【倍特专栏】重申带您了解三大聚丙烯性能对比与合成工艺和产出结果
2023-07-28 16:36:31
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聚丙烯（PP）是密度最小的热塑性树脂，可将其分为均聚聚丙烯（PP-H）和共聚聚丙烯，其中共聚聚丙烯又分为嵌段（耐冲击）共聚聚丙烯（PP-B）和无规（随意）共聚聚丙烯（PP-R），PP材料有那么多种，那么它们的区别是什么呢，今天在这里与大家一起了解一下各种PP。
由单一的丙烯单体聚合而成，是常见塑料中密度最小的一种，其分子链规整度很高，因此材料的结晶度高、冲击性能较差。缺点：抗冲击性能较差（较脆）、韧性差、尺寸稳定性差、易老化、长期耐热稳定性能差、对氧气及二氧化碳等气体的阻隔性较差。用途：可用于打包带、吹瓶、刷子、绳索、编织袋、玩具、文件夹、电器用品、家庭用品、微波炉餐盒、收纳盒、包装纸膜。由丙烯和部分乙烯共聚得到，乙烯含量一般为7～15%，但由于PP-B中两个乙烯单体及三个单体连接在一起的概率非常高，因此说明由于乙烯单体仅存在嵌段相中，并未将PP-H的规整度降低，因而达不到改善PP-H熔点、长期耐静水压、长期耐热及管材加工成型等方面的性能的目的。
缺点：低透明度、低光泽度，抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性、抗溶解性以及高温下抗氧化性较差。用途：用于保险杆、薄壁产品、婴儿车、运动器材、行李箱、油漆桶、电池盒、薄壁产品。由丙烯单体和少量的乙烯（1-4%）单体在加热、加压和催化剂作用下共聚得到的，乙烯单体无规、随机地分布到丙烯的长链中。乙烯的无规加入降低了聚合物的结晶度和熔点、改善了材料的冲击、长期耐静水压、长期耐热氧老化及管材加工成型等方面的性能。
PP-R分子链结构、乙烯单体含量等指标对材料的长期热稳定性、力学性能及加工性能都有着直接的影响。乙烯单体在丙烯分子链中的分布越无规，聚丙烯性能的改变越显着。优点：综合性能好，强度高、刚性大、耐热性能好、尺寸稳定性好、低温韧性极佳（挠曲性好），透明性好，光泽度好。用途：用于管材、收缩膜、点滴瓶、高透明容器、透明家庭用品、一次性针筒、包装纸膜。拉伸屈服强度：均聚丙烯＞嵌段共聚丙烯＞无规共聚丙烯。 20世纪50年代，就开始了聚丙烯合成工艺的研究。从最传统的溶剂聚合法（又称泥浆法），改良为更为先进的溶液聚合法，发展到目前的液相本体、气相本体聚合法，随着生产工艺的不断发展，最原始的溶剂聚合法，目前工业中已不再使用。
纵观全球聚丙烯先进的生产工艺，目前 Basell 公司每年生产的聚丙烯超过全球总产量的50%，其主要采用 Spheripol 双环管气相聚合工艺；此外，由 Basell 公司率先开发并投产 的Spherizone 聚丙烯合成工艺、北欧化工公司开发并投产的 Borstar 聚丙烯合成工艺均得到了普及应用。 Basell 公司研发并投入运营的 Spheripol 双环管气相聚丙 烯技术是目前经验最丰富的新型聚丙烯合成工艺，与传统生产工艺相比，生产的聚丙烯产品质量更好、产量更大。 共经历了四代催化剂的改良，目前已形成双环管结构的聚丙烯合成反应器，在此工艺的基础上生产出了多种优良的聚丙烯 产品。双环管结构可以通过改变合成工艺中的压力，得到性能更优良的聚丙烯产品，实现了对聚丙烯大分子质量以及聚丙烯大分子形态的调控；经多次改良后得到的第四代催化剂，催化生成的聚丙烯产品纯度更高，机械性能更好，具有更高的耐磨性能。
由于使用了双环管反应结构，可以更方便生产操作；提高了反应压力，所以整个生产工艺中氢气含量增加，在一定程度上改良了聚丙烯产品的各项性能 ；同时，基于双环管结构的优良特性，能够生产相对质量更高的大分子，以及质量更小的聚丙烯产品，使生产出的聚丙烯产品分子质量分布范围更大，且得到的聚丙烯产品更加均质。 这一结构能更好地促进反应物料之间的传热，如果结合目前更为先进的茂金属催化剂，未来将会制备出性能更加优良的聚丙烯产品。双环管反应器结构使得生产效率提高，使生产过程变得更加便捷灵活，在一定程度上提高了聚丙烯产品的产量。
Spherizone工艺是LyondellBasell公司在Spheripol工艺基础上开发的最新一代PP生产技术，主要特点在于采用单一多区循环反应器代替环管反应器，属气相聚合反应，其工艺流程如下图所示。 多区循环反应器分为上升段和下降段两个反应区，聚合物粒子在两个反应区内多次循环。上升段内聚合物粒子在循环气体作用下快速流化，进入下降段顶部旋风分离器，在旋风分离器内进行气固分离。在下降段顶部设有阻隔区，分离反应气体和聚合物粒子，粒子向下运动到下降段底部后进入上升段完成一个循环。阻隔区的使用，可实现上升段和下降段的不同的反应条件，形成两个不同的反应区域。 Spherizone工艺采用MC系列Z-N催化剂，均聚、二元及三元无规共聚产品可在多区循环反应器内生产，抗冲共聚物需配有气相反应器。根据多区循环反应器及气相反应器的不同操作模式，除传统均聚、无规及抗冲产品外，Spherizone工艺可进行一些新类型产品的生产，如可达到共聚单体含量的双峰分布；无规与抗冲组合产品，结合了无规物的光学特点及抗冲共聚物的韧性；均聚与无规组合产品，结合了无规物及均聚物的综合性能，使产品的加工性及力学性能得到平衡。通过多区循环反应器的使用，使树脂的微观均一性优于多级串联反应器的产品，如生产薄膜产品时鱼眼及凝胶减少。 Spherizone工艺生产的产品特点突出，应用范围广；树脂结晶度高，刚性好；单反应器可生产双峰产品，相对分子质量分布宽，树脂在保持力学性能的同时，具有良好的加工性；无规共聚产品共聚单体含量高，光学、力学及热力学性能佳；抗冲共聚物优化了冲击性能与刚性的平衡。
Borstar 聚丙烯合成工艺是北欧化工在 Basell 公司的聚丙烯合成工艺的基础上，在双环管结构反应器的基础上，同时串气相流化床反应器，由此生产出了性能更加优良的聚丙烯产品。
在此之前，所有的聚丙烯合成工艺将反应温度控制在 70℃左右，避免生产过程中气泡的产生，使聚丙烯产品更加均质。而北欧化工设计的Borstar的工艺，允许更高的操作温度， 甚至可以超过丙烯操作的临界值，温度的提高也促进了操作压力的提升，并且该过程中几乎不产生气泡，是一种性能更 为优良的聚丙烯合成工艺。 目前该工艺的特点概括如下：第一，催化剂活性更高；第二，在双环管反应器的基础上串联了气相反应器，能够对合成大分子的分子质量以及大分子形态进行更便捷的调控 ；第三，在进行双峰聚丙烯的生产时得到的每个峰都能实现较窄的分子质量分布，双峰产品质量更好；第四，提高了操作温度，避免了聚丙烯分子溶解于丙烯的现象，不会出现聚丙烯产品粘连在反应釜内壁的情况。
