Полипропилен: характеристики и применение

Структура и свойства

Полипропилен — это термопластичный синтетический неполярный полимер, который принадлежит к классу полиолефинов. Полипропилен (ПП) [—CH₂—CH(CH₃)—]_n является продуктом полимеризации пропилена C₃H₆. Его молекулярная структура была определена итальянским химиком Дж.Натта в 1954г., который открыл таким образом важнейший класс стереорегулярных полимеров. При этом метильные боковые группы CH₃ в цепях полипропилена могут располагаться как регулярно, так и произвольно. Именно пространственное расположение боковых групп (CH₃—) по отношению к главной цепи в молекулах полипропилена имеет для свойств данного полимера решающее значение, обуславливая уникальность его химико-физических свойств.

В промышленных масштабах полипропилен получают посредством полимеризации пропилена C₃H₆ с использованием металлоценовых катализаторов или катализаторов Циглера-Натта. Необходимыми условиями для осуществления полимеризации является наличие давления не менее 10 атм. и температуры до 80°C. Метод производства полипропилена с применением катализатора Циглера-Натта был разработан в 1957 году, благодаря чему стал возможным промышленный выпуск полипропилена, состоящего главным образом из макромолекул изотактической структуры. Помимо изотактического, существуют атактический и синдиотактический полипропилены. Однако основная и наиболее важная разновидность — это полипропилен, имеющий изотактическую молекулярную структуру, который отличается высокой твердостью, прочностью, теплостойкостью и значительной степенью кристалличности.

Полипропилен, обладая повышенной стойкостью к воздействию кислот, щелочей, растворов солей и других неорганических агрессивных сред, не растворяется в органических жидкостях при комнатной температуре. При повышенной же температуре он набухает и растворяется в бензоле, четыреххлористом углероде, эфире и некоторых других растворителях. Отличаясь низкой степенью влагопоглощения, полипропилен имеет хорошие электроизоляционные свойства в достаточно широком температурном диапазоне.

Полипропилен является легким кристаллизующимся материалом, который может производиться в виде гранул, как окрашенных, так и неокрашенных. Окрашивание осуществляют с использованием органических красителей либо пигментов. Различают такие основные виды полипропилена, как гомополимер, или собственно изотактический полипропилен, сшитый полипропилен (PP—X, PP—XMOD), металлоценовый полипропилен (mPP), блок-сополимер с этиленом, или сополимер, а также статистический сополимер (random copolymer).

Очень важным преимуществом изотактического полипропилена является наличие высоких механических свойств. Гомополимер, который может быть и прозрачным, характеризуется повышенной жесткостью, но при низких температурах весьма хрупок. Поэтому в условиях низких температур предпочтительнее использовать блок-сополимер, имеющий значительно большую ударопрочность. Прозрачность материала достигается сочетанием применения специальных технологических методик (пониженная температура формы и т.д.), а также введения структурообразователя (нуклеатора). Помимо вышепоименованных полезных свойств, полипропилен отличается прекрасной износостойкостью и легко подлежит вторичной переработке.

Основным исходным материалом для производства многих видов востребованной на рынке продукции, в частности, труб, упаковки, плавательных бассейнов и т.д., является «Поливуплен» — листовой полипропилен, производимый по технологии экструзии, или выдавливания, исходным сырьём для которого служат гомогенный полипропилен (РРН) или гранулат блочного сополимера полипропилен — этилен (РРС). Выпускают полипропиленовые листы главным образом в классе сварки 003 или 006 (материал класса сварки 003 применяется чаще всего для изготовления трубопроводных систем из пластика). Листы, в свою очередь, подразделяются на 2 эксплуатационных класса в зависимости от ровности, цвета, гладкости поверхности и ряда других параметров.

Экологическая безопасность

Важнейшим преимуществом листов «поливуплен» является их безопасность для здоровья, поскольку безопасны в экологическом отношении как исходные полимеры, применяемые для их изготовления, так и вспомогательные добавки. Наглядное тому свидетельство — официальное заключение о безопасности для здоровья полипропиленовых листов, подписанное 7 октября 1998 года главным санитарным врачом Чешской республики. При этом полипропиленовые листы в полной мере отвечают всем требованиям государственных экологических стандартов РФ.

Практическое применение

Полипропиленовые листы «Поливуплен» используют, в частности, для производства резервуаров, плавательных бассейнов, отстойников хранилищ, накопителей и других герметичных емкостей. При этом, проводя монтажные работы с применением полипропиленовых листов, необходимо учитывать ряд особых свойств, отличающих их от традиционных конструкционных материалов.

Листы из полипропилена легко подвергаются таким видам механической обработки, как резка, строгание, фрезерование, или обработке на тех же или подобных станках, что используют для обработки древесины.

Соединять полипропиленовые листы между собой можно с использованием нескольких основных методов.

а) Механическое соединение с использованием болтов или заклепок. Данный метод применяется достаточно широко, однако, поскольку полипропилен является материалом, склонным к линейному расширению, такое соединение не обеспечит полной водонепроницаемости и не будет очень прочным. Главное достоинство данного метода заключается в том, что соединение является разъёмным, что в некоторых случаях совершенно необходимо.

б) Склеивание. Этот метод тоже применяют довольно часто. Тем не менее, хотя полипропилен имеет высокую химическую стойкость, будучи способным вступать во взаимодействие со многими из растворимых клеев, склеиваемые соединения прочными можно назвать тоже с весьма большой натяжкой. Использовать в процессе работы с полипропиленом метод склеивания можно, лишь предварительно посоветовавшись со специалистами в данной области.

в) Сваривание. Данный способ соединения элементов конструкций из полипропилена наиболее надёжен и выгоден в экономическом отношении. В свою очередь, на практике наиболее часто применяют три основных способа сваривания.

Самую высокую результативность даёт полифузионная сварка, когда места будущих швов соединяемых элементов сначала предварительно разогревают до определенной температуры в течение определенного же периода времени, после чего прижимают друг другу с опять таки, строго определенным усилием. Технологический процесс полифузионной сварки достаточно сложен и применяется главным образом в условиях промышленного производства, однако прочность соединительного шва, достигая 80–90% прочности самого материала, значительно выше, чем в случае сварки иными способами. Способом полифузионной сварки можно соединять полипропиленовые листы какой угодно толщины.

Несколько менее прочен, но также достаточно надёжен шов, получаемый при помощи экструзионной сварки с применением ручного экструдера. Сущность экструзионной сварки заключается в нанесении в процессе сваривания на шов дополнительного материала в виде присадочной полипропиленовой проволоки, которая предварительно расплавляется в винтовом роторе ручного экструдера. Качество же самого шва, а значит, и прочность соединения, нередко страдает из-за того, что экструдер является ручным аппаратом, а потому строго соблюдение таких технологических тонкостей, как сварка с определенной скоростью под определенным давлением невозможно. Тем не менее, метод экструзионной сварки применяется при соединении листов, имеющих значительную толщину.

Наименьшую прочность имеет сварной шов, который образуется в процессе соединения листов посредством фена — пистолета с горячим воздухом. При данном способе сваривания нагревается как добавочный материал, так и места соединения самих деталей. Конструкции современных фенов пока недостаточно совершенны, вследствие чего поддерживать заданную температуру нагреваемого воздуха крайне сложно. При этом на изменение температуры влияет скорость сварки: негативных последствий не избежать как в случае слишком медленного сваривания (материал перегревается и деградирует), так и при чересчур высокой скорости (температура нагрева недостаточна, что влияет на прочность шва). Данный способ сварки применим лишь для соединения листов, толщина которых не превышает 0,6 см.

Коэффициенты прочности получаемых швов:

Способ полифузионной сварки: быстрый шов — 0,9; медленный шов — 0,8;

Способ экструзионной сварки: быстрый шов — 0,8; медленный шов — 0,6;

Способ сварки при помощи фена: быстрый шов — 0,8; медленный шов — 0,4.

Транспортирование и хранение

Листовой полипропилен транспортируют и хранят в специальных поддонах-паллетах. Для перевозки лучше использовать грузовой автомобиль с крытым кузовом либо контейнеры. При этом паллеты с уложенными в них транспортируемыми листами должны быть тщательно закреплены. Во избежание повреждения листов прочие способы их транспортировки не рекомендуются. Складировать полипропиленовые листы необходимо на ровных поверхностях, желательно в паллетах, обязательно прокладывая каждый лист слоем упаковочного материала. При этом листы, не стабилизированные от УФ-излучения, следует хранить в помещениях, защищенных от солнечного света.

Важнейшие физико-механические характеристики

— Плотность (средняя) — 0,92 г/см³
— Сопротивляемость на изгиб — мин. 25 МРа
— Модуль упругости при растяжении — мин. 900 МРа
— Модуль упругости при изгибе — мин. 800 МРа
— Предел текучести при растяжении — мин. 21 МРа
— Удельная ударная вязкость: при 23°C — мин. 40 кДж/м²; при -30°C — мин. 5 кДж/м²