Полипропилен: виды, свойства и способы переработки

О чем речь? Полипропилен окружает в самых привычных вещах: от пищевой упаковки и кухонных принадлежностей до автомобильных деталей и водопроводных труб. Этот полимер стал неотъемлемой частью современной жизни, однако большинство даже не задумывается, какими уникальными свойствами он обладает и почему именно его выбирают для столь разных задач.

Что учесть? За кажущейся простотой материала скрывается сложная химия и продуманная технология производства, обеспечивающая его универсальность. Полипропилен выпускают в разных странах, в том числе и России. Однако маркировка пластика универсальна для всех и просто в толковании.

Что собой представляет полипропилен

Какой материал называют полипропилен, и в чем его уникальность? Из него производят упаковку, трубную продукцию, детали автомобилей и т.д. Материал считается экологичным, поскольку выдерживает многократную переработку, сохраняя свои характеристики. В современном производстве полипропилен все чаще выбирают компании, ориентированные на стабильное развитие.

Рассматривая, что за материал полипропилен, следует сказать, что это полимер из группы полиолефинов. Его получают путем полимеризации в газообразном состоянии. При этом, молекулы мономера соединяются в длинные цепочки, увеличивая молекулярную массу и формируя термопластичный материал.

Пластиковый полипропилен впервые был получен в 1954 году химиком из Италии Джулио Натта, который впоследствии стал лауреатом Нобелевской премии. Уже через 3 года после данного открытия материал стали выпускать в промышленных объемах. В дальнейшем наблюдается устойчивый рост объемов рынка полипропиленов.

Виды полипропилена

Полипропилен по особенностям химического строения и методов получения разделяется на несколько типов, каждый из которых имеет уникальные характеристики и особые области использования.

Гомополимер полипропилена (PP-H, Тип 1)

Гомополимер отличается строением на молекулярном уровне. Все звенья здесь одинаковые. Такая формула полипропилена характеризуется повышенной жесткостью, прочностью и устойчивостью к химическому воздействию. Температура плавления гомополимера находится в диапазоне 165–170 °C, поэтому изделия из него отличаются повышенной устойчивостью к воздействию высоких температур.

Главный недостаток гомополимера — повышенная хрупкость при низких температурах. Температура стеклования материала составляет примерно от −5 до −15 °C, что отражается на возможностях его использования в условиях холода.

Блок-сополимер полипропилена (PP-B, Тип 2)

Блок-сополимер — комбинированный полипропилен, получаемый путем сополимеризации с этиленом, при которой этиленовые звенья образуют регулярные блоки в структуре полимерной цепи. Обычно массовая доля этилена в блок-сополимерах составляет 5–15 %.

Главное преимущество блок-сополимера — значительно более высокая ударная прочность при пониженных температурах. Полипропилен сохраняет свою прочность и эластичность при температурах до −20 °C, что делает его пригодным для производства деталей и изделий, работающих в холодных условиях.

Рандом-сополимер полипропилена (PP-R, Тип 3)

Рандом-сополимер (статистический сополимер) образуется при случайном внедрении этиленовых звеньев в цепь полипропилена. Обычно содержание этилена в таком материале не превышает 6 %. Переходной полипропилен обладает характеристиками, находящимися между гомополимером и блок-сополимером по прочности и упругости.

Рандом-сополимер характеризуется высокой прозрачностью, ярким блеском и хорошей термостойкостью. Он выдерживает длительное нагревание до 70 °C и кратковременное — до 100 °C без деформации. В этом случае полипропилен применяют для изготовления труб систем отопления и горячего водоснабжения (ГОСТ Р 52134-2003).

Физико-механические свойства и характеристики полипропилена

Полипропилен (PP) относится к полукристаллическим термопластам. Материал сочетает прочность, гибкость и химическую стойкость. Благодаря этим свойствам его широко используют как в инженерных, так и в бытовых изделиях.

Для полного понимания потенциала PP как конструкционного или печатного материала необходимо подробно изучить его физико-механические характеристики, которые определяют поведение при нагрузках и температурных изменениях.

Плотность и структура

Полипропилен относится к числу самых легких термопластов, с плотностью около 0,895–0,93 г/см³. Это позволяет создавать легкие конструкции без потери прочности. Небольшой вес материала особенно ценен в упаковке, транспортной сфере и при 3D-печати, где важно минимизировать массу готового изделия. Полиэтилен и полипропилен схожие полимеры, однако полиэтилен выделяется большей жесткостью.

Молекулярная формула полипропилена может быть изотактической, синдиотактической или атактической, что напрямую влияет на уровень кристалличности и, следовательно, на физические свойства материала. В промышленности, а также при 3D-печати преимущественно применяют изотактический полипропилен из-за его высокой кристалличности (50–70%) и надежной стабильности при механических и температурных воздействиях.

Прочность и удлинение

Полипропилен характеризуется средней прочностью на растяжение, варьирующейся в пределах 20–40 МПа в зависимости от метода производства, типа материала и условий испытаний. Хотя это значение меньше, чем у PETG, АБС или PP компенсируется это высокой степенью эластичности: длина полипропилена при разрыве материал способен растягиваться на 200–600 %. В случае некоторых композитных разновидностей этот показатель может быть еще выше.

Читайте также!

Литье поликарбоната: этапы и требования

Подробнее

Эта комбинация создает даже сшитый полипропилен устойчивым к циклическому деформированию и к ударным нагрузкам. Ударная вязкость полипропилена по методу Изода находится в диапазоне 20–100 Дж/м, особенно в не надрезанном состоянии, что делает его пригодным для изготовления шарнирных соединений, гибких элементов и деталей с подвижными петлями. Полипропилен поддается пайке.

Показатели упругости и твердости

Модуль упругости полипропилена при изгибе составляет примерно 1–1,5 ГПа, что указывает на его среднюю жесткость и определяет поведение материала под действием изгибающих нагрузок.

Прочность соединений из полипропилена может быть увеличена. Этого удается достичь путем добавления различных наполнителей в материал. Для повышения свойств характеристик полипропилена применяют тальк или стекловолокно, что дополнительно увеличивает термостойкость и сохраняет форму изделий.

По шкале твердости Шора D полипропилен обычно имеет значения 60–70, что ниже, чем у стали, но при этом обеспечивает комфортное тактильное ощущение и устойчивость к царапинам. Тем не менее, в чистом виде полипропилен может быть подвержен появлению поверхностных дефектов, если не добавлять модификаторы или сополимеры.

Температурная устойчивость

Полипропилен обладает высокой термоустойчивостью: его температура плавления находится в пределах 160–171 °C, а температура размягчения по Викату (HDT) при нагрузке 0,45 МПа достигает примерно 100–110 °C. Это делает полипропилен пригодным для работы в условиях средних температур, таких как, например, горячие жидкости.

Полипропилен выдерживает кратковременную паровую стерилизацию и обработку при умеренном нагреве, например во время печати.

Муфты из полипропилена проявляют высокую термостабильность при кратковременных нагреваниях, но при длительном воздействии температур выше 110 °C возможны деформация и ползучесть. Зато материал сохраняет свои свойства при низких температурах до −20 °C без значительной хрупкости, хотя при еще более экстремальном охлаждении он может становиться ломким.

Химическая устойчивость

Главным достоинством полипропилена в отличие от металла — это его большая химическая инертность. Полипропилен обладает высокой химической стойкостью и устойчив к воздействию большинства кислот, щелочей, органических растворителей, масел, спиртов и моющих средств.

Из полипропилена производят трубы, поскольку он не реагирует с водой и не гигроскопичен. Материал практически не впитывает воду даже при длительном контакте с жидкостью или высокой влажности — водопоглощение полипропилена составляет менее 0,01 %.

Читайте также!

Полистирол: виды, свойства и применение

Подробнее

Благодаря высокой химической стойкости полипропилен отлично подходит для использования в агрессивных средах, а также в медицинской и пищевой упаковке.

Электрические свойства

Полипропилен хороший диэлектрик, благодаря чему его применяют для изоляционных компонентов. Он отличается низкой диэлектрической проницаемостью и высоким объемным электрическим сопротивлением, что делает его пригодным для электроники — например, для конденсаторов и изоляторов, обеспечивая надежную работу даже при повышенной влажности.

Воздействие УФ и поведение при старении

Несмотря на устойчивость к большинству химических веществ, полипропилен подвержен разрушению под воздействием ультрафиолетового излучения и кислорода, особенно при повышенных температурах.

Полипропилен используют для соединений на резьбу, однако при длительном воздействии высоких температур или солнечного света могут разрушаться макромолекулы, что проявляется в снижении прочности, пожелтении и появлении трещин. Для предотвращения этих эффектов в материал вводят антиоксиданты, УФ-стабилизаторы и светозащитные пигменты.

Воспламеняемость

Полипропилен легко воспламеняется, но при горении образует чистое пламя и не выделяет агрессивных газов, что делает его менее токсичным по сравнению с хлор- или фторсодержащими полимерами. Чтобы сделать полипропилен пригодным для повышения огнестойкости, в него добавляют антипирены, что позволяет материалу соответствовать стандарту UL94 HB или даже V-2 при определенных условиях.

Физико-механические характеристики полипропилена обеспечивают ему прочность, гибкость и химическую стойкость, что делает его пригодным как для промышленного применения, так и для функциональной 3D-печати.

При этом для эффективного использования важно учитывать его чувствительность к ультрафиолету, усадку при охлаждении и требования к температурной стабильности во время печати.

Сферы применения полипропилена

Изделия из полипропилена находят широкое применение в разных областях благодаря высокой химической устойчивости и отличной свариваемости.

Производство упаковки

Полипропилен благодаря высокой прочности, хорошим барьерным свойствам, качественной поверхности и невысокой цене широко применяется для изготовления упаковочных изделий.

• Гибкая упаковка

Полипропиленовые пленки отличаются высокой прозрачностью и низкой паропроницаемостью, что делает их оптимальными для упаковки пищевых продуктов. Из полипропилена изготавливают термоусадочные оберточные пленки, пленки для электронной промышленности, для нанесения графики, а также элементы одноразовых подгузников, крышек и т.д.

Пленки из полипропилена производят двумя способами: методом плоскощелевого литья (Cast Film) или в виде двухосно-ориентированных пленок (БОПП, BOPP).

• Жесткая упаковка

Методом раздувного формования из полипропилена изготавливают тару (ящики), контейнеры, емкости и бутылки для воды. Тонкостенные контейнеры из этого материала широко применяются для упаковки пищевых продуктов.

Потребительские товары

Полипропилен применяется при производстве компонентов бытовой техники и товаров массового спроса, в особенности чемоданов. Используется он для производства прозрачных элементов и различных предметов быта. Полипропилен применяется в изготовлении сидений для унитазов, ковров, мебели, приборов, лопат, мешков, игрушек и т.д.

Автомобильная промышленность

В автомобильной промышленности материал востребован благодаря доступной цене, достойным механическим свойствам и удобству переработки. Полипропилен, особенно часто используют при изготовлении корпусов аккумуляторов, крепежных деталей, поддонов, бамперов, приборных панелей, элементов монтажа, тройников, элементов отделки дверей.

Его популярность в отрасли обусловлена низким коэффициентом линейного теплового расширения, малым весом, высокой химической и атмосферной стойкостью, технологичностью переработки и оптимальным балансом ударной прочности и жесткости.

Текстильная промышленность

Полипропилен активно применяют для выпуска волокон и текстильной продукции. Из ПП-волокон производят ленты (получаемые разрезанием пленок), полосы, ремни, объемные непрерывные нити, штапельное волокно, спанбонд и другие виды нетканых материалов.

Читайте также!

Полиамид: свойства, виды, применение

Подробнее

Канаты, веревки и шпагаты на основе ПП характеризуются высокой прочностью и устойчивостью к влаге, благодаря чему они широко востребованы, в том числе в судостроении. Особенно отличается этими свойствами армированный полипропилен.

Медицинские изделия

Полипропилен используют для производства широкого ассортимента медицинских изделий благодаря его химической инертности и устойчивости к бактериям. Медицинские марки PP хорошо выдерживают паровую стерилизацию.

Полипропилен используют также для элементов получения медицинских пробирок, фильтров, диагностических устройств, бутылок для образцов, чашек Петри, ванночек, бутылок для внутривенной инфузии, контейнеров для таблеток пищевых контейнеров и т.д.

Промышленность:полипропиленовые листы широко применяются в индустрии для изготовления емкостей под кислоты и химические реагенты, дюбелей, листов, труб, кранов, многооборотной транспортной тары и упаковки (RTP) и т.д.

Это связано с тем, что материал характеризуется высоким пределом прочности, устойчивостью к повышенным температурам и коррозионной стойкостью. Из полипропилена производят углы для соединения труб и фитинги.

Технология производства полипропилена

Производство полипропилена состоит из этапов:

• Подготовка сырья

Для производства полипропилена используют пропилен (C₃H₆) — углеводород, содержащийся в нефти и природном газе.

• Полимеризация

Пропилен подвергают полимеризации или сополимеризации с этиленом в растворителе либо газовой фазе. Процесс проходит в реакторе с турбинными мешалками и погружными змеевиками для отвода тепла. Для ускорения реакции и формирования полимерных цепей используют металлоорганические катализаторы.

В результате получается вязкая полимерная масса, в которую добавляют стабилизаторы, осветлители и другие модифицирующие компоненты для получения материала с необходимыми свойствами.

• Формовка и охлаждение

Готовый расплав вспененного полипропилена проталкивают через узкие фильеры, формируя тонкие полимерные нити, которые затем охлаждают и нарезают на гранулы.

• Контроль качества и упаковка

На финальном этапе проверяют продукцию: оценивают химический состав, физико-механические характеристики и наличие вредных примесей. После этого полипропилен фасуют в мешки, маркируют и отправляют переработчикам. Гранулы PP легко обрабатываются методами экструзии, литья под давлением, выдувного формования и другими способами переработки.

Рынок полипропилена

По мировому потреблению среди полимеров полипропилен занимает второе место с долей примерно 26 %, уступая только полиэтилену. На третьей позиции находится поливинилхлорид с 18 %, доля которого постепенно уменьшается в пользу полипропилена. Большая часть глобального спроса — около 76 % — приходится на гомополипропилен, оставшаяся часть — на сополимеры.

В России потребление этого материала все еще остается сравнительно низким: всего 1,6 % от мирового объема или около 6 кг на человека в год, тогда как в Западной Европе этот показатель достигает 18 кг, в США — 17 кг, а в Китае — 12 кг на человека ежегодно.

Впервые полипропилен в нашей стране стали выпускать в 1981 году на Томском нефтехимическом комбинате, который сейчас входит в состав компании «Сибур». В 1990-е годы установки для выпуска ПП были введены на Московском НПЗ («Газпром нефть» и «Сибур») и на «Уфаоргсинтезе» («Башнефть»). В 2007 году производство запустили на буденновском заводе «Ставролен» («Лукойл»), а в 2013 году — на омском предприятии «Полиом».

Крупнейший завод по производству полипропилена в России — «Тобольск-Полимер», принадлежащий компании «Сибур» — был открыт 15 октября 2013 года. На момент запуска предприятие входило в пятерку крупнейших мировых производств, обладая мощностью, сопоставимой с двумя другими крупными заводами.

Завод рассчитан на выпуск 510 тыс. тонн пропилена в год методом дегидрирования пропана (подрядчик — Maire Tecnimont, оборудование — UOP, сырье поступает с Тобольского нефтехимического комбината) и производит из него 500 тыс. тонн полипропилена ежегодно (подрядчик — Linde, оборудование — Ineos).

Остальные российские заводы по производству ПП имеют мощности не более 250 тыс. тонн в год. «Тобольск-Полимер» ориентирован на гомополипропилен, тогда как выпуск сополимеров «Сибур» сосредоточил на Томском НХК и Московском НПЗ.

Обозначение и маркировка полипропилена

РР — это общепринятое обозначение полипропилена.

Маркировка российского РР состоит из пяти цифр:

• первая цифра (0 или 2) показывает давление, при котором проходил синтез: 0 — среднее, 2 — низкое;
• вторая цифра — это тип материала: 1 — полимер, 2 — сополимер;
• последние три цифры показывают показатель текучести расплава, умноженный на десять.

Через тире в маркировке указывают номер рецептуры стабилизации, а после запятой — номер рецептуры окрашивания и цвет.

Читайте также!

Основные характеристики ABS-пластика

Подробнее

Например, марка РР 21180-16, Т20 означает:

1. полипропилен произведен с использованием металлоорганического катализатора при низком давлении;
2. показатель текучести расплава равен 18 г/10 мин;
3. рецептура стабилизирующей добавки №16 обеспечивает антикоррозионную защиту;
4. материал содержит 20 % талька.

Маркировка может включать дополнительные символы, обозначающие специфические свойства полимера, например:

• PP-H — гомополимер;
• PP-S — огнестойкий сополимер;
• PP-HT — термически устойчивый гомополимер;
• PP-B — блочный сополимер;
• PPR-CT — термостабилизированный рандом-сополимер;
• PP-R — рандом-сополимер

Маркировку полипропилена наносят либо прямо на изделия, либо на их упаковку.

Она дает возможность идентифицировать материал, отличать полипропилен от других пластиков и выявлять его особенности использования.

Способы переработки полипропилена

Полипропилен можно перерабатывать всеми известными способами обработки термопластов, при этом выбор метода определяется типом готового изделия и необходимыми свойствами материала.

Литье под давлением

Литье под давлением — наиболее распространенный метод переработки полипропилена для создания изделий поштучно. Процесс проводят на термопластавтоматах при температурах 200–300 °C. Полипропилен не нуждается в предварительной сушке, что упрощает технологию. Усадка материала в форме составляет 1,5–3 % в зависимости от марки и условий переработки.

Экструзия

Методом экструзии из полипропилена производятся трубы, листы, профили и пленки. Для производства труб применяют высокомолекулярные марки полипропилена с показателем текучести расплава 0,3–0,8 г/10 мин. Пленки экструдируют как плоскощелевым способом для получения ориентированных материалов, так и рукавным методом.

Выдувное формование

Технология выдувного формования используется для изготовления полых изделий, например бутылок, канистр и емкостей. Существуют два метода: экструзионно-выдувное и инжекционно-выдувное формование. Инжекционно-выдувное формование обеспечивает более точные размеры и равномерную толщину стенок изделий из полипропилена.

Вакуумное или пневматическое формование листового полипропилена предварительно экструдированного, применяют для изготовления тонкостенной упаковки, одноразовой посуды и технических емкостей. Этот метод отличается высокой производительностью и экономичностью.

1. Гранулированное сырье загружается в бункер перерабатывающего оборудования.
2. В экструдере или литьевой машине полимер плавится при температуре 200–280 °C.
3. Расплав под давлением направляется в формующий инструмент или фильеру.
4. После охлаждения и кристаллизации полипропилена получают готовое изделие.
5. При необходимости изделие подвергают дополнительной обработке или декорированию.

Утилизация полипропилена

Отработавшие свой ресурс изделия из полипропилена образуют значительный объем отходов, попадающих на свалки и оказывающих негативное влияние на почву и атмосферу.

Наиболее рациональным методом утилизации считается вторичная переработка, позволяющая из полипропилена производить новые изделия для повторного использования.

Основные стадии вторичной переработки полимерных отходов включают:

• сбор и сортировку;
• очистку и измельчение;
• агломерацию при высокой температуре;
• формирование полимерных нитей в экструдере;
• охлаждение, грануляцию и сушку.

Вторичные гранулы практически не уступают первичному полипропилену по техническим характеристикам и могут подвергаться многократной переработке.

Вторичный полипропилен используют для производства технических деталей, а также в качестве добавки в асфальт, бетон и строительные блоки.

При сжигании в специализированных установках отходы полипропилена можно преобразовывать в тепловую энергию.

Вторичная переработка пластика значительно уменьшает потребность в природном сырье и снижает вредное воздействие на окружающую среду.

Часто задаваемые вопросы о полипропилене

Можно ли полипропилен использовать для хранения пищевых продуктов?

Материал сертифицирован FDA и Европейским управлением по безопасности пищевых продуктов для использования в контакте с пищевыми продуктами. Полипропилен может быть использован для этих целей дома.

Читайте также!

Термопласты: что это такое, виды, применение

Подробнее

Полипропилен не выделяет вредных веществ при температурах от −30 до +140 °C и химически не взаимодействует с продуктами питания.

Какие характеристики отличают полипропилен от других пластиков?

• По сравнению с полиэтиленом (ПЭ): обладает большей прочностью, жесткостью и термостойкостью.
• По сравнению с ПВХ: не содержит вредных добавок (хлора), безопаснее для контакта с пищей.
• По сравнению с полистиролом (ПС): отличается лучшей химической стойкостью и ударопрочностью.

Какой цвет у полипропилена?

Полипропилен в исходном виде (без красителей) представляет собой бесцветный, либо имеет слабоватый белый оттенок. Гранулы полипропилена представляют собой полупрозрачные или матово-белые частицы

В промышленности активно используют цветные красители, поэтому готовые изделия из полипропилена могут иметь практически любой оттенок:

• серые;
• белые;
• зеленые;
• синие;
• черные
• красные и др.

Важно: цвет полипропилена не оказывает влияние на физико-химические свойства. Цвет изделия определяется исключительно выбором красителя и эстетическими предпочтениями заказчика.

Источник изображения в шапке: freepik / freepik.com