Бимодальный полиэтилен: новая технология производства полимеров

Бимодальный полиэтилен: новая технология производства полимеров

Что представляет собой бимодальный полиэтилен? Какими свойствами наделён новый продукт производства нефтехимической промышленности? Инновационные технологии обычно характерны совершенством конечного продукта. Стоит ли ожидать от бимодального полиэтилена новых качеств. Насколько по качеству изменятся, к примеру, те же полиэтиленовые трубы, широко применяемые в сантехнике, удобные, практичные, но далеко небезопасные для здоровья.

Бимодальный полиэтилен

Продолжительное время для выдувного формования полиэтилена высокой плотности низкого давления (HDPE) применялись смолы, полученные по технологиям однореакторного процесса.

Конечный продукт – унимодальный полиэтилен, отметился на практике позитивными качествами, показал хорошие результаты производства изделий разного назначения.

Бимодальный полиэтилен
Таким примерно выглядит бимодальный полиэтилен в гранулированном виде. Новый материал, полученный нефтехимическим производством, отметился уникальными эксплуатационными свойствами

Однако развитие технологий неизбежно приводит к новым условиям применения материалов нефтехимии. Эти условия зачастую требуют более выраженных эксплуатационных качеств полимеров:

  • легковесности изделий,
  • повышенной стойкости к образованию трещин,
  • усиленной стойкости воздействию окружающей среды.

Поэтому неудивительно, что новые требования заставили производителей формовочных смол освоить продукт для производства бимодального полиэтилена – полимера с новым технологичным уровнем.

Так, незаметно отошёл в сторону фактор популярности класса унимодальных смол для выдувного формования (HDPE), показавших вполне удовлетворительные результаты.

Следом наметился переход к инновациям, где с точки зрения максимальной нагрузки, стойкости к образованию трещин, противостоянию окружающей среде, а также по ударной вязкости, бимодальные смолы для выдувного формования показали значительно лучший результат.

Производство Total Petrochemicals
Внушительная картинка производства Total Petrochemicals. И это всего лишь одно из нескольких подразделений компании, которой удалось освоить выпуск бимодального полиэтилена

Конечно же, первопроходцами в области инноваций традиционно обозначились американцы. Известная в области нефтехимической промышленности — компания «Total Petrochemicals», на протяжении двух десятков лет занималась изучением и получением уникального материала – бимодальной смолы.

За время исследований попутно сравнивались свойства бимодальных и унимодальных смол. Какие же различия удалось обнаружить американским химикам, исследуя эти два продукта?

Традиционные унимодальные смолы

Унимодальные смолы для выдувного формования (HDPE — High Density Polyethylene) получают по схеме производства, где используется один катализатор, входящий в состав одного реактора.

Результатом производственного процесса является полимер, обладающий достаточно широким молекулярно-массовым распределением.

Схема производства унимодальных полимеров
Схема производства унимодальных полимеров: 1 — фильтр; 2 — смеситель; 3 — реактор; 4 — компрессор; 5 — теплообменник; 6 — разгрузчик; 7 — сепаратор; 8 — компрессор; 9 — холодильник; 10 — аддитивная система; 11 — ввод добавок; 12 — бункер; 13 — выход гранул

Этот широкий диапазон размеров полимерных цепей включает в себя как малые молекулы, которые влияют на качество обработки материала (например, на скорость потока экструзии), так и значительно более крупные молекулы, которые оказывают влияние на физические свойства материала. В результате получают конкретные эксплуатационные показатели:

  • граничное значение максимальной нагрузки,
  • сопротивляемость образованию трещин,
  • устойчивость стрессовому воздействию окружающей среды (ESCR),
  • прочность на удар и падение.

Плотность (кристалличность) является критическим показателем смолы выдувного формования полимера серии PE.

Для полиэтиленовых материалов типа PE снижение плотности сопровождается улучшением многих важных физических свойств, связанных с пластичностью (снижением степени хрупкости), ESCR (устойчивостью стрессовому воздействию окружающей среды) и ударной вязкостью.

Степень плотности регулируют путем введения в структуру полимера сомономеров (бутадиена, метилметакрилата, стирола) при относительно небольших уровнях полимеризации.

Вводимые сомономеры создают короткие ветви боковой цепи, которые оказывают «разрушающее» действие на кристаллическую структуру и тем самым образуют более низкую плотность (кристалличность).

Обработка унимодальных полиолефинов
Высокотехнологичное оборудование для обработки и получения унимодальных полиолефинов. Однако с началом эры бимодального полиэтилена эту технику уже можно считать устаревшей

Однако этот процесс нельзя назвать достаточно эффективным, поскольку сомономер преимущественно переходит в более мелкие цепи с низким содержимым молекул.

Низкомолекулярные короткие цепи менее эффективно (по сравнению с более длинными полимерными цепями) воздействуют на физические свойства продукта.

Такая тенденция на включение сомономера в более короткие полимерные цепи ограничивает устойчивость унимодальной смолы при заданной плотности:

  • приводит к образованию трещин на полимерах,
  • снижает стойкость воздействию окружающей среды (ESCR),
  • ограничивает прочность полимерных изделий при падении и ударе.

Эти ограничения особенно значимы для выдувного формования, где верхняя граница нагрузки (предпочтительная для более высокой плотности) должна быть сбалансирована с показателем ESCR (предпочтительнее с меньшей плотностью) и снижением ударной вязкости.

Инновационные бимодальные смолы

Новые бимодальные смолы основаны, по сути, на комбинации двух полимеров:

  1. Полимер высокой молекулярной массы.
  2. Полимер низкой молекулярной массы.

Бимодальные смолы производятся с использованием двух полимеризационных реакторов серии (LMW и HMW). Процесс каждого реактора базируется на индивидуальных технологических условиях.

Этот процесс позволяет включить весь сомономер в высокомолекулярную фракцию, где требуется оказать наибольшее влияние на свойства конечного продукта.

Структурная схема производства бимодального полиэтилена
Структурная схема производства бимодального полиэтилена: 1 — этилен, 2 — реактор №1 LMW PE; 3 — реактор № 2 HMW PE; 4 — сомономер; 5 — гранулирование; 6 — выдувное формование

Результатом новой технологии является существенный прирост физических свойств полимера при условии соблюдения заданной плотности бимодальной смолы.

Технология изготовления бимодальной смолы обеспечивает значительное улучшение критических характеристик выдувного формования, в том числе:

  1. Повышение устойчивости полимеров к образованию трещин.
  2. Устойчивость стрессовому воздействию окружающей среды (ESCR).
  3. Увеличение верхней границы нагрузки.
  4. Снижение веса изделий.
  5. Усиление свойства ударной вязкости.

В конечном итоге, отмеченный диапазон улучшенных эксплуатационных свойств полимера приводит к более длительному сроку службы материала (гарантированно 100 лет).

Повышает уверенность в том, что полимер, сделанный выдувным формованием, сохранит целостность структуры в самых сложных условиях эксплуатации.

Хорошим примером уже существующего продукта, полученного из бимодальных смол, являются сантехнические трубы — бимодальный полиэтилен. Изделия отличаются безвредностью для окружающей среды и более высокими эксплуатационными параметрами.

Сравнение технологий выдувного формования: таблица

Технологии/свойства Бимодальный сополимер В5845 Унимодальный сополимер выдувного формования общего назначения Унимодальный гомополимер выдувного формования
Индекс расплава, г/10 мин. 0.45 0.35 0.7
Плотность, г/см3 0.957 0.955 0.962
ESCR (устойчивость к стрессовому воздействию окружающей среды) 300 60 15
Модуль гибкости, атм. 11,6 10,2 15,3

Написано по материалам: Total Petrochemicals


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *