Полимерное производство: как все происходит?

Как все происходит? Полимерное производство начинается с добычи необходимого сырья – примесей нефтяного газа. Затем они превращаются в жидкость, транспортируются к месту переработки, где подвергаются пиролизу и обработке в колоннах газораспределения. Заключительный этап – полимеризация или поликонденсация.

На что обратить внимание? Производство изделий из полученного материала – уже отдельная история. Трубы, корпуса, защитные покрытия и упаковки получают разными способами. Например, используются литье под давлением, выдувное формования, моделирование методом послойного наплавления.

Из этого материала вы узнаете:

1. Понятие полимеров
2. Классификация полимеров
3. Основные свойства полимеров
4. Сферы применения полимеров
5. Добыча сырья для производства полимеров
6. Производство мономеров
7. Производство полимеров
8. Центры производства полимеров в России
9. Технологии производства изделий из полимеров
10. Способы переработки полимеров
11. Инновационные разработки в производстве полимеров
12. Часто задаваемые вопросы о производстве полимеров

Понятие полимеров

Слово «полимер» произошло от двух греческих слов: polla;, что в переводе означает «многие» и meros, что переводится как «часть». Сегодня полимерами называются вещества, содержащие большое количество структурных элементов (мономеров).

Существует ошибочное мнение, что полимерный материал – просто пластик. На самом деле эти термины приравнивать нельзя.

• Пластик представляет собой конкретный вид термопластичного полимера, который при нагревании подвергается формованию. Такой материал удобно использовать для серийного производства различной продукции.
• Полимерами являются любые соединения, в которые входят длинные цепочки мономеров, то есть молекул с одним и тем же составом. Существуют синтетические полимеры, например, полиамид, полиэтилен или ПВХ, и естественные, такие как натуральный каучук, целлюлоза, белки.

Таким образом, любой пластик является полимером, но не любой полимер может быть пластиком. Например, клей, резина, лакокрасочные материалы – это полимеры, но не пластик.

Молекулы, входящие в состав полимеров, как правило, включают атомы кислорода, водорода, азота и углерода в разных комбинациях. Благодаря множеству сочетаний этих элементов можно получить полимеры с разными характеристиками и свойствами.

К самыми известным полимерам относятся полиуретан, ПВХ (поливинилхлорид), полиэтилен, полипропилен, полиамид и полистирол, однако это только малая часть списка подобных соединений.

Классификация полимеров

Современное полимерное производство насчитывает десятки видов таких материалов, отличающихся по агрегатному состоянию, химическому составу, эксплуатационным показателям.

1. В зависимости от происхождения:
   • Естественные – природные соединения, например, древесина, натуральный каучук, кожа.
   • Искусственные – вещества, получаемые путем изменения натуральных соединений с помощью различных технологий с целью придания им определенных свойств. Например: вискоза, пластмасса, целлулоид.
   • Синтетические – высокомолекулярные соединения, которые получают за счет поликонденсации или полимеризации мономеров. В природе такие вещества не встречаются.
2. В зависимости от агрегатного состояния:
   • Эластичные – это гибкие вещества, широко используемые при изготовлении строительных материалов, покрышек для автомобильных колес и т. д. Например: силикон, поролон.
   • Твердые – это пластичные высокопрочные полимерные материалы, используемые в производстве садовой мебели, оргтехники, бытовой техники (холодильников, пылесосов) и других изделий.
   • Жидкие – применяются для производства герметиков, лакокрасочной продукции, монтажной пены.
3. В зависимости от химического состава:
   • Органические – звенья главной цепи представлены органическими веществами.
   • Неорганические – боковые цепи молекул представлены неорганическими элементами.
   • Элементоорганические – в состав входят углеводородные группы и неорганические звенья.
4. В зависимости от структуры (определяется макромолекулой):
   • Линейные – мономеры последовательно соединены в одну цепь с образованием эластичного продукта. Например: натуральный каучук, эластомеры.
   • Разветвленные – полимеры, у которых цепь имеет боковые ответвления.
   • Сетчатые – полимеры, разветвленные цепи которых соединяются меду собой поперечными связями. Могут быть плоскими и пространственными.
5. В зависимости от полярности. Отличаются по наличию отрицательных и положительных зарядов, влияющих на способность вещества растворяться в разных средах.
   • Полярные или гидрофильные.
   • Неполярные или гидрофобные.
   • Смешанные или амфильные.

Основные свойства полимеров

К важным свойствам полимеров относятся:

• Ударопрочность – способность противостоять механической нагрузке. В этом отношении полимеры сравнимы даже с некоторыми металлами, благодаря чему находят применение в производстве защитных чехлов, бамперов для машин и т. д.
• Эластичность и пластичность – этими качествами обладают синтетические и природные каучуки. Они применяются для производства обувной подошвы, шин для автомобилей, оболочек кабелей и проводов, шлангов, воздушных шаров и т. д.
• Электроизоляционные свойства – полимеры не проводят электрический ток, то есть, являются диэлектриками, поэтому они используются для изготовления рукояток инструментов, предназначенных для работы в присутствии электрического тока, а также выполняют роль изоляционных материалов в электроприборах.

• Способность отражать свет – это свойство позволяет использовать полимеры для изготовления светоотражающих пленок, которые делают предметы заметными в темноте.

Светоотражающие материалы широко применяются для производства баннеров и билбордов, а также для организации дорожного движения.

Сферы применения полимеров

Нефтегазовая промышленность

Нефть и газ используются не только как транспортное топливо, но и как сырье для производства различных полимерных соединений. В процессе добычи газа и нефти также используются полимеры.

Читайте также!

Синтетические полимеры: виды, свойства и безопасность

Подробнее

Например, полиакриламид и его производные позволяют очищать трубопроводы, повышать производительность за счет увеличения пропускной способности системы, а также улучшать качество перекачиваемых продуктов. Кроме того, полиакриламид применяется при ремонтах скважин.

Медицинская сфера

Полимерные материалы активно используются в медицине. Из них изготавливаются хирургические инструменты, штифты, контейнеры для биоматериалов, шприцы и лабораторная посуда, контактные линзы, искусственные органы и протезы, бахилы, наногели для переноса лекарственных препаратов

Автомобильная промышленность

В автомобилестроении используется множество разнообразных полимерных материалов (свыше 100 видов):

• из полипропилена делают панели приборов, колпаки колес, некоторые элементы двигателя;
• из полиэтилена – коврики;
• из полиуретана – сиденья;
• полиамид используется для создания бензобаков, рычагов привода, аккумуляторов, шестерней и корпусов предохранителей;
• поливинилхлорид незаменим для изготовления проводки.

Кроме того, ПВХ применяется в производстве натяжных потолков и линолеума, поэтому его знают практически все.

Строительная отрасль

В этой сфере полимеры также очень популярны. Из них делают провода, электротехнические конструкции, лаки, сетки, защитные покрытия, изоляционные эмали, пленки, ограждения. Также полимерные материалы используются для производства труб и крышек для промышленных емкостей.

Даже в составе бетона и железобетона есть полимеры – они вводятся для улучшения характеристик строительных материалов.

Пищевое производство

Многие элементы оборудования выполнены из полимерных материалов. Например, из полиэтилена высокой плотности или полиамида изготавливают звенья транспортерных лент, а специальными покрытиями обрабатывают металлические поверхности, чтобы к ним не прилипали полуфабрикаты и сырье.

Для упаковки также используют полимеры, поскольку они позволяют значительно увеличить срок годности продовольствия. Например, если продукты упаковать в одноразовые многослойные пленки, они будут храниться на 20 % дольше даже без добавления консервантов.

Добыча сырья для производства полимеров

Полимерные производства в России и в других странах в качестве сырья используют попутный нефтяной газ (ПНГ). Добыча газа и нефти прежде всего ведется для того, чтобы получать топливо для электростанций и транспорта, но эти природные ископаемые содержат большое количество примесей, которые и направляют для получения полимеров.

Однако, чтобы переработать эти примеси, их сначала нужно отделить и транспортировать к месту переработки. Поскольку работники газовой и нефтяной промышленности решают совершенно другие задачи, то ПНГ нередко просто сжигают.

Читайте также!

Производство пластиковых изделий: технологии и оборудование

Подробнее

Если попутные газы планируется использовать дальше, их покупают газонефтехимические компании и выделяют из них фракцию ШФЛУ (широкая фракция легких углеводородов), которая затем на специальных предприятиях разделяется на составные части. В результате получают сжиженные углеводородные газы или, сокращенно, СУГ.

Чтобы газы можно было транспортировать, их переводят в жидкое состояние и заливают в железнодорожные цистерны.

Следующим шагом переработки углеводородов является пиролиз (в переводе с греческого «пирос» означает «огонь», а «лизос» – «распад»), в ходе которого образуются мономеры, являющиеся исходным материалом для получения полимеров.

Производство мономеров

После транспортировки сжиженное сырье заливают в специальные хранилища, а оттуда оно по трубам поступает на печи пиролиза, температура нагрева в которых составляет более 800⁰С. Для сравнения скажем, что поверхность Венеры нагрета всего до 460⁰С. Нагреваясь, длинные молекулы углеводородов распадаются на мономеры, то есть, более короткие части.

Пиролиз проводится в трубчатых печах. Сначала к сырью подается пар и смесь нагревается примерно до 600⁰С, а далее нагрев идет в трубах-змеевиках. Их газ пролетает практически мгновенно, за доли секунды.

В процессе пиролиза происходит множество параллельных и последовательных химических реакций, которые в конечном итоге приводят к образованию мономеров. На данном этапе в печах образуется пирогаз – это газообразный состав, в который входят различные компоненты.

Для выделения мономеров пирогаз выводят из печи и пропускают через ряд технологических узлов. Там происходит отделение смол, воды и других сопутствующих веществ, которые не утилизируются, а направляются на дальнейшую переработку.

Например, на основе ароматических углеводородных фракций изготавливают растворители и лакокрасочную продукцию, из бутадиена получают каучук для автомобильных шин, а вода используется в производственных процессах для выработки пара или охлаждения.

В газоразделительных колоннах выделенную смесь мономеров сначала охлаждают до -35⁰С, а затем постепенно, по мере продвижения по колоннам, нагревают до +45⁰С.

В результате этих процессов из смеси получают индивидуальные компоненты.

Производство полимеров

В полимерном производстве используются две технологии – это поликонденсация и полимеризация. Далее мы рассмотрим основные отличия и особенности, а также плюсы и минусы каждого метода.

Полимеризация

Это процесс получения высокомолекулярных цепей из отдельных звеньев. Основу цепи составляют мономеры, имеющие парные связи. При полимеризации происходит разрыв этих связей и замена на новые. Реакция может быть ионной либо свободно-радикальной.

Во втором случае она включает следующие стадии:

• инициирование – разрушение связей и образование свободных радикалов;
• удлинение цепи за счет соединения звеньев;
• обрыв цепи – образование полимера и завершение реакции.

Это довольно сложная технология, с помощью которой получают самые разные материалы, включая полистирол и полиэтилен.

Чтобы началась реакция, нужно создать определенное давление и температуру, а также ввести инициатор, запускающий процесс.

В случае ионной полимеризации, которая используется, например, для получения искусственного каучука, активными группами являются катионы и анионы.

Выбирать технологию и оборудование нужно до запуска полимерного производства, поскольку необходимо учитывать, какое сырье будет использоваться и какие конкретно полимеры планируется получать.

Поликонденсация

Метод заключается в получении полифункциональных мономеров. В результате реакции простые молекулы отщепляются и функциональные группы связываются в общую цепь. Технология обычно требует использования катализаторов и предполагает несколько стадий, в ходе которых могут образовываться промежуточные соединения.

Как правило, поликонденсация выполняется при нагревании до 200-280°С, а для устранения образующихся побочных продуктов используется вакуум или контролируемое снижение давления.

Читайте также!

Применение пластика и описание свойств

Подробнее

Отличие заключается в том, что при полимеризации используются монофункциональные соединения, а при поликонденсации применяются и образуются мономеры, содержащие разные функциональные группы. Чаще всего с помощью данной технологии получают полиуретан, поликарбонат, фенол-альдегидную смолу и полиамид.

Центры производства полимеров в России

В нашей стране в этой сфере работает несколько крупных холдингов, работающих по принципу вертикальной интеграции. Они обеспечивают полимерной продукцией российский рынок, а также играют значительную роль на мировой арене.

Именно благодаря этим предприятиям в отрасли активно внедряются инновации и функционируют крупные инвестиционные проекты.

СИБУР Холдинг

Историческая справка и специализация: компания является крупнейшим в России предприятием по переработке нефти и газа и входит в число передовых мировых компаний, которые активно развиваются.

Была основана в 1995 году, с самого начала успешно идет вперед и наращивает производственные мощности. Выпускает разнообразные полимеры, в том числе полипропилен и полиэтилен (по их производству лидирует в РФ), синтетические каучуки и базовые мономеры.

Где находится: заводы СИБУРа по производству полимерной продукции составляют крупную сеть и располагаются в следующих регионах:

• Тюменская область, город Тобольск – «ЗапСибНефтехим»: крупнейший российский комплекс, выпускающий полимеры. Начал работать в 2020 году.
• Нижегородская область, город Дзержинск – «СИБУР-Нефтехим»: производит поливинилхлорид, окиси этилена и другую продукцию.
• Город Томск – «Томскнефтехим»: выпускает полипропилен и полиэтилен.
• Республика Татарстан, город Нижнекамск – «Нижнекамскнефтехим»: объединившись с данным предприятием, СИБУР смог лучше закрепиться в нише синтетических каучуков.
• Республика Татарстан, город Казань – «Казаньоргсинтез»: самый крупный производитель поликарбонатов и полиэтиленов.

Также в холдинг входят многие другие отечественные предприятия, которые занимаются переработкой и производством добавок.

ЛУКОЙЛ (Полимир, Ставролен)

Историческая справка и специализация: это крупный нефтегазовый холдинг, уделяющий большое внимание также и нефтехимическому направлению.

Где находится: основным городом, где ведется производство полимерных материалов, является Буденновск в Ставропольском крае, где функционирует дочернее предприятие ООО «Ставролен». Эта производственная площадка является одной из самых крупных и старых в южной части России по выпуску полипропилена и полиэтилена.

Группа «Титан» (Омский каучук, Полиом)

Историческая справка и специализация: мощный холдинг нефтехимической отрасли, который занимается выпуском полипропилена и другой продукции. В сегменте полимеров основным проектом является завод «Полиом».

Где находится: В Омске. во-первых, это ООО «Полиом» совместное предприятие СИБУРа, ГК «Титан» и Газпромбанка, начавшее работу в 2013 году. Входит в число самых современных отечественных заводов по выпуску полипропилена. Во-вторых, АО «Омский каучук»: выпускает синтетические каучуки и другую нефтехимическую продукцию.

РусВинил (совместное предприятие СИБУР и Solvay)

Историческая справка и специализация: одно из крупнейших современных российских предприятий по производству ПВХ. Завод начал работу в 2014 году.

Читайте также!

Что такое ПВХ: общая информация, свойства, виды, плюсы и минусы

Подробнее

Благодаря сотрудничеству международной компании Solvay и СИБУРа, холдинг смог воспользоваться самыми современными европейскими технологиями.

Где находится производство: завод расположен в Кстовском районе Нижегородской области.

Салаватнефтеоргсинтез (Газпром нефтехим Салават)

Историческая справка и специализация: крупный комплекс нефтехимической отрасли, который выпускает полистирол, синтетические спирты, полиэтилен высокой плотности и много других разнообразных продуктов.

Где находится производство: республика Башкортостан, город Салават.

Технологии производства изделий из полимеров

Литье под давлением

Данный метод чаще всего используется для изготовления пластмасс, подходит для обработки термореактивных и термопластичных полимеров.

Технология подразумевает расплавление пластиковых гранул при нагревании, после чего массу с помощью возвратно-поступательного шнека подают в металлическую форму. Состав заполняет ее, остывает и затвердевает, а затем полученная деталь вынимается из формы.

Методом литья под давлением получают детали и элементы самых разных размеров и форм с ровными и тонкими стенками.

Данный способ используется, например, для изготовления автомобильных приборных панелей, одноразовых подносов, деталей конструкторов.

Выдувное формование

Эта технология используется в полимерном производстве реже, чем описанная выше. Различают выдувное формование под давлением, экструзионно-выдувное формование и формование с растяжением.

Метод подразумевает использование пресс-формы и заготовки, которая представляет собой расплавленную термопластичную трубку. В заготовку подают сжатый воздух, под действием которого пластик расширяется и, доходя до внутренних стенок формы, принимает требуемые очертания.

Путем выдувного формования получают пластиковые бутылки, топливные баки, бочки и другие полые изделия. Чаще всего используют материал HDPE.

Ротационное (центробежное) формование

В этом случае пластмассовые детали изготавливаются в условиях низкого давления и высокой температуры. Процесс заключается в перемещении пластикового состава внутри вращающейся формы.

Для получения изделий таким методом порошкообразный пластик помещают в форму, которая вращается вокруг нескольких осей (двух и более) при нагревании. Вращение приводит к тому, что пластик растекается по внутренней поверхности формы и принимает требуемые очертания.

Читайте также!

Полипропилен: виды, свойства и способы переработки

Подробнее

Ротационное формование позволяет получать детали с прочными внешними углами и постоянной толщиной стенок, не требует сложного оборудования, но может идти медленно, так как необходимо дождаться остывании формы, чтобы вынуть изделие.

Таким способом получают игрушки, емкости и контейнеры для хранения.

Вакуумное литье

Данный метод используется, как правило, для получения маленьких партий разноцветных прототипов. В производстве уретановых изделий применяются формы из силикона.

Для получения деталей уретановая смола подается в силиконовую форму, а чтобы получить абсолютно гладкую поверхность, пузырьки воздуха удаляются вакуумом. Готовые детали проходят полимеризацию в печи.

В полимерном производстве вакуумное литье часто используется для получения пластика, из которого делают частично прозрачные изделия, например, опытные экземпляры.

С помощью данной технологии производят прототипы, крышки и корпуса для электроники.

Обработка пластмасс

Этот метод в производстве пластиковых изделий очень популярен. Для обработки могут использоваться токарные или фрезерные станки с ЧПУ, а также лазерно-гравировальное оборудование.

Несмотря на различия в работе станков, обработка, как правило, заключается в ручном или компьютерном вырезании участков из пластмассовой заготовки с помощью режущих инструментов.

Также обработка пластика востребована при совмещении деталей, которые были получены экструзией или другими методами.

Данный способ используют при производстве различных приспособлений и оснастки, промышленных деталей, автомобильного освещения и т.д.

Моделирование методом послойного наплавления (FDM)

3D-печать очень часто используется для производства пластиковых изделий. Для изготовления деталей применяют обычные термопласты PLA или ABS, а также PEEK (современный материал).

Технология заключается в нагревании термопластичной экструдированной нити в специальном оборудовании и последующем ее выкладывании из движущегося сопла в определенные формы. В результате послойной печати 2D-элементов детали получается полноценное 3D-изделие.

FDM не позволяет получить детали повышенной прочности, однако может быть экономически выгодным и эффективным для производства изделий, обладающих сложной внутренней геометрией.

С помощью моделирования методом послойного наплавления получают запчасти, разнообразные прототипы, композитные промышленные изделия.

Способы переработки полимеров

Пластик и другие полимеры имеют в современном мире большое значение, но вместе с этим несут значительную угрозу экологической безопасности. Поэтому сейчас очень актуален вопрос не только производства, но и переработки полимерных материалов.

Какие виды переработки существуют на сегодняшний день:

• Термическая – на полимеры оказывают высокотемпературное воздействие, в результате чего они распадаются на более простые соединения, которые в дальнейшем могут использоваться для получения топлива или новых полимеров. Такой метод требует больших вложений и затрат энергии.
• Химическая – разложение полимеров на составляющие молекулы, которые затем применяются для получения химикатов или новых полимерных соединений. В результате химической переработки получаются более качественные и чистые вещества, но этот метод непрост в применении, так как требует наличия определенной инфраструктуры и предполагает сложные химические процессы.
• Механическая – полимеры измельчаются физическим способом и используются для производства других изделий.

Данная технология позволяет избежать больших затрат энергии и уменьшить выбросы парниковых газов за счет сохранения производственного процесса.

Инновационные разработки в производстве полимеров

Отечественные компании занимаются собственными разработками и исследовательской работой, а не только используют уже известные методы. Сейчас активно осваивается производство новых сложных высокотехнологичных марок полимеров.

Читайте также!

Полиэтилентерефталат: подробная характеристика материала

Подробнее

Это:

• Компаундированные и специализированные полимеры. Производители успешно работают в направлении получения компаундов – так называются смеси полимеров и других компонентов (стабилизаторов, наполнителей, красителей), наделяющих изделия новыми свойствами. Это позволяет получать соединения, отличающиеся повышенной устойчивостью к низким температурам, солнечным лучам, огню и т. д.
• Перерабатываемые и биоразлагаемые полимеры. В России, как и во всем мире, ведутся исследования в области создания биологически разлагаемых соединений и также производства полимерных изделий из вторичного сырья. Это направление имеет важнейшее значение, но пока только начинает развиваться.
• Полимеры для новых отраслей. Ведется разработка композитных материалов для судостроения и авиационной промышленности, а также альтернативной энергетики (полимеры могут использоваться для изготовления деталей солнечных батарей). Важны эти работы и для медицинской отрасли, поскольку там очень нужны совместимые с биологическими тканями и особо чистые материалы.

Часто задаваемые вопросы о производстве полимеров

Какое оборудование применяется для изготовления полимеров?

В производстве полимерных материалов и изделий применяются разнообразные приборы и устройства. Это:

• экструдеры – используются для получения изделий путем экструзии (непрерывного выдавливания);
• термопластавтоматы – оборудование для литья под давлением, на котором создают полимерные изделия со сложной геометрией;
• термоформовочное оборудование – применяется для получения разнообразных по форме изделий из полимерных листов. Востребовано в производстве упаковки;
• шредеры и дробилки – используются для измельчения полимерных отходов для того, чтобы их можно было повторно использовать в промышленности.

Какое влияние полимерное производство оказывает на атмосферу?

Полимерное производство, как и любое другое, связано с отходами. Каждый год оно сопровождается выбросом примерно 3,8 миллиардов тонн парниковых газов, которые можно сравнить с выбросами углекислого газа. Большую роль в этом играет ископаемое топливо, являющееся сырьем.

Как оптимизировать производственные процессы?

Для оптимизации производства пластмасс необходимо внедрять энергосберегающее оборудование, ставить теплообменники, позволяющие повторно использовать выделяющиеся продукты, осваивать возобновляемые энергоресурсы.

Как улучшить свойства полимеров или добавить новые?

Этого можно добиться, если ввести в основу армирующие компоненты, которые позволяют снизить вес изделий, сделать их более прочными и устойчивыми к ультрафиолетовым лучам, химическим соединениям, термическому воздействию и т. д. Также улучшить свойства полимеров помогает дополнительная обработка готового изделия.

Полимеры прочно вошли в повседневную жизнь и в промышленность, благодаря своим высоким эксплуатационным качествам. Легкие и прочные материалы, устойчивые к химическому и другому воздействию, широко используются в медицине, автомобилестроении, пищевой, строительной и многих других отраслях.

Источник изображения в шапке: usertrmk / freepik.com