Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГБОУВПО «Тольяттинский государственный университет»

Институт Машиностроения

Кафедра «Нанотехнологии, материаловедение и механика»

Курсовая работа

по дисциплине «Физико-механические свойства новых материалов»

на тему: «Полипропилен»

Выполнила

студентка гр. Нтб-1001

Гузилова Л.И.

Проверила

к.ф.-м.н., доцент

Грызунова Н.Н.

Тольятти 2014



Реферат

Курсовая работа 24 с., 2ч., 12 рис, 2 табл., 10 источников.

Полимер, полипропилен, полимеризация, применение полипропилена.

Объект исследования - полипропилен.

Цель работы: изучить свойства одного из полимеров - полипропилена, историю открытия данного материала, способы его получения, отрасли применения, а также предоставить «коллекцию» изделий из этого полимера.

Результаты работы - осуществили анализ известной технической литературы и информации в сети Интернет об истории создания, методах получения и свойствах полипропилена, а также в качестве дополнительного материала предоставили «коллекцию» образцов изделий из него.



Оглавление

Введение

1. Основные сведения

2. История

3. Полипропилен в общей классификации

4. Технология получения

5. Применение вторичнопереработанного полипропилена

6. Марки пластмасс на основе полипропилена

7. Физико-механические свойства

8. Применение

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Полимерные материалы в настоящее время находят всё более широкое применение в различных областях науки и техники, и вообще в нашей современной бытовой жизни, будь то посуда или комплектующие детали для автомобилей. Ещё в СССР в 1981-1985 гг. отмечалось важная необходимость получения материалов с заданными свойствами и развития производства новых полимерных материалов и изделий из них с комплексом характеристик, необходимых для современной техники. И развитие получения новых полимерных материалов не останавливается и по сей день.

Среди полимерных материалов большого внимания заслуживает полипропилен. Широкая сырьевая база, разработка новых методов синтеза, ценный комплекс физико-механических свойств предопределяет благоприятные технико-экономические предпосылки для развития их производства и применения, полученных на их основе разнообразных изделий в различных областях народного хозяйства.

При написании данной курсовой работы мы поставили перед собой следующие задачи: полипропилен пластмасса полимер

1. Проанализировать существующую на данный момент литературу и данные, расположенные в сети Интернет;

2. Предоставить информацию об истории открытия и развития полипропилена, его свойствах, применении и переработки;

3. Собрать «коллекцию» образцов из данного типа полимера.

Предметом исследования данной работы является полипропилен, а объектом - его свойства, методы получения и области применения.



1. Основные сведения

Полипропилен - это термопластичный неполярный полимер пропилена, представляющий собой бесцветное кристаллическое вещество изотактической структуры и принадлежащий к классу полиолефинов [1,2]. Химическая формула пропилена имеет вид (C₃H₆)_n

Известны изотактический, синдиотактический и атактический формы полипропилена, последний же нашёл большее распространение в промышленности. Изотактический полипропилен (рисунок 1а) имеет форму молекулы, в которой все метильные группы расположены на одной стороне, в синдиотактическом (рисунок 1б) - метильные группы расположены попеременно с двух сторон цепи, в атактическом же полипропилене (рисунок 1в) - метильные группы расположены статически.

а)

б)

в)

Рисунок 1 - Структурные формы полипропилена [3]



а)

б)

Рисунок 2 - Модель поли пропилена : а - атактический, б - изотактический [4]

2. История

Возможность синтезировать полипропилен появилась впервые в в 1954 г., когда немецкий химик-органик Карл Циглер и итальянский химик Джулио Натта открыли металлокомплексный катализ полимеризации олефинов. Каталитическая стереоспецифическая полимеризация ненасыщенных простейших углеводородов и синтез всевозможных структурных разновидностей полипропилена произошли из-за смешивания металлоорганических катализаторов. Благодаря этому открытию Джулио Натта в 1963 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Таким образом был получен первый полипропилен самый легкий термопласт.

На продажу изотактический полипропилен начали производить в 1956 году на полузаводской установке итальянского нефтехимического комбината «Montekatini» в г. Ферраре, который уже на следующий год (1957 г.) смог ввести в действие большие производственные мощности. Комбинат выпускал полипропилен марки PR/56. В 1959 году фирма «Montekatini» начала производство волокон на основе полипропилена. С тех пор полипропилен стали производить еще несколько заводов -- в Порто-Торресе, Бриндизи, Терни и других городах, однако полипропиленовый завод в Ферраре и по сей день остается самым крупным.

В 1962 г. началось промышленное производство пропилена крупнейшими компаниями США, а затем и других капиталистических стран. Полипропиленовые волокна, в последующий период, выпускались под разными торговыми названиями: Найден (Япония), Ульстрен (Великобритания), Геркулон (США) и др.

В России, впервые, полипропилен стали производить в 1965 г. на нефтеперерабатывающем заводе в Москве по отечественной технологии. Вторым стал Казахстан: в 1977 году открылось полипропиленовое производство в городе Гурьеве, но уже по итальянской технологии. В 1982 г. по этой же, знаменитой итальянской, технологии открывается завод и в России, в городе Томске. В 1996 г. на Московском заводе (МНПЗ) введены в действие крупные современные мощности по производству полипропилена. В 1997 г. начался выпуск полипропилена в Уфе. В 2006 г. запущен крупнейший проект в г. Нижнекамске, а в 2007 г. - в г. Буденновске. Число отечественных производителей полипропилена невелико и качество их продукции не уступает качеству полипропилена зарубежных производителей.

За последние десятилетия сохраняется стабильный рост объемов производства полипропилена и растет число промышленных предприятий, специализирующихся на выпуске этого материала. На сегодня полипропилен по объему производства среди термопластов занимает второе место в мире, уступая только полиэтилену [5].

3. Полипропилен в общей классификации

На схеме показано место этого полимера в общей схеме классификации…



4. Технология получения

В промышленности полипропилен получают полимеризацией пропилена в растворе или массе (блоке) в присутствии комплексного катализатора AlCl₃•n TiCl₃+Al(C₂H₅)₂Cl. Иногда используют катализаторы на основе соединений ванадия.

Полимеризацию в растворе проводят по периодичной или непрерывной схеме в среде инертного растворителя (Н-гептан, низкооктановые фракции бензина) при 70-80 °С и давлении манометра 0,5-1,0 Мн/м2 (5-10 кгс/с2, что соответствует концентрации манометра ~1,5-3 моль/л). После завершения полимеризации в 1 л растворителя содержится 150-300 г полипропилена в виде мелкодисперсного порошка. Из суспензии отмывают чистым растворителем (обычно бензином) атактическую фракцию и фракцию стереоблок полимера, содержание которых обычно не превышает 3-6% (по массе). Из растворителя эти фракции выделяют на ректификационных колонках. Катализатор в аппарате отмывки дезактивируется спиртом (метиловым, этиловым или изопропиленовым). Изотактический полипропилен после отделения растворителя на центрифуге подвергается дополнительной отмывке от остатков катализатора спиртом или водными растворами комплексонов (например, типа трилона Б). Порошкообразный полипропилен сушат в кипящем слое потоком горячего инертного газа, после чего он поступает в бункер, в котором смешивается со стабилизаторами, красителями и наполнителями, а затем гранулируется. Полипропилен выпускается в виде бесцветных или окрашенных гранул.

Не менее распостранён способ полимеризации полипропилена в массе. Эту реакцию осуществляют в среде жидкого мономера или конденсированной пропан-пропиленовой смеси при 70-80 °С и давлении 2,7-3,0 Мн/м2 (27-30 кгс/см2). При полимеризации в массе концентрация мономера примерно в 3 раза выше, чем полимеризации в растворе, в результате чего значительно возрастает скорость реакции, что позволяет уменьшить концентрацию катализатора.

Рисунок 3 - полипропилен [http://www.omsb.ru/sites/all/files/u1/meshok3.jpg]

Очищают и перерабатывают полипропилен также, как и полипропилен, полученный полимеризацией в растворе. Отсутствие растворителя упрощает выделение полипропилена и его сушку [том 3].

Полимеризация полипропилена на комплексных металлорганических катализаторах происходит по анионно-координационному механизму. Координационно-ионная полимеризация - это каталитические процессы образования макромолекул, в которых стадии разрыва связи в мономере предшествует возникновение координационного комплекса между ним и катализатором. Характер и структура комплекса зависят от типа катализатора и строения мономера [том 1]. Скорость полимеризации пропиленная прямо пропорциональна концентрации мономера, количеству TiCl3 и почти не зависит от концентрации сокатализатора (алюминийорганические соединения):



(1)

где k - наблюдаемая константа скорости полимеризации пропилена, q - количество TiCl3 в г, S - удельная поверхность TiCl3 в м2/г, N0 - исходное число молей пропилена, N - число молей пропилена, вступивших в реакцию, V - объём жидкой фазы, t - время. Более точная зависимость скорости полимеризации от концентрации мономера имеет следующий вид:

2)

где n₀ - число активных центров на поверхности TiCl₃ (n₀=n_и+n_p, где n_и и n_p - число активных центров соответственно на стадии инициирования и занятых растущими цепочками), с_м, с_Al, c_x - концентрация соответственно мономера, алюминийорганического соединения и специально добавленного агента передачи цепи, k_p, k_и, и k_c - константы скорости роста цепи, инициирования, передачи цепи алюминийорганическому соединению, специально добавленному агенту передачи цепи и спонтанного обрыва цепи, соответственно [том 3].

На производстве изделия из полипропилена изготавливают с помощью горячей штамповки выдавливанием (тонкие листы, прутки, трубы и простые профили), заливки в форму под давлением, прессованием в пресс-форму и конвейерной формовки (сложные профили) и термоформовки (тонколистый материал) [болтон].

5. Применение вторичнопереработанного полипропилена

Хороший рынок существует для изделий из вторичного полипропилена, получаемых литьём под давлением или экструзией. Источником вторичных материалов являются промышленные отходы, сломанная или изношенная тара, сердцевина прядильных нитей, корпуса автомобильных аккумуляторов и бамперы [мантиа].

С восстановлением использованной упаковки дело обстоит неважно. Исследование Черчвуда [40] показало, что во всём мире делалось не мало попыток восстановления бывшего в употреблении полипропилена, но все они оказались неудачными. Препятствия состоят в следующем:

o низкая доля полипропилена в уличном мусоре (в основном это упаковка от мороженого и бутылки из-под сока);

o большое разнообразие сортов полипропилена в потоке отходов;

o отсутствие промышленных установок по автоматической сортировке полипропилена;

o высокая степень загрязнения остатками пищевых продуктов;

o деструкция полипропилена во время переработки;

o трудность смещения полимеров с предельной вязкостью (индексом расплава), включая различные сорта полипропилена и примеси полиэтилена;

o разброс состава в различных партиях сырья.

Тем не менее испытания, проведённые различными исследователями, что вторияный полипропилен подходит для широкого ряда применений, среди которых:

o изделия, которые в н.в. производятся из оригинального полипропилена, например, толстостенные цветочные горшки, тара для сбора винограда и т.д.;

o изделия, которые в н.в. производятся из вторичного полипропилена, например, пластмассовые брусья, ящики, паллеты, баки для мусора и т.п.

Исследования показали, что основные препятствия для повторной переработки имеют в настоящее время скорее экономических, чем технический характер [40].

Применение в автомобильной промышленности

Повторно переработанный полипропилен находит большое применение прежде всего в автомобильной промышленности - для изготовления бамперов, обтекателей, элементов системы кондиционирования воздуха, воздуховодов и клапанов, щитков и приборных панелей [мантиа].

В начале 1990-х гг. компания Volkswagen в Германии начала работу над проектом по разработке и вторичной переработке совместно с компанией REKO, специализирующейся на этой проблеме. Вторичный полипропилен из бамперов восстанавливался и использовался для приготовления новых [36]. Бамперы из полипропилена от автомобилей FIAT повторно перерабатываются для изготовления воздуховодов приборного щитка и корпусов для воздушных фильтров. Бамперы гранулируются и рекомпаундируются для производства вторичного полипропилена под маркой ReFax^TM. Востановленный полимер также используется для защиты колёсных арок некоторых моделей FIAT. Французский производитель машин Renault использует для своей модели Megan полипропиленовые бамперы из материала, состоящего на 100% из переработанных бамперов [16]. Австралийская компания Omni Plastics перерабатывает бамперы в полимер для напольных ковриков, используемых в автомобилях компании Toyota [м].

Другие изделия

Вторичный полипропилен используется для производства таких изделий, как ящики, тара, пластмассовые брусья и офисные принадлежности, например, скоросшиватели. В опытном производстве, в рамках совместного проекта нефтяной и полимерной отраслей промышленности Австралии, делалась попытка осуществить «почти замкнутый» цикл переработки загрязнённых ёмкостей из под нефти. Экспериментальные контейнеры, заменяющие сталь, были успешно получены литьём под давлением при содержании 25% загрязнённого нефтью материала [22].



6. Марки пластмасс на основе полипропилена

В зависимости от способа получения, назначения и свойств выпускаются различные марки полипропилена. Каждая марка имеет свой код ОКП.

В обозначении российских марок полипропилена пять цифр, содержащих определенную информацию: первая -- давление (2-низкое, 0-среднее), при котором происходил процесс синтеза; вторая вид материала (1 гомополимер, 2 блок-сополимер, 3 - стат. сополимер); три остальные десятикратное значение текучести расплава; через тире номер рецептуры стабилизации; через запятую -- число и цвет рецептуры окрашивания.

Таблица 6.1 - Марки полипропилена, согласно ГОСТ

Полипропилен низкого давления	21003, 21007, 21012, 21015, 21020, 21030, 21060, 21100, 21130, 21180, 21230
Полипропилен среднего давления	01003, 01005, 01010, 01020
Сополимер полипропилена низкого давления	22007, 22015, 22030

Но так как основная часть фирм-производителей полипропилена работает по собственному ТУ, то на полимерном рынке можно найти и другие его марки.

Таблица 6.2 - Марки полипропилена

Название	Применение
Полипропилен Бален 01003	используется для изготовления листов, фитингов, напорных труб, изделий экструзионных и контактирующих с продуктами
Полипропилен Бален 01030	используется для изготовления игрушек, изделий бытового и технического назначения, а также контактирующих с продуктами
Полипропилен Бален 01130	используется для изготовления товаров народного потребления, фильерной нити, штапельных волокон, литьевых изделий и изделий, контактирующих с продуктами
Полипропилен Бален 01250	используется для производства тонкостенных изделий при помощи скоростного литья
Полипропилен ПП 21030-16N	используется для изготовления пленки, пленочной нити, бытовых и технических изделий и изделий, контактирующих с продуктами
Полипропилен ПП 21270D	используется для изготовления нетканых материалов, бытовых и технических изделий сложного профиля
Полипропилен ПП 21007-30T	используется для листов, деталей трубопроводов, напорных трубопроводов, изделий экструзионных и контактирующих с продуктами
Полипропилен PPG 1035-08	используется для изготовления пленочных нитей и текстильных мононитей
Полипропилен PPG 1120-16	используется для изготовления товаров народного потребления, фильерной нити, штапельных волокон, литьевых изделий и изделий, контактирующих с продуктами
Полипропилен PPG 1250-20	используется для изготовления игрушек, текстурированных нитей, нетекстурированных нитей, изделий, контактирующих с продуктами, штапельных тонких волокон
Полипропилен 1500J	используется для изготовления экструзионных и литьевых изделий бытового и технического назначения, для компаундирования
Полипропилен 1365S	используется для изготовления нетканых полотен, санитарных и медицинских тканей, пеленок, обивки и покрытий для мебели
Полипропилен TPP D30S	используется для изготовления пленочных нитей; основы для ковров, мешков и шпагата; изделий, контактирующих с продуктами

Большая часть современных марок полипропилена - это изотактический полипропилен, производимый на специальных катализаторах в газофазных реакторах или растворе. Благодаря современным катализаторам выпускается до 95 % изотактического полипропилена и только 5 % атактического [http://www.camelotplast.ru/].

7. Свойства полипропилена

Физико-механические свойства

Полипропилен имеет самую меньшую из всех видов пластика плотность - 0,9 г/см³, он является достаточно твёрдым, чем объясняется его стойкость к истиранию, и имеет самое большое значение термостойкости (этот материал начинает размягчаться при температуре 140°С и плавится при 170°С), и также он практически не подвержен коррозии. Полипропилен является высокочувствительным к кислороду и свету (понижение чувствительности происходит во время введения стабилизаторов). И, как будет вести себя полипропилен во время растяжения, ещё больше зависит от температуры, а также скорости, с которой прикладывается нагрузка. Чем более низкой будет скорость растяжения данного материала, тем высшим будет показатель его механических свойств. При высоких значениях скоростей растяжение, которое разрушает напряжение во время растяжения полипропилена, является существенно более низким, чем его граница текучести во время растяжения.

В таблице 7.1 представлены физико-механические характеристики полипропилена, и в таблице 7.2 - физико-механические свойства отдельных марок полипропилена.

Таблица 7.1 - Физико-механические характеристики полипропилена.

Плотность, г/см3	0,90-0,91
Разрушающее напряжение при растяжении, кгс/см2	250-400
Относительное удлинение на разрыв, %	200-800
Модуль упругости при изгибе, кгс/см2	6700-11900
Передел текучести при растяжении, кгс/см2	250-350
Относительное удлинение при пределе текучести, %	10-20
Ударная вязкость с надрезом, кгс/см2	33-80
Твёрдость по Бринеллю, кгс/см2	6,0-6,5

Таблица 7.2 Физико-механические свойства разных марок полипропилена

Показатель/ марка	01П10/002	02П10/003	05П10/020	07П10/080	09П10/200
Насыпная плотность, кг/л, не менее	0,47	0,47	0,47	0,47	0,47
Показатель текучести расплава	~0	0,2-0,4	1,2-3,5	5-15	15-25
Относительное удлинение при разрыве, %, не менее	600	500	300	-	-
Предел текучести при разрыве, кгс/см2, не менее	260	280	260	-	-
Стойкость к растрескиванию, ч, не менее	400	400	400	-	-
Характеристическая вязкость в декалине при 135°С, 100 мл/г	-	-		1,5-2,0	0,5-15
Содержание изотактической фракции, не менее	-	-	-	93	93
Содержание атактической фракции, не более	-	-	-	1,0	1,0
Морозостойкость, °С, не выше	-5	-5	-	-	-

Химические свойства

Полипропилен является материалом, обладающим химической устойчивостью. Но он может подвергаться лишь воздействию таких сильных окислителей, как азотная и хлорсульфоновая кислоты. Другим окислителям полипропилен почти не подвергается, например, серная кислота при своей концентрации 58% и 30% перекись водорода при комнатной температуре не оказывает сильного воздействия на него. Деструкция полипропилена может произойти лишь после длительного контакта с этими веществами при температуре 60°С.

Данный материал является водостойким материалом (вплоть до температуры 130°С), а также некоторые марки могут контактировать с пищевыми продуктами, использоваться для изготовления товаров и упаковки, например лента полипропиленовая, а так же используемых в медико-биологической отрасли.

В растворителях органического типа данный материал в условиях комнатной температуры немного набухает. При температуре, превышающей 100єC, полипропилен растворяется в ароматических углеводородах, вроде толуола и бензола. Информация о стойкости данного материала к воздействию отдельных химических реагентов можно увидеть в таблице 7.2[ [http://www.alliancepack.ru/Articles/Viewer/aa66e1e7-d920-422a-8a25-80a0c1d0fa17].].



Таблица 7.2 Стойкость полипропилена к воздействию отдельных химических реагентов [сайт]

Среда	Темпера-тура, °С	Изменение массы, %	Примечание
Продолжительность выдержки образца в среде реагента 7 суток
Азотная кислота, 50%-я	70	-0,1	Образец растрескивается
Натр едкий, 40%-й	70	Незначительное
Натр едкий, 40%-й	90	Незначительное
Соляная кислота, конц.	70	+0,3
Соляная кислота, конц.	90	+0,5
Продолжительность выдержки образца в среде реагента 30 суток
Азотная кислота, 94%-я	20	-0,2	Образец хрупкий
Ацетон	20	+2,0
Бензин	20	+13,2
Бензол	20	+12,5
Едкий натр, 40%-й	20	Незначительное
Минеральное масло	20	+0,3
Оливковое масло	20	+0,1
Серная кислота, 70%-я	20	Незначительное	Слабое окрашивание
Серная кислота, 90%-я	20	>>
Соляная кислота, конц.	20	+0,2
Трансформаторное масло	20	+0,2

Теплофизические свойства

Чистый полипропилен изотактического типа начинает плавиться при температуре 176єC. Наибольшая температура использования пропилена составляет от 120 до 140єС. Все полипропиленовые изделия могут выдержать кипячения, и способны подвергаться паровой стерилизации, причем их механические свойства или форма не изменяется.

Таблица 7.3 - Теплофизические свойства полипропилена

Теплофизические свойства полипропилена
Температура плавления, °С	160-170
Теплостойкость, °С	160
Удельная теплоёмкость (от 20 до 60 °С), кал/(г•°С)	0,46
Термический коэффициент линейного расширения (от 20 до 100 °С)	1,1•10-4
Температура хрупкости, °С	От -5 до -15

Электрические свойства

Таблица 7.4 - Электрические свойства полипропилена []

Электрические свойства полипропилена
Удельное объёмное электрическое сопротивление, Ом•см	1016-1017
Диэлектрическая проницаемость при 106 Гц	2,2
Тангенс угла диэлектрических потерь при 106 Гц	2•10-4-5•10-5
Электрическая прочность(толщина образца 1мм), кВ/мм	28-40

8. Применение

Из полипропилена, благодаря его свойствам, может изготовляться самая различная продукция, такая как различная тара, контейнеры, вентиляторы, автомобильные полосовые панели, верхние части моечных машин, корпуса радиоприёмников и телевизоров, игрушки, каркасы мебели и другое [б].



Заключение

В заключении хотелось бы добавить, что в течении последних десятилетий ведущие фирмы Европы, США и Японии, производящие химическое волокно, проявляют всё больший интерес к полипропиленовому волокну, так как возможность его широкого развития производства определяется изысканием путей рационального использования для технических целей и для производства товаров народного потребления.



Список использованной литературы

1. БСЭ. -- 1969--1978

2. http://www.polymerbranch.com/catalogp/view/3.html

3 http://www.camelotplast.ru/info/history-polypropilen.php

Размещено на Allbest.ru

...