерные перекиси с малым периодом жизни, которые на первых стадиях процесса вызывают также и временное, неустойчивое сшивание полимера.
Характер кривой накопления перекисей во время окисления озоном атактического полипропилена указывает на то, что в исследованном диапазоне температур 0-60° С можно достигнуть лишь ограниченной концентрации перекисей. Значительное ускорение процесса окисления озоном практически исключает наличие индукционного периода. На кинетику накопления перекисей существенное влияние оказывает характер поверхности полипропилена,
Другие способы окисления полипропилена
Для пероксидации порошкообразного изотактического полипропилена при 40-100° С или волокон из него используется смесь воздуха и летучей органической перекиси (трет-бутилперекиси) .
Для поверхностного окисления пленок можно применять различные окислители, такие, как К 2 Сг 2 О 7 , КМn0 4 в растворе серной кислоты. Перекисные группы образуются и при окислении полипропилена азотной кислотой или двуокисью азота. Представляет интерес метод получения пероксидированного полипропилена из бромированного полипропилена за счет реакции с 5,8% НзОз в среде простого эфира при добавке пиридина. Полипропилен в присутствии кислорода окисляется при любом физическом воздействии: как при механической деструкции под действием ультразвука или излучения высокой энергии, так и под влиянием электрической дуги или коронного разряда.
Галогенирование и другие реакции замещения
Хлорирование полипропилена
В последние годы много внимания уделялось изучению хлорирования кристаллических полиолефинов, имеющих более высокую температуру плавления, чем полиэтилен, поскольку можно было ожидать, что и их хлорированные производные будут отличаться высокой температурой плавления. В настоящее время применяются три метода хлорирования.
Хлорирование в растворе
В качестве растворителя при хлорировании в растворе используют галогенированные углеводороды, в особенности ССl 4 , СНС1 3 , СН 3 Сl и дихлорбензол. Ускорению реакции способствует повышение температуры или облучение светом с длинами волн 2000- 6500 А. Каталитическое действие оказывают перекиси, азосоединения, четыреххлористый титан и т. д. Хлорирование в растворе осуществляют при нормальном или повышенном давлении.
В макромолекулу полипропилена можно ввести до 70% хлора. Гомогенно хлорированный продукт удается получить лишь изотактического полипропилена. Для кристаллического изотактиче-ского полипропилена данный метод не вполне приемлем из-за отсутствия хорошего растворителя этого полимера при температурах до 100° С. Кристаллический полимер в среде галогенированных углеводородов набухает, его поверхностный слой хлорируется, переходит в раствор; однородный продукт получается лишь при содержании в полимере более 40% хлора, в противном случае образуется гетерогенная смесь высокохлорированного полимера в растворе и частично хлорированного геля.
По мере повышения степени хлорирования уменьшается содержание кристаллической фракции в полимере. Вследствие деструкции вязкость растворов хлорированных полимеров пропилена снижается прямо пропорционально содержанию хлора. Температура размягчения, как и в случае полиэтилена, сначала падает, а затем линейно повышается, причем постепенно возрастает плотность хлорированного полипропилена. Подобно всем хлорированным полимерам хлорированный полипропилен легко отщепляет газообразный хлористый водород; так, полипропилен с содержанием хлора 60% отщепляет его уже при 108-123° С.
Применение хлорированного полипропилена
Окислы двухвалентных металлов (ZnO, MgO, PbO) реагируют с хлорированным полипропиленом (наиболее предпочтителен полимер с молекулярным весом >20000 и содержанием хлора >20%) с образованием эластомеров, обладающих прекрасной озоностойкостью. Эту реакцию часто проводят в присутствии меркапто-бензтиазола. Пленки, волокна и формованные изделия из полипропилена можно подвергнуть действию хлора так, чтобы хлорирование проходило лишь в тонком поверхностном слое. Благодаря повышенной полярности хлорированной поверхности улучшается ее способность окрашиваться и воспринимать печать, чернила, лаки, клеи, фотоэмульсию и т. п. . Хлорированный полипропилеи размягчается легче, чем нехлорированный, вследствие чего улучшается его свариваемость. Раствор низкомолекулярного хлорированного полипропилена в смеси с красителями образует несмываемые чернила. Хлорированный полипропплен в чистом виде или в смеси с немодифицированным полипропиленом может быть рекомендован для склеивания металлов, бумаги, стекла, а также поливинилхлорида и поливинилиден-хлорида. Пленки из хлорированного полипропилена применяются в качестве проницаемых мембран с высокой удельной ударной вязкостью при изгибе. Большой интерес представляет галогенирование твердого полипропилена в целях удаления остатков катализаторов полимеризации. Путем сшивания хлорированного гюлипропилена бифункциональными аминами в процессе прессования получают изделия с высокими показателями прочностных свойств.
Ворот. Мы склонны рассматривать этот факт как следствие недостатка у нас современных рассасывающихся и нерассасывающихся шовных материалов. Все большее распространение получает скрепочный шов. Механический шов при операциях на различных органах значительно облегчает и стандартизирует технику операций. При этом, благодаря применению специальных конструкций аппаратов и формы скобок достигается...
Пород. 4. возможность использования в рецептуре композита вторичных сырьевых материалов (отходов потребления полимерной химии и деревопереработки) без ухудшения качества композита. 5. разработка двух технологических схем производства микрокомпозита (экструдер-режущее устройство-сушка-упаковка) и нанокомпозита (виброакустическая мельница – экструдер-режущее устройство). 5. Расчетно- ...
Cтраница 2
Полимеризация пропилена под действием катализатора цигле-ровского типа приводит к получению пластического материала с особенно ценными свойствами, из которого можно изготавливать высокопрочное волокно. Путем формования из него могут быть также получены изделия разнообразной формы. В 1963 г. Циглеру и Натта была присуждена Нобелевская премия за работы в области полимеризации алкенов.
Полимеризация пропилена под действием катализатора циглеровского типа приводит к получению пластического материала с особенно ценными свойствами, из которого можно изготавливать высокопрочное волокно.
Полимеризация пропилена продолжается 5 - 6 час при 65 - 70 С и давлении 10 - 12 ат. Конверсия составляет около 93 %, а остаток газа во избежание накопления примесей сдувается.
Полимеризация пропилена проводится в присутствии суспензии катализаторного комплекса в жидком пропилене при давлении 34 атм и температуре 70 С в петлевом реакторе в течение 15 часов. Этой стадии предшествует предварительная полимеризация пропилена, которая проводится в петлевом реакторе при 20 С, давлении 34 атм и времени реакции 10 минут. После реактора суспензия полипропилена в пропилене поступает в сепараторы, где мономер отделяется от полимера (после отмывки остатков катализатора и полимера маслом) и направляется на рециркуляцию. Полимер отделяется от газов в фильтре и подвергается пропарке от остатков катализатора и углеводородов. Далее полипропилен сушится азотом и поступает на экструзию и гранулирование.
Полимеризация пропилена продолжается 5 - 6 ч при 65 - 70 С и давлении 10 - 12 атм. Для образования пропилена используется 93 % газа, остаток же его во избежание накопления примесей сдувается. В результате полимеризации выпадает белый порошок - полипропилен, который после разложения ка-тализаторного комплекса спиртом промывают. Затем следуют отжим и сушка.
Полимеризация пропилена протекает с выделением теплоты, тепловой эффект составляет около 58 7 кДж / моль. Теплота полимеризации отводится через водяную рубашку реактора.
Полимеризация пропилена позволяет получать масла с умеренным индексом вязкости и низкой термической стабильностью. В качестве катализаторов могут использоваться А1Вг3 с НВг или BF3 в хлорированных углеводородах. Свойства масел на базе полимеров пропилена недостаточно хороши из-за высокой степени разветвленности цепи и содержания третичных атомов водорода.
Полимеризация пропилена проводится в среде жидкого углеводорода (растворителе) под воздействием каталитического комплекса, образовавшегося из триэтилалюминия или диэтилалюминий-хлорида и треххлористого титана.
Полимеризация пропилена проводится в среде растворителя в аналогичных условиях, при которых осуществляется полимеризация этилена при атмосферном давлении с применением металлорганических катализаторов. Свойства полученного полипропилена, такие как высокая температура плавления (165 - 170 С), большое сопротивление разрыву (300 - 350 кг см и др., оказались совершенно неожиданными. Исследования показали, что появление таких свойств объясняется стереорегулярной структурой пропилена (стр.
Полимеризация пропилена протекает с выделением тепла, тепловой эффект составляет около 58 7 кДж / моль.
Полимеризация пропилена протекает по ионному механизму в присутствии катализатора - смеси триалкилалюминия (обычно триэтилалюминия) с трех - или четыреххлористым титаном, взятых в различных соотношениях.
Полимеризация пропилена протекает по ионному механизму в присутствии катализатора - смеси триалкилалюминия (обычно триэтилалюминия) с трех - или четыреххлористым титаном, взятых в различных соотношениях. Триэтилалюминий может быть заменен триизобутилалюминием, благодаря чему заметно уменьшается опасность воспламенения катализатора.
Полимеризация пропилена может дать несколько типов продуктов, различающихся расположением мети льных групп в пространстве.
Полимеризация пропилена приводит к получению олефинов, использующихся в промышленности химической переработки нефти в качестве полупродуктов. Эти полимеры пропилена имеют очень разветвленные цепи и применяются главным образом для производства искусственных моющих средств.