книги из ГПНТБ / Иванюков Д.В. Полипропилен (свойства и применение)

В Англии, как и во всех высокоразвитых странах, в 60-х годах наметилась тенденция к использованию полипропилена для получения ответственных дета­ лей технического назначения. Структура потребления полипропилена в Англии иллюстрируется следующими данными [14J (в %):

щих западноевропейских фирм и мощностях, вводимых в строй к 1974 г. Из дан­ ных, приведенных в этой таблице, и из других литературных источников сле­ дует, что производство ПП в капиталистических странах Западной Европы, составляющее в настоящее время около 275 тыс. т, в ближайшее время утроится

идостигнет 800—850 тыс. т/год.

Та б л и ц а 1.1. Производство полипропилена ведущими фирмами капиталистических стран Западной Европы

США. На долю этой страны в 1967 г. приходилось около половины миро­ вого выпуска полипропилена, в 1969—42%, а к 1975—1976 гг. вклад США в мировое производство ПП, вероятно, понизится до 30—33% и составит около 1 млн. т. Основные направления в потреблении и рост объема производства полипропилена в США можно проследить по данным, приведенным ниже [2, 7, 10, 15—17]:

10

* Прогнозируемые цифры.

Промышленное производство полипропилена в Японии было начат« в 1962 г. и с тех пор стремительно расширялось. За десятилетие 1963—1972 гг. выпуск полипропилена в Японии возрос более чем в 27 раз, практически удваиваясь каждые 3—4 года [16, 18—24]. В ближайшие годы полипропилен по объему производства превзойдет полистирол и займет третье место в ряду промышлен­ ных пластмасс.

В последние годы значительно возрос экспорт полипропилена из Японии (в 1967 г. — 4,6 тыс. т; в 1968 г. — около 16 тыс. т и в 1969 г. — уже более 50 тыс. т), причем в число заказчиков попали и те фирмы Италии и США, по чьей технологии было освоено получение первого полипропилена в Японии.

580 тыс. т. Предполагается [23], что уже в ближайшем будущем в Японии будет

в США, Англии и Италии, где основное количество полипропилена до недавнего времени перерабатывалось методом литья под давлением (см., например, данные на стр. 9). В Японии уже в 1963—1965 гг. 45—50% полипропилена перераба­ тывалось в волокна, 20—25% — в пленки и листы. Литьем под давлением в Японии в эти же годы перерабатывалось около 28% полипропилена (в Англии— 60%, Италии — 47%); наибольший среднегодовой прирост (около 47%) прихо­ дится на переработку полипропилена методом экструзии.

12

Приведенные данные о мировом производстве и потреблении полипропилена убедительно свидетельствуют о том, что полипропилену принадлежит большое будущее. В дальнейшем предусматривается развитие мощностей по производ­ ству и переработке не только полипропилена, но и сополимеров и различных композиций на его основе.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗДЕЛИИ ИЗ ПОЛИПРОПИЛЕНА

Расширение применения полипропилена, сополимеров и композиций на его основе обусловлено высокой химической стойкостью этих материалов в большинстве агрессивных сред (сведения по стойкости полипропилена к воздействию различных химических реагентов приведены в Приложении I) и высокой механической прочностью при повышенных температурах. Диапазон рабочих температур изделий из полипропилена очень широк: от —80 °С для ориентиро­ ванных пленок до 140—150 °С для изделий из полипропилена спе­ циальных марок. Благодаря низкой плотности полипропилена (0,9— 0,91 Мг/м3) из 1 кг его можно изготовить больше изделий заданных размеров, чем из 1 кг других термопластов, что существенно с точки зрения стоимости; во многих областях применения это имеет реша­ ющее значение.

О применении полипропилена [2, 3] можно было бы писать очен много. Здесь описываются лишь важнейшие направления использо­ вания изделий из полипропилена.

Стоимость изделий из пластмасс определяется ценой исходного материала, стоимостью его переработки и толщиной стенок изделия, зависящей от прочности материала. Уже в начале 60-х годов себе­ стоимость изделий из полипропилена достигла уровня себестоимости изделий из полиэтилена низкого давления и ударопрочного поли­ стирола и стала намного ниже себестоимости изделий из термо­ реактивных, в частности карбамидоформальдегидных смол, стоимость исходных материалов для которых значительно меньше [25].

Внастоящее время во всех странах полипропилен применяется

восновном в химической, автомобильной, электротехнической, медицинской, пищевой отраслях промышленности и в сельском хозяйстве.

Вавтомобильной промышленности полипропилен используют благодаря его низким плотности и теплостойкости. Из него

13

изготавливают педали систем управления, пропеллеры вентилято­ ров, ящики, фирменные знаки, внутреннюю облицовку дверей сало­ на, гибкие трубопроводы, сопла подали горячего воздуха, корпуса фильтров, панели и щитки электроприборов, лицевые панели дина­ миков радиоприемников, корпуса высоковольтных катушек, все­ возможные клеммы и штекеры, обивочные ткани, коврики, обли­ цовку крыльев, щитки, детали кондиционеров. Промышленные испытания проходят корпуса аккумуляторных батарей для авто­

из полипропилена с металлическим покрытием, нанесенным гальва­ ническим способом или вакуумной металлизацией [29]. Только в США потребление полипропилена в производстве легковых авто­ мобилей составило в 1970 г. около 50 тыс. т и по некоторым про­ гнозам [13а, 24], возрастет к 1975 г. до 136 тыс. т.

Химическая промышленность и смежные с ней отрасли являются основными потребителями полипропиленовых труб, листов и толстых пленок. Во многих случаях полипропилен в силу высоких механи­ ческой прочности и химической стойкости может с большим экономическим эффектом заменять нержавеющие стали. Футеровка аппаратуры, трубопроводы и арматура для кислых и щелочных сред, вытяжных газоходов для горючих и корродирующих газов, вентили, насосы, бачки, поддоны, химическая посуда, узлы и детали фильтров и очистных сооружений, загрузочные воронки, циклоны, понтонные покрывала для защиты зеркала испарения химических резервуаров, плиты и рамы фильтрпрессов, матрицы и прокладки для форм при изготовлении асбоцементных элементов — вот далеко не полный перечень изделий из полипропилена, успешно использу­ емых в этой важнейшей отрасли [30—36].

V Водостойкие герметики, сохраняющие хорошие свойства при низкой температуре, и термопластичные клеи, пригодные для скле­

изготавливаются в основном на основе атактического полипро­ пилена.

В электро- и радиотехнической промышленности, а также в об­ ласти электробытовых приборов полипропилен вытесняет металлы, используемые для изготовления деталей стиральных и посудомоеч­ ных машин, холодильников, корпусов кондиционеров, вентиляторов, пылесосов, полотеров, кофемолок, фенов, смесителей, корпусов

ирукояток ручного электроинструмента. Низкая плотность, по­ верхностный глянец, хорошие акустические свойства и высокая ударная прочность делают наполненные и огнестойкие композиции на основе полипропилена пригодными для изготовления корпусов

ипанелей радио- и телеаппаратуры, магнитофонов, конденсаторов, индукционных катушек, портативных приборов и радарных установок [7, 24, 28, 40, 41].

Впищевой и медицинской промышленности также используется

14

широкий ассортимент изделий, изготовленных из полипропилена: ванны для обработки цитрусов и производства мармелада, емкости для варки рыбы, емкости для обработки и упаковки вареной ветчины, ящики для упаковки соли, всевозможные пленки и др. Миланской фирмой «Star SpA» (Италия) разработаны [42] даже консервные банки из полипропилена. Все шире применяются без­ усадочные и самоусаживающиеся, водонепроницаемые и паропрони­ цаемые полипропиленовые пленки.

В медицинской промышленности применяют изготовленные из полипропилена лабораторную посуду и приборы, инъекционные шприцы, хирургические принадлежности, упаковку бинтов и инди­ видуальных аптечек, детали сложных аппаратов (таких, как «искус­ ственная почка») и другие изделия. Большой интерес представляют

иосновы, в качестве которой с целью повышения влагостойкости

инесминаемости используется марля, дублированная полипропи­ леновой пленкой [43].

Изделия из полипропилена можно стерилизовать при высокой

температуре. Это обеспечивает возможность специальной обработки продукта и многократное использование тары.

Значительный экономический эффект дает применение различ­ ных изделий из полипропилена в сельском хозяйстве и сельско­ хозяйственной промышленности. В качестве примеров достаточно упомянуть ящики для сбора и хранения фруктов и овощей, жесткие трубопроводы оросительных систем, конструктивные элементы бата­ рей птицефабрик, детали доильных аппаратов и молочных сепарато­ ров, шпагаты для перевязки кип сена, ленточки для подвязки вино­ градных лоз.

В настоящее время в сельском хозяйстве широко внедряются безузловая сетка, получаемая экструзией гранулированного поли­ пропилена, а также армированная пленка, служащая благодаря

Благодаря высокой эластичности, хорошей окрашиваемости, глянцевитой поверхности, высокой теплостойкости и химической стойкости полипропилен применяют в легкой промышленности для изготовления различных изделий. Из полипропилена делают ван­ ночки, вазы, тарелки, цветочницы, стаканы, блюдца, щетки авто­ мобилей для подметания улиц, коробочки для парфюмерии, все­ возможные игрушки, малогабаритную мебель, каблуки для дамской обуви. Абажуры и плафоны из полипропилена, более теплостойкие, чем из поливинилхлорида и полиэтилена, могут применяться для бытовых светильников повышенной мощности. Полипропилен ис­ пользуют для изготовления петель различных дверок, крышек и т. п. Шарниром в петле служит место утонченного сечения, которое

15

выдерживает до 3 млн. перегибов без разрушения в диапазоне тем­ ператур от —20 до +90 °С.

В настоящее время осваиваются большие мощности по произ­ водству ковровых изделий, основа и покровный слой (ворс) которых изготовлены из полипропилена. Иглопробивные и тафтянговые полипропиленовые ковры красивы, обладают повышенной стой­ костью к истиранию и более дешевы, чем ковры из традиционных материалов. Их можно мыть горячей водой и различными дезинфи­ цирующими средствами, что особенно важно для эксплуатации в условиях общественных, детских и медицинских учреждений. Ковры с нижним слоем, например, из наполненного атактического полипропилена можно приклеивать непосредственно к полу (без арголитового или рубероидного подслоя).

Легкой промышленностью освоено производство одежды из поли­ пропиленового волокна и пряжи, а также сумок, чемоданов, папок, обивочных материалов и других изделий широкого потребления с использованием полипропиленовых тканей.

Даже такой короткий и далеко не полный перечень изделий из полипропилена свидетельствует о многообразных возможностях при­ менения этого полимера. Отличия в свойствах отдельных марок полипропилена и композиций на его основе очень велики, поэтому его можно применять для самых различных целей. Число новых композиций, сортов и модификаций полипропилена непрерывно увеличивается. Это связано с развитием исследований в области физико-химии и технологии переработки полипропилена, в резуль­ тате которых открываются широкие возможности для направленного изменения его свойств.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИПРОПИЛЕНА

Из данных о потреблении полипропилена в наиболее развитых странах, приведенных в предыдущем разделе, видно, что все большие количества гранулированного материала перерабатываются в листы, трубы, пленки, волокна и литьевые изделия. Это объясняется тем, что по комплексу свойств полипропилен среди термопластов является одним из наиболее подходящих для изготовления ответственных изделий технического назначения. Ниже приводятся основные изде­ лия из полипропилена и дается их краткая характеристика.

Полипропиленовые листы и плиты выпускаются толщиной от 0,5

до 10 мм и более при ширине до 2200 мм. Благодаря зеркальной поверхности и разнообразию цветов их используют как высококачест­ венный декоративный материал при изготовлении торгового оборудо­ вания, а также в строительстве для отделки стен производственных помещений, где по условиям технологического процесса требуется особая чистота.

На поверхность листов можно наносить декоративный орнамент тиснением поверхности при калибровании листовой заготовки вал­ ками приемного устройства экструзионной линии. Для этой цели на

16

поверхности одного из валков приемного устройства выгравировывается орнамент, соответствующий требуемому рисунку тиснения. В Советском Союзе разработана новая технология тиснения термопла­ стичных материалов, освоенная в промышленных масштабах в произ­ водстве декоративного полипропиленового листа [44, 45]. По этой технологии в качестве тиснильного элемента применяется бесконечная лента из стеклоткани, пропитанной антиадгезионным составом, на­ пример кремнийорганическими смолами.

Листы из полипропилена служат также полуфабрикатом при изготовлении изделий методом вакуумного или пневматического формования корпусов электроприборов, деталей сантехнического оборудования и т. д.

Основное применение листовых материалов из полипропилена — это облицовка химической и электротехнической аппаратуры. Для этих целей лист получают высокопроизводительным методом экструзии [46, 47]. Полипропилен стал четвертым (после свинца, резины и поливинилхлорида) важнейшим материалом, применяемым для футеровки [48]. Немалое значение при этом имело успешное решение проблемы конструктивного крепления листового материала

к металлическим стенкам аппаратуры. Дело в том, что полипропилен

всвязи с неполярностью макромолекул проявляет чрезвычайно низкую адгезию к металлам. Попытки изготовления слоистых стеклопластиков на основе полипропилена натолкнулись на

трудности, связанные с недостаточной адгезией полипропилена

кстеклу.

В1963 г. фирма «Heil» (США) разработала технологию прямой запрессовки стеклоткани в полипропиленовый лист в горячем состо­ янии [49]. Готовый слоистый пластик прикрепляют к стенкам аппа­ ратуры с помощью эпоксидного клея, а швы сваривают. Однако ввиду относительно низкой производительности процесса прессова­ ния этот метод не нашел широкого распространения.

Вработе установок, подверженных температурным колебаниям, возникают трудности, связанные с тем, что тепловое расширение пластмасс значительно больше, чем стали. Это приводит к вспучи­ ванию и даже разрывам футеровки после нескольких температурных циклов. В этих условиях следует использовать комбинированные покрытия, состоящие из полипропилена и полиизобутилена; по­ следний компенсирует различие деформаций между металлом и поли­ пропиленом, одновременно обеспечивая лучшую связь между ними. Комбинированные защитные материалы на основе листового поли­ пропилена, представляющие собой многослойные системы, в насто­ ящее время производят методом дублирования в процессе экстру­ зии [50, 51]. Тип подложки может быть различным в зависимости от назначения защитного покрытия. Чаще всего применяются [52] стеклоткань ТЖС-7, стеклорогожа М-40, бязь, мешковина, миткаль, байка, полиизобутилен ПСГ-200 и синтетические каучуки (бутил-

каучук, бутадиен-стирольный СКС-30 и бутадиен-акрилонитриль-

і ЧИТАЛЫ-ЮГ С. Cv - -

В конце 60-х годов в ряде стран, в том числе и в СССР, был раз­ работан слоистый материал, сочетающий в себе химическую стой­ кость листового полипропилена и прочность стеклопластика на основе полиэфирных смол. Этот листовой материал выдерживает длительное воздействие температур от —20 до +110 °С и кратко­ временное — до 170 °С и обладает повышенной химической стой­ костью [33] к концентрированной фосфорной кислоте, этанолу, 40%-ной серной кислоте при температуре до 100 °С и концентриро­ ванной муравьиной кислоте при 60 °С. Только в Японии в 1971 г. было произведено 10 тыс. т этого материала, а в 1975 г. его произ­ водство возрастет [53] до 35 тыс. т. В США эти цифры составляют [54] соответственно 70 и 125 тыс. т.

Стеклопластики на основе полипропилена, имеющие товарные названия «стеклополипро» (СССР), «FBTP» (Япония) и «Celmar» (США), изготавливают, соединяя на каландре горячий полипропи­ леновый лист, экструдируемый непрерывно, со стеклотканью, уточ­ ная или основная нить которой представляет собой полипропилено­ вое пленочное волокно или кордную нить. «Celmar» с помощью термореактивных смол прекрасно приклеивается к металлам. Из него изготавливают [55] емкости цилиндрической (при толщине листа 2 мм) и прямоугольной (при толщине 3,2 мм) формы. При разделке кромок под углом 60—90° и температуре сварки 230— 250 °С прочность сварного шва составляет 85—95% прочности основ­ ного материала. Отечественной промышленностью выпускается ли­ стовой «стеклополипро» шириной до 2000 мм с использованием стеклоткани толщиной 0,6 мм (около 1680 текс), основа которой представляет собой полипропиленовую кордную нить с метрическим номером 2 и плотностью полотняного переплетения 30±2 на 10 см.

Листовой полипропилен применяется не только в качестве футе­ ровки, защитных вкладышей и для покрытия химической аппара­ туры, но и как конструкционный материал при изготовлении крупно­ габаритных емкостей [32]. Листы, полученные из атактического полипропилена (с молекулярным весом около 10 000), содержащего каолин, волокнистые наполнители (например, асбест), перекиси и серу, имеют предел прочности при растяжении около 8 МН/м2, твердость по Шору — 99—100 ед. и применяются для изготовления высококачественных плиток для полов [56].

Полипропиленовые трубы целесообразно применять для транс­ портирования различных агрессивных сред, имеющих температуру до +100 °С, т. е. в условиях, при которых трубы из других термо­

іівые трубы для горячего и холодного водоснабжения, для перекачки растворов кислот, щелочей, а также суспензий абразивных ве­ ществ [57, 58]. В химической промышленности и в полиграфии непластифицированный поливинилхлорид и сополимеры стирола постепенно вытесняются полипропиленом благодаря его лучшим свойствам и более низкой стоимости (в расчете на один метр). Однако

18

большую часть термопластичных трубопроводов в настоящее время изготавливают все же из полиэтилена. Эти трубопроводы применяют для ирригации и поливки полей, в качестве колодезных труб и для других аналогичных целей, когда химическая стойкость материала не играет решающей роли. Преимущество полиэтиленовых труб состоит в том, что их можно свертывать в бухты, что позволяет транс­ портировать трубопроводы большой протяженности, устанавливая их с минимальным числом соединительных узлов (муфт, фланцев). Полипропиленовый трубопровод в этом отношении менее удобен вследствие большей жесткости, которая не позволяет его свертывать (кроме труб малых диаметров, практически не более 32 мм). Однако большим достоинством полипропиленовых труб (наряду с тем, что они не корродируют, и это существенно упрощает их эксплуата­ цию по сравнению с металлическими трубами) является то, что они совершенно не растрескиваются в напряженном состоянии в при­ сутствии агрессивных сред в отличие от полиэтиленовых труб. Для соединения полипропиленовых труб применяют относительно деше­ вые и вполне надежные методы сварки.

Антикоррозионные полипропиленовые трубопроводы широко используются в промышленности и в сельском хозяйстве, и при­ менение их непрерывно растет [32, 59]. В Финляндии, например, используют полипропиленовые водопроводы длиной до 1150 м для транспортировки кислых сточных вод на предприятиях химической промышленности, причем трубы прокладываются в грунте, местами на глубине до 5 м [60]. В последнее время трубы из полипропилена стали использовать на молочных заводах и на других предприятиях пищевой промышленности.

В Чехословакии разработана технология соединения полипропи­ леновых листов длиной до 2 м и трубопроводов любого диаметра классическим способом — «встык». Трубопроводы размером 750 X X 4 и длиной 1500 мм изготавливают из листового изотактического полипропилена типа даплен АД-50, соединяя затем такие секции поперечными швами встык до получения отрезков труб длиной 4,5 м. Из отдельных частей с помощью сварки по той же технологии соби­ рают трубопроводы длиной до нескольких десятков метров. Такие трубопроводы производятся в серийном масштабе до диаметра 1000 мм (рис. 1.1). Их рекомендуется применять для транспортировки сильноагрессивных жидких и газообразных отходов [61].

В Советском Союзе впервые разработана новая перспективная технология производства труб [62]. Исходным материалом для производства полипропиленовых труб по этой технологии является двухосноориентированная пленка толщиной 10—50 мкм. Пленку наматывают слоями на металлическую оправку, которую затем помещают в печь туннельного типа. При выдержке заготовки в термо­ камере при температуре, несколько меньшей температуры ориента­ ции (130—145 °С), ориентированная пленка претерпевает усадку, в результате чего отдельные пленочные слои плотно прижимаются друг к другу, образуя «монолитную» стенку изделия. После