定義和特性
聚丙烯(PP)屬于熱塑性樹脂,是五大通用樹脂之一。外觀為白色粒料,無味、無毒,由于晶體結(jié)構(gòu)規(guī)整,具備易加工、抗沖擊強度、抗撓曲性以及電絕緣性好等優(yōu)點,在汽車工業(yè)、家用電器、電子、包裝及建材家具等方面具有廣泛的應(yīng)用。
PP的結(jié)構(gòu)特點決定了其五大特性:(1)它的分子結(jié)構(gòu)與聚乙烯相似,但是碳鏈上相間的碳原子帶有一個甲基(–CH3)。(2)通常為半透明無色固體,無臭無毒。(3)由于結(jié)構(gòu)規(guī)整而高度結(jié)晶化,故熔點高達167℃,耐熱且制品可用蒸汽消毒是其突出優(yōu)點。(4)密度0.90g/cm3,是最輕的通用塑料(10955, -50.00, -0.45%)。(5)耐腐蝕,抗張強度30MPa,強度、剛性和透明性都比聚乙烯好。
但是,PP的缺點是耐低溫沖擊性差,較易老化,可分別通過改性和添加抗氧劑予以克服。
近十年,我國聚丙烯消費量以年均10%的速度增長,大大超過了世界平均增長水平,是我國第二大消費合成樹脂,僅次于聚乙烯。旺盛的市場需求也催生了聚丙烯產(chǎn)能和產(chǎn)量的快速增長,在五大通用塑料中,產(chǎn)量僅次于聚乙烯和聚氯乙烯,位列第三位。
聚丙烯的分類
聚丙烯可以有多種分類,按聚丙烯分子中甲基(-CH3)的空間位置不同分為等規(guī)、間規(guī)和無規(guī)三類,按聚合工藝,等規(guī)聚丙烯的聚合可以分為泥漿法、本體法、溶液法和氣相法等幾種方法。按用途可以分為扁絲(窄帶)、纖維、薄膜、擠塑、吹塑、注塑等級別,按單體種類分為均聚聚丙烯和共聚聚丙烯。
1.按甲基位置分類
按聚丙烯分子中甲基(-CH3)的空間位置不同分為等規(guī)、間規(guī)和無規(guī)三類。
(1)等規(guī)聚丙烯(全同立構(gòu)聚丙烯),英文縮寫為IPP。
從立體化學(xué)來看,IPP分子中每個含甲基(-CH3)的碳原子都有相同的構(gòu)型,即如果把主鏈拉伸(實際呈線團狀),使主鏈的碳原子排列在主平面內(nèi),則所有的甲基(-CH3)都排列在主平面的同一側(cè)。我國各石化企業(yè)生產(chǎn)的均聚聚丙烯都屬于等規(guī)聚丙烯,基本性能如前所述,典型產(chǎn)品如獨山子石化的S1003,揚子石化的F401,齊魯石化的T30S等。
(2)間規(guī)聚丙烯,英文縮寫為SPP。
從立體化學(xué)來看,SPP分子中含有甲基(-CH3)的碳原子分為兩種不同構(gòu)型且交替排列,如把主鏈拉伸,使主鏈的碳原子排列在主平面內(nèi),則所有的甲基(-CH3)交替排列在主平面的兩側(cè)。SPP是高彈性的熱塑性塑料,有良好的拉伸強度,它可以像乙丙橡膠(15480, -185.00, -1.18%)那樣進行硫化成為彈性體,機械性能優(yōu)于一般不飽和橡膠?!?/p>
(3)無規(guī)聚丙烯,英文縮寫為APP
從立體化學(xué)來看,APP主鏈上所連甲基(-CH3)在主平面上下兩方呈無規(guī)則排列。APP曾是碳酸鈣填充母料的載體樹脂的主要原料,其原因是它作為IPP生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物,作為技術(shù)輸出的外國公司認(rèn)為它沒有應(yīng)用價值,只有焚燒處之,是我國的科技人員將其用于制作碳酸鈣填充母料,在八十年代初期,APP母料曾紅極一時,為當(dāng)時合成樹脂原料奇缺的塑料工業(yè)帶來巨大經(jīng)濟效益。后來北京燕山石化技術(shù)改造,改變了聚丙烯生產(chǎn)工藝,副產(chǎn)物APP的來源枯竭,碳酸鈣填充母料用的載體樹脂轉(zhuǎn)向其它高分子材料,但APP作為一種聚合物,仍然有其自己的獨特之處,至今仍有一些進口的APP在許多領(lǐng)域使用,這些APP已不再是IPP生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物,而是特殊工藝制造出的真正意義上的無規(guī)聚丙烯。純APP為典型的非晶態(tài)高分子材料,內(nèi)聚力較小,玻璃(1302, 18.00, 1.40%)化溫度低,常溫下呈橡膠狀態(tài),而高于50℃時即可緩慢流動。
2.按聚合工藝分類
按聚合工藝,等規(guī)聚丙烯的聚合可以分為泥漿法、本體法、溶液法和氣相法等幾種方法。
目前氣相法由于聚合物以固態(tài)粒子形式存在,沒有溶劑參與,也不必脫出催化劑殘渣,故以占據(jù)主導(dǎo)地位。
具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的液相本體法聚合而成的聚丙烯產(chǎn)品為粉狀,俗稱小本體聚丙烯或稱粉狀聚丙烯,它是以煉油廠尾氣中提取的丙烯為原料聚合而成的。目前全國共有六十多套小本體裝置,年產(chǎn)量少則幾千噸,多則幾萬噸。由于直接以粉狀產(chǎn)品出售,沒有加入抗氧劑等助劑,故存放時間受到限制。我國已制定該種聚丙烯樹脂的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SHC001-1999粉狀聚丙烯的分子量分布往往比較寬,由于是一釜一釜間歇操作,樹脂的性能相互之間差別較大,因此在使用時往往僅作為部分基體樹脂使用以求降低成本,或者經(jīng)過改性再加以使用。
3.按用途分類
按用途可以分為扁絲(窄帶)、纖維、薄膜、擠塑、吹塑、注塑等級別。
4.按單體種類分類
按單體種類分為均聚聚丙烯和共聚聚丙烯,均聚聚丙烯是指在聚丙烯主鏈上只有一種鏈節(jié),而共聚聚丙烯在主鏈上除丙烯鏈節(jié)外還分布著其它單體反應(yīng)后形成的鏈節(jié)。共聚聚丙烯在很大程度上可以改變聚丙烯的性能。
丙烯和乙烯共聚的聚丙烯又可分為嵌段共聚和無規(guī)共聚兩種,其英文縮寫分別為PP-B和PP-R。
PP-B是在單一的丙烯聚合后除去未反應(yīng)的丙烯,再與乙烯聚合而得到的,實際上是由聚丙烯、聚乙烯和末端嵌段共聚物組成的混合物,它既保持了一定程度的剛性,又提高了聚丙烯的抗沖擊性能,特別是低溫抗沖擊性能,但透明度和光澤度下降明顯。
PP-R的是將丙烯及乙烯單體混合在一起聚合,在聚合物主鏈上無規(guī)則地分布著丙烯單體或乙烯單體反應(yīng)后的鏈段。乙烯鏈段的存在使共聚物無法結(jié)晶,即使乙烯含量很少,也會使聚丙烯的結(jié)晶能力大大降低。例如含3%乙烯時,聚丙烯的玻璃化溫度下降11℃,如果用此種聚丙烯為原料制成薄膜,其使用最低溫度可降低10℃左右。
PP-R的特征是結(jié)晶度低、透明性好,較之均聚聚丙烯(PP-H),在同樣的熔體流動速率情況下,PP-R的脆化溫度顯著降低,沖擊強度也有所提高。近年來無規(guī)共聚聚丙烯PP-R在熱水給水管道上的應(yīng)用得到認(rèn)可,并得以大規(guī)模推廣應(yīng)用。用PP-R制成的管材料輸送70℃的熱水,長期內(nèi)壓達到1MPa時,使用壽命可達到50年。同時由于材料的導(dǎo)熱系數(shù)僅為合金鋼管二百分之一,故在輸送熱水時,保溫性能極佳,用于熱水及采暖系統(tǒng)可顯著節(jié)能。PP-R管材專用料的著名生產(chǎn)廠商有北歐化工(BOREALIS)、德國赫斯特公司(HOECHST)、奧地利石油公司(PCD)等。
聚丙烯的應(yīng)用
(1)編織制品
編織制品(塑編袋、蓬布和繩索等)所消耗的PP樹脂在我國一直占很高的比例,是我國聚丙烯消費的市場,主要用于糧食、化肥及水泥等的包裝。我國是現(xiàn)今世界上的塑編制品生產(chǎn)國和消費國,更是世界上最具潛力的塑編生產(chǎn)市場和消費市場。歐美等國家作為發(fā)達地區(qū),過高的勞動力成本和高端市場會令其更傾向于注塑、片材等高端消費領(lǐng)域,而低端塑編等產(chǎn)品則多從發(fā)展中國家進口。雖然近幾年塑編占比稍有下降,但依然是我國聚丙烯行業(yè)最主要的消費產(chǎn)品,2011年占聚丙烯消費的42%。
(2)注塑成型制品
注塑制品主要應(yīng)用在小家電、日用品、玩具、洗衣機、汽車和周轉(zhuǎn)箱上。國內(nèi)注塑級聚丙烯依靠進口比例較大,近幾年注塑領(lǐng)域消費占比上升較快,由2006年的17%上升到2011年的22%,僅次于塑編排名第二。注塑領(lǐng)域國產(chǎn)產(chǎn)品缺口大,在世界聚丙烯消費結(jié)構(gòu)中,注塑產(chǎn)品占主要份額,特別是工業(yè)發(fā)達的國家和地區(qū),應(yīng)用聚丙烯注塑產(chǎn)品比例更高。因此,我國注塑領(lǐng)域增長潛力巨大。
(3)薄膜制品
聚丙烯薄膜主要包括BOPP、CPP、普通包裝薄膜和微孔膜等, BOPP具有質(zhì)輕、機械強度高、無毒、透明、防潮等眾多優(yōu)良特性,廣泛應(yīng)用于包裝、電工、電子電器、膠帶、標(biāo)簽?zāi)?、膠卷、復(fù)合等眾多領(lǐng)域,其中以包裝工業(yè)使用量。而不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)郾┍∧OPP的技術(shù)要求有較大差別,其中以薄膜電容器應(yīng)用領(lǐng)域要求最高。由于加工技術(shù)要求較低,利潤相對較大,前幾年出現(xiàn)了投資過熱現(xiàn)象。國內(nèi)生產(chǎn)的BOPP薄膜大部分使用通用原料,薄膜特性受到限制,從而削弱了其對普通CPP膜的競爭優(yōu)勢,這種發(fā)展趨勢表現(xiàn)得最為強烈。
(4)纖維制品
聚丙烯纖維(即丙綸)是指以聚丙烯為原料通過熔融紡絲制成的一種纖維制品。由于聚丙烯纖維有著許多優(yōu)良性能,因而在裝飾、產(chǎn)業(yè)、服裝三大領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛,已成為合成纖維第二大品種。聚丙烯纖維分為短纖、長絲、無紡布(紡粘和熔噴)、煙用絲束、膨體連續(xù)長絲(BCF)等,應(yīng)用領(lǐng)域包括包裝、香煙濾材、土工、建材、服裝、地毯、衛(wèi)生制品等,2011年聚丙烯纖維消耗PP約為107萬噸。
(5)管材
聚丙烯管材具有耐高溫、管道連接方便(熱熔接、電熔接、管件連接)、可回收使用等特點,主要應(yīng)用于建筑物給水系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、農(nóng)田輸水系統(tǒng)、以及化工管道系統(tǒng)等。