Artykuły - Tworzywa sztuczne

Różnorodność polietylenów i polipropylenów

20.07.2016
Autor: Tomasz Darowski
Różnorodność polietylenów i polipropylenów

Tworzywa sztuczne to często niemal anonimowe gatunki klasyfikowane pod wspólnymi nazwami, które nie zawsze oddają różnorodność dostępnych surowców.

Polietylen – nie każdy taki sam

Chociaż na tzw. wielką piątkę tworzyw (polietylen, polipropylen, polistyren, polichlorek winylu i PET) przypada aż trzy czwarte wszystkich używanych na świecie tworzyw sztucznych, to jednak w ramach tych gatunków znaleźć można kilka niszowych odmian, które stanowią zaledwie ułamek wolumenu dostępnych surowców. Jednak bez tych specjalistycznych gatunków, wciąż uznawanych za nowe, choć obecnych na rynku już od pewnego czasu, obsługa wielu segmentów i bardziej zaawansowanych aplikacji byłaby utrudniona. Przykładów dokumentujących tę tezę jest wiele.

Chociaż firma Dow Chemical już w 1986 r. wprowadziła na rynek, jako pierwsza na świecie, polietylen liniowy o ultra lekkiej gęstości (ULDPE, ang. ultra low density polyethylene), pod nazwą handlową Dowlex, to jednak do dzisiaj typ ULDPE jest znany stosunkowo słabo i ustępuje miejsca innym odmianom tego najpopularniejszego w skali globalnej tworzywa.

Obecnie Dow oferuje przywołany typ polietylenu pod nazwą handlową Attane. Jednak wszystkie dostępne typy ULDPE posiadają podobne cechy, czyli spełniają wysokie wymagania użytkowe w ściśle określonych sektorach, zwłaszcza tam, gdzie trudno zastosować bardziej masowe odmiany polietylenu liniowego. Chodzi tu m.in. o produkcję wysoce rozciągliwej folii, opakowań do żywności, produktów do ochrony zdrowia i utrzymania higieny osobistej.

Polietyleny ULDPE gwarantują większą elastyczność w niskich temperaturach niż ich standardowe odpowiedniki, lepszą odporność na pęknięcia pod wpływem korozji zmęczeniowej, a także są stosowane w produkcji opakowań do płynów swobodnie poruszających się w pojemniku.

Jak informuje Dow, typ polietylenu ULDPE szczególnie dobrze sprawdza się w przypadku konstruowania worków wymagających utrzymania wysokich obciążeń, a także toreb do magazynowania ziemi, opakowań konsumenckich, opakowań do sera, kawy, mięsa oraz opakowań do detergentów.

Po tworzywo sięga się ponadto w przemyśle agrochemicznym, w którym służy ono do produkcji folii pryzmowej kiszonkarskiej, folii do mulczowania, wytłaczanych membran, rur grzewczych i rur do transportu wody oraz produktów formowanych wtryskowo. Uznaje się, że omawiany polimer w postaci stałej środowiska. Podczas wystawienia na światło słoneczne może zachodzić powierzchniowa fotodegradacja. Wykazuje również zdolność do nieznacznej biodegradacji.

Do kluczowych parametrów wszystkich granulatów ULDPE należy przede wszystkim gęstość (0,860-0,915 g/cm3), wskaźnik szybkości płynięcia MFR rzędu 1-4 g/10 min, duże wydłużenie względne przy zerwaniu (ok. 1000%), a także wysoka przezroczystość i duża wytrzymałość na uderzenia, w tym także w niskich temperaturach.

Inną z odmian polietylenu, które produkuje się w stosunkowo śladowych ilościach, choć powstałą jeszcze wcześniej niż ULDPE, jest polietylen o bardzo dużej masie cząsteczkowej (UHMWPE, ang. ultra high molecular weight polyethylene). Produkowany jest on m.in. przez firmy Celanese, LyondellBasell, Mitsui Chemicals, SABIC oraz Braskem. W tej chwili popyt na omawiane tworzywo sięga ok. 180 tys. ton w skali roku, co pokazuje jego marginalność, jeśli zauważymy, że łączne globalne zapotrzebowanie na cały polietylen przekracza poziom 90 mln ton. Mimo to przewiduje się, że w okresie 2015-2022 popyt na UHMWPE rosnąć ma w tempie 10,9% rocznie, tak iż na koniec tego okresu potrzebna ma być ilość 410 tys. ton tworzywa rocznie do zaspokojenia potrzeb jego potencjalnych odbiorców. Dzisiaj blisko połowa polietylenu o bardzo dużej masie cząsteczkowej zużywana jest w Stanach Zjednoczonych.

Ze względu na swoją dużą lepkość w stanie stopionym, tworzywo było początkowo przetwarzane wyłącznie metodą prasowania tłocznego w formie na zimno, a następnie poddawano je spiekaniu na gorąco.

W ostatnich latach dokonał się jednak w tym zakresie spory postęp i powstały odpowiednie maszyny przetwórcze, które umożliwiają produkcję wykorzystującą polietylen UHMWPE w jednej operacji. Opracowano także specjalne technologie otrzymywania tego polietylenu, ale już zmodyfikowanego specjalnymi dodatkami. Taki UHMWPE można następnie przetwarzać konwencjonalnymi metodami charakterystycznymi dla termoplastów, jak np. wtrysk i wytłaczanie, choć zaznaczyć trzeba, że tylko gatunki niektórych producentów UHMWPE nadają się do przetwórstwa wtryskowego. Z powodu stosunkowo niewielkiej płynności wymagają one wtryskarek z wysokimi dopuszczalnymi ciśnieniami wtrysku (ok. 1100 barów), rezygnacji z blokady przepływów wstecznych oraz z tzw. rowkowaną strefą zasilania i krótką drogą płynięcia.

 

Najbardziej typowe właściwości techniczne dla polietylenu o bardzo dużej masie cząsteczkowej to gęstość na poziomie 0,94 g/cm3; wskaźnik szybkości płynięcia mniejszy od 0,01 g/10 min; wydłużenie przy zerwaniu w wysokości ponad 600%. Prezentowany polietylen otrzymuje się zawsze przy użyciu zmodyfikowanego katalizatora Zieglera.

Warto jeszcze dopowiedzieć, że z uwagi na swoją bardzo dobrą odporność na ścieranie odmiany UHMWPE mogą być stosowane do produkcji kuloodpornych kamizelek, a także włókien przeznaczonych do wytwarzania sprzętu ochronnego, sprzętu wspinaczkowego, żyłek wędkarskich. Z kolei z arkuszy z UHMWPE z łatwością można wyprodukować syntetyczny lód, w sytuacjach gdy niemożliwe jest utrzymanie naturalnego lodowiska. Odporność materiału na cięcie i ścieranie sprawia, że doskonale nadaje się on do tego akurat zastosowania. Tak samo jak sprawdza się w produkcji rowerowych klocków hamulcowych.

Rewolucja metalocenowa

Pojawienie się przed kilkunastoma laty katalizy metalocenowej dało początek bardzo istotnym zmianom w technologii wytwarzania polietylenów. Obrazowo mówiąc, katalizatory metalocenowe umożliwiają otrzymywanie polimerów o jednolitej, z góry założonej budowie, czyli niejako na zamówienie.

W ostatnich kilku latach przy pomocy takich właśnie katalizatorów metalocenowych otrzymano już wiele nowych rodzajów polietylenów różniących się od konwencjonalnych zarówno budową chemiczną, jak i właściwościami użytkowymi oraz zastosowaniem.

Polietyleny metalocenowe (mPE) zazwyczaj są kopolimerami otrzymywanymi w polimeryzacji etylenu i alfaolefin wobec katalizatorów metalocenowych. Nie wolno jednak pominąć przy tym faktu, że pomimo wielu swoich przewag katalizatory metalocenowe wykazują też istotne wady, wśród których wyróżnia się choćby konieczność prowadzenia polimeryzacji olefin w aromatycznym, czyli rakotwórczym rozpuszczalniku.

Bardzo niekorzystna jest morfologia otrzymanego polimeru. Brakuje też możliwości wykorzystania katalizatorów metalocenowych w nowoczesnych fluidalnych technologiach produkcji poliolefin.

Niemniej, w porównaniu z tradycyjnymi polietylenami, wyroby do produkcji których użyto mPE charakteryzują się większą elastycznością i odpornością na uderzenie, lepszymi właściwościami optycznymi (dużym połyskiem i małym zamgleniem w przypadku folii) oraz niższą temperaturą zgrzewania.

W zależności od zawartości i rodzaju alfaolefiny w kopolimerze otrzymuje się odpowiednie klasy polietylenów metalocenowych, które różnią się od siebie gęstością, właściwościami i zastosowaniem. Wedle takiego kryterium wyróżnić można zatem elastomery metalocenowe o gęstości poniżej 0,9 g/cm3; plastomery metalocenowe o bardzo małej gęstości (0,9-0,915 g/cm3); liniowe polietyleny metalocenowe małej gęstości (0,915 – 0,93 g/cm3); polietyleny metalocenowe dużej gęstości (0,94 – 0,97 g/cm3).

Głównymi graczami na globalnym rynku mPE są koncerny Dow Chemical, ExxonMobil Corporation, Chevron Philips Chemical, LyondellBasell, Total Petrochemicals. Najważniejszym zastosowaniem polietylenów metalocenowych jest produkcja różnorodnych folii, głównie opakowaniowych. Jeszcze w 2000 r. popyt na mPE wynosił 1 mln ton, co odpowiadało za 2% łącznego popytu na polietylen. Dzisiaj jest to wolumenowo liczba większa, ale w ujęciu procentowym nie przekracza 5%, co oznacza, że popyt i produkcja mPE nie determinują kształtu światowego rynku polietylenu. Największym wzięciem gatunek ten cieszy się w Stanach Zjednoczonych. Średnioroczne tempo wzrostu popytu na polietylen metalocenowy wynieść ma w najbliższych pięciu latach 8,9%.

W 2007 r. rynek tworzyw sztucznych wzbogacony został przez ciekawy typ polietylenu, jakim jest tzw. polietylen o poprawionych właściwościach (EPE, ang. enhanced performance polyethylene). Jego produkcja odbywa się w oparciu o specjalną technologię z użyciem katalizatorów jednomiejscowych, co umożliwia uzyskanie polimeru o długołańcuchowych rozgałęzieniach bocznych i jednocześnie małej polidyspersji ciężaru cząsteczkowego. W ten sposób EPE wyróżnia się bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi, zwłaszcza wytrzymałością na obciążenia dynamiczne. Ponadto podczas projektowania EPE wykorzystano proces tzw. downgaugingu, czyli zmniejszania ilości zużytego materiału przy jednoczesnej poprawie właściwości produktu.

Firmą odpowiedzialną za powstanie tworzywa jest koncern Dow Chemical. Stosuje się je natomiast do produkcji folii do opakowań produktów spożywczych. Dow przekonuje, że użycie jego polietylenów o poprawionych właściwościach pozwala na redukcję grubości opakowania aż o 25% w porównaniu z konwencjonalnymi surowcami dostarczanymi przez tę firmę. Po raz pierwszy polietylen EPE wykorzystany został w Malezji.


CAŁY ARTYKUŁ ZNAJDĄ PAŃSTWO W NR 3/2016 "CHEMII I BIZNESU". ZAPRASZAMY


 

Wyświetlono: 1666

Przeczytaj również

Skomentuj

Kalendarium

więcej