Ce este polipropilena? Proprietăți, clase și utilizări industriale

Polipropilenă (PP): Definiție, Proprietăți, Clase și Ghid de Procesare

Polipropilena (PP) este al doilea cel mai produs plastic din lume, după polietilenăCererea sa globală este de peste 73 de milioane de tone anual, alimentând industrii diverse, de la ambalarea alimentelor la producția de automobile. Cu toate acestea, în mâinile multor ingineri și echipe de achiziții, detaliile despre clasele populare de PP se pierd din cauza confuziei, ceea ce duce la o fereastră de procesare greșită sau la diferențe subtile în proprietăți ignorate de utilizatorul final. Acest ghid acoperă totul - ce este polipropilenă plasticul, tipurile sale de proprietăți măsurabile, clasele disponibile, cum se compară PP cu PE, când și unde este utilizat industrial și cum este procesat PP prin extrudare și turnare în piese finite din plastic.

Ce este polipropilena?

Polipropilena (polipropena) este un polimer termoplastic obținut prin polimerizare în lanț din gaz propilenă (C3H6) utilizând fie un sistem catalitic Ziegler Natta, fie metalocen. Face parte din grupa poliolefinelor și este unul dintre cele mai frecvent întâlnite materiale plastice utilizate în ambalajele alimentare, componente auto, textile și aplicații medicale, datorită rezistenței sale chimice și la coroziune, greutății reduse și rezistenței la oboseală. Polipropilena are codul de identificare a rășinii #5 și este licențiată ca material pentru contactul cu alimentele, aprobată de Administrația pentru Alimente și Medicamente din SUA, conform 21 CFR 177.1520.

În 1954, chimistul italian Giulio Natta a descoperit PP în Italia și în Germania în același an, independent de Carl Rehn. Ambii chimiști au brevetat procese de polimerizare a propilenei gazoase într-o formă cristalină, stereoregulată (izotactică). Munca lui Natta se baza pe o compoziție catalitică de clorură de titan (TiCl₄) și alchil de aluminiu pentru a imersa propilena la viteza corectă timp de cinci minute, astfel încât, datorită vitezei de reacție, molecula de polimer rezultată să se poată atașa la lanțul reactant într-un model stereoregulat.

După această activitate, prima producție industrială de polipropilenă izotactică a început în 1957, sub auspiciile companiei Montecatini, cu sediul la Milano (acum parte a LyondellBasell). PP-ul s-a integrat rapid în ambalajele pentru alimente și băuturi, saci țesuți și alte produse turnate prin injecție. Apoi, până în anii 1970, îmbunătățirile în dezvoltarea catalizatorilor - în special dezvoltarea catalizatorilor cu randament ridicat, de a patra generație - au redus și mai mult prețurile și au consolidat aplicațiile polipropilenei în industria auto, medicală și inginerie civilă.

Astăzi, producția globală de polipropilenă este de aproximativ 73 de milioane de tone pe an, cu o valoare industrială de peste $ 125 de miliarde deDin punct de vedere structural, derivatul de PP este clasificat drept plastic de bază – ieftin, ușor (0.895-0.92 g/cm3, cel mai mic dintre toate termoplastelele de bază), reciclabil (cod #5) și cu o formulă simplă (CH4), care plasează elementele carbon și hidrogen în structura principală. Deoarece structura principală nu conține heteroatomi, rezistența chimică a PP este excelentă, iar acest lucru tinde, la rândul său, să reducă costurile de achiziție la 0% din prețul propilenei, care este un produs secundar petrochimic vrac din rafinarea petrolului și a gazelor naturale.

Proprietățile cheie ale polipropilenei

Proprietățile enumerate ale polipropilenei fac din aceasta una dintre cele mai versatile materiale plastice de bază din producția de astăzi. Mai jos sunt valorile măsurate din metodele de testare ASTM de bază - numerele care contează atunci când se specifică polipropilena pentru un design sau se alege un anumit grad de rășină.

Dintre toate proprietățile enumerate, rezistența chimică este o caracteristică definitorie a PP. PP este utilizat pe scară largă deoarece este rezistent la aproape toți acizii diluați și concentrați, inclusiv acidul clorhidric (HCl) și acidul sulfuric (HSO), la hidroxizi diluați, cum ar fi hidroxidul de sodiu (NaOH), la toți alcoolii și la majoritatea substanțelor chimice organice, așa cum sunt transportate la temperatura camerei.

Un alt punct forte este rezistența la oboseală. Polipropilena este un material rezistent la oboseală cu o rezistență ridicată la tracțiune, ceea ce explică utilizarea sa proeminentă în tehnologia balamalelor vii - „balamalele” extrem de subțiri și flexibile de pe capacele de sticle cu clapă, cutiile de scule și cotoarele dosarelor. O balama vii din polipropilenă bine proiectată se poate flexa de peste un milion de ori fără a crăpa, un nivel de durabilitate imposibil cu polietilena și polistirenul.

Materialul are și unele dezavantaje. În absența stabilizatorilor UV (cel mai frecvent stabilizatori ai luminii pe bază de amine împiedicate – HALS), polipropilena se degradează foarte rapid la lumina soarelui, devenind calcaroasă și fragilă în câteva luni. Rezistența la căldură este rezonabilă la 160-165°C pentru punctul de topire, dar temperatura de tranziție vitroasă la 20°C definește o temperatură sub care materialul devine fragil, iar rezistența la impact scade enorm (în special în cazul claselor homopolimeri).

Tipuri și clase de polipropilenă

PP nu este o singură clasă de rășini. Diferența în compoziția moleculară a tipurilor are un impact direct asupra proprietăților finite. Trei tipuri principale de polipropilenă disponibile comercial sunt homopolimerul, copolimerul aleatoriu și copolimerul bloc.

Gradele de homopolimer PP (PPH) sunt cele mai simple, conținând doar monomer de propilenă. Nivelurile ridicate de cristalinitate (între 60-70%) înseamnă o rigiditate foarte bună și cel mai ridicat punct de topire dintre toate materialele plastice, dar proprietățile la impact sunt compromise - în special la temperaturi scăzute. Homopolimerul este utilizat pe scară largă în folii de ambalare, pungi de polipropilenă țesute și filare fibre, unde este necesar un produs final rigid.

Copolimerul aleatoriu PP (PPR) combină (1-7%) unități de etilenă în lanțurile unui homopolimer simplu. Cristalinitatea redusă cauzată de caracterul aleatoriu al unităților de etilenă produce o claritate optică mai mare, cu o performanță la impact mai bună. Copolimerii aleatorii sunt materialul implicit pentru recipientele transparente pentru alimente și ambalajele medicale, unde impactul și claritatea sunt importante.

Clasele de copolimeri bloc (PPB) au „blocuri” de grupări de molecule de etilenă dispuse în serie pe tot materialul, unde energia este absorbită la impact. Domeniile de fază de cauciuc din structură absorb eficient energia de impact; clasele de copolimeri bloc sunt ideale pentru conducte și ornamente interioare auto.

O calitate de polipropilenă mai puțin utilizată ar fi polipropilena sindiotactică (sPP). Folosind topologia izotactică convențională, orientările alternative lipsă ale grupărilor metil oferă un material mai moale, mai elastic, cu un punct de topire semnificativ mai scăzut (în jur de 130°C). Găsirea unor utilizări de nișă pentru pelicule și straturi de etanșare neobișnuite ale sPP nu este frecvent întâlnită.

Indicele de curgere a topiturii în funcție de metoda de procesare

Indicele de curgere a topiturii (MFI) sau debitul (MFR) rămâne cel mai important factor de influență în alegerea calității, deoarece determină ce este capabil restul echipamentelor utilizate. Pentru a evita defectele inutile de la bun început, MFI-ul trebuie determinat cu atenție înainte de achiziție:

Polipropilenă vs. polietilenă — Diferențe cheie

Atât PP, cât și polietilena sunt poliolefine produse din petrol și prezintă o procesabilitate comparabilă. Nu vă lăsați însă induși în eroare. Acestea au limite de procesabilitate și performanță diferite. Un tabel alăturat de mai jos compară PP cu cele două tipuri cele mai comune de PE: densitate mare (HDPE) și densitate mică (LDPE).

Există o diferență semnificativă a punctului de topire între PP și polietilenă. Gama de valori de 160-165°C a PPC permite utilizarea acestuia în aplicații cu apă fierbinte, autoclavizare și lichide fierbinți - medii în care HDPE s-ar înmuia și deforma, 120-130°C. Pe de altă parte, HDPE este mult mai bun în mediile exterioare unde stabilitatea UV este importantă. Mobilierul de grădină, locurile de joacă și aplicațiile din porturile de agrement sunt adesea pe bază de polietilenă, deoarece nu necesită un pachet de aditivi pentru a rezista fotodegradării.

PP este, de asemenea, în mod clar avantajos pentru rezistența la oboseală. Balamalele mobile, închiderile cu fixare prin clipsare și capacele de ambalare favorizează polipropilena, deoarece liniile de pliere ale polietilenei tind să se fisureze după un număr relativ mic de cicluri de îndoire. Ambele poliolefine sunt similare cu polietilena în ceea ce privește procesabilitatea generală - curg bine, produc foarte puțini vapori și pot fi utilizate pe extrudere simple cu un singur șnec sau cu două șnecuri.

Aplicații industriale ale polipropilenei

Produsele din polipropilenă — de la recipiente din plastic durabil la pelicule flexibile din plastic — acoperă majoritatea sectoarelor industriale majore. Prețul accesibil, stabilitatea chimică, ușurința de formulare și procesabilitatea PP-ului asigură polipropilenei un loc în orice, de la capace de sticle de 2 g până la rezervoare de substanțe chimice de 500 kg. Producători din șase sectoare industriale utilizează acest material.

1. Ambalaje (~30% din utilizarea PP): Recipiente alimentare, capace de sticle, pahare pentru iaurt, pungi țesute din polipropilenă și folii BOPP (ambalaje pentru gustări, etichete). Statutul de contact cu alimentele, aprobat de FDA, și proprietățile de barieră la umiditate ale PP-ului îl fac ideal ca material de ambalare în lanțul de aprovizionare.

2. Auto (~20): Capace bare de protecție (~80% polipropilenă), panouri de bord, ornamentele ușilor, carcase de baterii, componente de sub capotă. Componentele turnate din polipropilenă umplută pot înlocui carcasele mai grele din alte materiale plastice, cum ar fi ABS sau nailon, la un cost mai mic, sprijinind inițiativele de reducere a greutății vehiculelor. PP-ul umplut cu talc, la o încărcare de 20%, produce un modul de încovoiere de 2.5-3.5 Gpa – apropiindu-se de compușii armați cu sticlă, dar la un preț foarte economic.

3. Textile și materiale nețesute: Suporturi pentru covoare, frânghii din polipropilenă utilizate în navigația de agrement și în industria industrială, țesătură țesută pentru saci industriali și țesătură topită pentru filtrare. Țesătura nețesută din polipropilenă este utilizată ca material de filtrare în măștile chirurgicale și respiratoarele N95 - un segment de piață în creștere rapidă, care a înregistrat o creștere semnificativă în 2020.

4. Medical: seringi, flacoane pentru probe, plasă chirurgicală, tăvi de unică folosință. PP-ul poate fi autoclavizat la 121°F (121°F) timp de 20 de minute fără deformare, așa că este utilizat în articole chirurgicale reutilizabile, ambalaje pentru produse de îngrijire personală și recipiente din plastic care pot fi sterilizate.

5. Construcție: sisteme de distribuție a apei calde și reci care utilizează sisteme de conducte din PP-R (copolimer aleatoriu de polipropilenă) proiectate pentru funcționare continuă la 70 °C și 10 bar, unde CCS (geotextile, plăci izolatoare, folii de protecție) utilizează, de asemenea, PP ca rășină de bază.

6. Bunuri de larg consum: Carcase pentru bagaje, Containere modulare pentru mobilier, Cutii de depozitare, Articole de papetărie, Utilizate ca placare pentru containere din plastic - pentru mobilier și bagaje stivuibile. Densitatea redusă a acestui material este un avantaj, deoarece produsul finit este ușor.

Cum este procesată polipropilena: extrudare, turnare și nu numai

Fabricată în produse de consum, rășina de polipropilenă trebuie încălzită până devine lichidă, modelată printr-un proces care implică forță și presiune și răcită în forma sa finală. Ruta procesului (extrudare, turnare prin injecție, turnare prin suflare, termoformare sau filare cu fibre) variază în funcție de geometria finală și de rata de producție prevăzută. Toată producția de tipuri de polipropilenă compoundată (umplută cu talc, fibră de sticlă, coloranți sau stabilizatori UV) constă într-un proces de extrudare, indiferent de etapa ulterioară de formare.

Profilul de temperatură al extrudării polipropilenei

Profilarea temperaturii pentru extrudarea polipropilenei este extrem de importantă - este principalul control asupra calității topiturii, a finisajului suprafeței și a stabilității dimensionale a produsului final. Un profil tipic al zonei cilindrului este prezentat mai jos pentru un tip de PP procesat în mod obișnuit (homopolimer, extruder cu un singur șnec):

Designul șurubului este la fel de important. Raportul L/D standard pentru extrudarea PP cu un singur șurub este între 25:1 și 36:1. Șuruburile mai lungi conferă un timp de staționare mai lung pentru topire și amestecare, ceea ce poate fi semnificativ la extrudarea claselor de homopolimeri cu cristalinitate ridicată, care necesită o topire și o amestecare bună pentru a preveni topirea produsului final.

Extrudare cu șnec dublu pentru compoundarea PP

În scopul amestecării PP cu materiale de umplutură minerale, armătură din fibră de sticlă, masterbatch de culoare sau pachet de aditivi, extrudere cu două șuruburi pentru compoundarea PP oferă producătorului atât un control mult mai precis al temperaturii în timpul procesării, cât și niveluri de amestecare care nu pot fi atinse de extruderele cu un singur șnec. Extruderele cu două șnecuri corotative, angrenate, pentru compoundarea PP, cresc considerabil ușurința amestecării dispersive (desfacerea grupărilor de materiale de umplutură), pe lângă o creștere enormă a amestecării distributive (răspândirea materialelor de umplutură în topitură) (raporturi L/D de 32:1–48:1).

Procesul de extrudare cu șnec dublu, deși nu este atât de comun, este utilizat pentru formulări speciale de PP, cum ar fi clasele umplute cu talc (încărcare de până la 40% pentru piesele auto) sau clasele armate cu fibră de sticlă (încărcare de până la 30% pentru piesele structurale). Prin acest proces se realizează și extrudarea reactivă, cum ar fi grefarea PP cu anhidridă maleică pentru îmbunătățirea aderenței la piesele polare. Șnecurile duble interconectate se autocurăță, rezultând un cilindru curat în timpul schimbării materialului, reducând deșeurile și permițând menținerea unei temperaturi uniforme a topiturii din față până în spate a cilindrului.

Procese suplimentare de procesare: Turnarea prin injecție (MFI 20-70 g/10 min) este principala metodă de procesare a materialelor plastice pentru termoplasticele turnate prin injecție, inclusiv capace de sticle, piese auto și alte piese pentru recipiente de depozitare. Turnarea prin suflare formează forme goale, cum ar fi sticle și rezervoare. Termoformarea formează ambalaje cu pereți subțiri, cum ar fi foliile alimentare, din foi de PP extrudate. Filarea fibrelor formează filamente continue din PP pentru utilizare ca fibre textile și aplicații nețesute – gama MFI 15-40 g/10 min oferă o tragere suficientă.

Este polipropilena sigură și reciclabilă?

Motivele pentru care există îngrijorări legate de siguranță și impactul asupra mediului sunt relevante pentru orice plastic utilizat în contact cu alimentele, în aplicații medicale și de consum. Polipropilena are performanțe bune în ceea ce privește mulți indicatori de siguranță, dar prezintă aceleași probleme de sfârșit de viață ca și cele întâlnite în cazul tuturor polimerilor pe bază de petrol.

Aprobare FDA (Administrația pentru Alimente și Medicamente): Polipropilena este aprobată în conformitate cu 21 177.1520 CFR pentru contact direct cu alimentele, un regulament care îl plasează ca polimer olefinic acceptabil pentru producerea de articole în contact direct cu alimentele. Această aprobare se aplică claselor de homopolimeri PP și copolimeri aleatorii concepuți pentru recipiente alimentare, ambalaje și suprafețe ale echipamentelor de procesare care intră în contact direct cu alimentele.

Fără BPA și ftalați: PP nu conține bisfenol A, deoarece lanțul polizomic conține doar monomeri de propilenă – nu sunt prezente grupări fenolice. Nu sunt necesari plastifianți ftalați în formulările PP, deoarece polimerul are o flexibilitate inerentă bună; în schimb, aceasta se obține prin copolimerizare. Nu există probleme cunoscute legate de perturbările endocrine asociate cu polipropilena, spre deosebire de unele formulări de PVC care necesită emolienți pe bază de ftalați.

Reciclabilitate: PP are codul de identificare al rășinii #5 și este recepționat în majoritatea depozitelor de reciclare de la marginea drumului din SUA. Re-PP reciclat (rPP) își face adesea loc în aplicații care nu intră în contact cu alimentele, cum ar fi industria auto, mobilierul de grădină și containerele industriale. Proprietățile PP reciclat se reduc cu aproximativ 10-15% per proces de reciclare în ceea ce privește degradarea în lanț, dar amestecurile de material virgin și reciclat etc. pot fi utilizate cu ușurință pentru a produce multe produse diferite.

Limitări de mediu: Polipropilena nu este biodegradabilă. Ratele de degradare la gropile de gunoi sunt de aproximativ 20-30 de ani în condiții standard, iar materialul va persista într-un mediu marin pentru perioade mult mai lungi. Fibrele PP - în special microfibrele provenite din spălările textile și din materialul textil nețesut degradat - au fost identificate ca o componentă tot mai mare a emisiilor de microplastic către căile navigabile/oceane. Există cercetări în curs de desfășurare privind polipropilena biologică - obținută din biopropilenă, mai degrabă decât din materii prime pe bază de petrol - dar volumele rămân relativ mici.

Întrebări frecvente