Производство полимеров: процессы и технологии

Полимеры представляют собой химические соединения высокой молекулярности, мономеры которых соединены валентными связями. Впервые изучение полимеров и определение «полимерия» упоминаются в 1833 году в работах И. Берцелиуса. Полимерные химические составы начали широко рассматриваться учеными после введения в научный свет теории о химическом строении веществ А. М. Бутлерова.

Абсолютно все виды полимеров разделены на системные группы, соответствующие своим определенным характеристикам и возникновению. Если в составе одной цепи есть атомы разного полимерного происхождения, то такие соединения называют гетероцепными. К ним можно отнести углеродные, фосфорные, азотные и кремниевые разряды атомов. Гомоцепные полимеры характеризуются строением атомов из чистого углеродного состава.

Широко известными гетероцепными полимерами являются полиэтилентерефталаты, полиамидные материалы и белки. Часто встречающиеся гомоцепные полимеры - это полиэтилен и полиметилметакрилат. Полимерные вещества, состоящие из углеводородной группы и неорганических элементов, носят название элементорганические.

Синтетические полимеры производятся только с помощью человеческого вмешательства. Уже по названию «синтетический», становится понятно, какой именно мономер природного возникновения находится в составе. Далее полимерная химия была сориентирована на выведении искусственного каучука.

Основные методы производства полимеров

Процесс полимеризационной выработки синтетического полимера происходит методом многоразового и поочередного подсоединения мономерных составляющих к постоянно нарастающей центральной части полимерного вещества. В свою очередь процессы полимеризации делят на два вида: радикального и ионного.

Радикальная полимеризация

Радикальный тип инспирируется свободными радикалами. Все процессы происходят за несколько этапов. В первую очередь организовываются активные центры полимеризационных процессов. Данный этап называется инициирование (возникает вследствие различных воздействий: химических, радиоактивных, тепловых и т. п).

Далее наблюдается рост цепочки из-за прикрепления новых звеньев мономера к растущему центру. Так образуются новые радикалы. На третьем этапе происходит передача цепочки. Активный центр переходит на другую молекулу, образуя еще несколько активных центров с разветвлением цепи. На конечном четвертом этапе происходит разрыв цепи и гибель активных центров.

Данная стадия может осуществиться лишь в условиях, когда малоактивные радикалы не способны инспирироваться. Радикалы такого типа относят к ингибирующим веществам. Рост и молекулярная масса макромолекулы зависит от роли ингибиторов, инициаторов и иных элементов.

Ионная полимеризация

В указанном случае функцию активных центров выполняют анионы и катионы. Зависимо, какой именно элемент брал участие, определится и название процесса: анионный или катионный. Ионная полимеризация подразделяется на катионную и анионную, в зависимости от типа используемого инициирующего иона. Она часто применяется для производства эластомеров, таких как полиизобутилен, и специальных полимеров с высокой молекулярной массой.

Полимеризация в массе и суспензионная полимеризация

Полимеризация в массе подразумевает использование жидкого неразбавленного мономера. При суспензионной полимеризации мономер пребывает в жидкостях разного состава в виде капель.

Поликонденсация

Поликонденсация - это изготовление полимеров из многочисленных функциональных соединений. От таких материалов может испаряться побочная продукция в виде спирта, воды и т. д. Поликонденсацию разделяют на: линейную и трехмерную. В первом варианте выступает один мономер, имеющий две функциональные категории и аналогичное число мономеров с разными функциональными группами. Трехмерный тип включает мономеры, состоящие более чем с двух функционирующих групп у которых формируются сшитые трехмерные полимеры.

Цепная полимеризация

Цепная полимеризация - это процесс, при котором мономеры последовательно присоединяются к активному центру растущей цепи, образуя длинные полимерные молекулы. Этот метод включает радикальную, ионную и координационно-цепную полимеризацию. Основное преимущество цепной полимеризации заключается в возможности получения полимеров с высокой молекулярной массой без выделения побочных продуктов.

Сырье для производства полимеров

Основными источниками сырья для производства большинства синтетических полимеров служат продукты переработки нефти и природного газа. В последнее время набирает популярность производство биополимеров из возобновляемых источников - кукурузы, сахарного тростника, целлюлозы.

Основные этапы производства пластмасс

Изготовление пластмасс на промышленных предприятиях состоит из трех основных этапов: подготовки сырья, полимеризации и производства пластика.

1. Добыча и переработка сырья: Пластмассы в основном можно разделить на две категории: синтетические и биопластики. Синтетические пластмассы производятся из угля, неочищенной нефти или природного газа, а биопластики - из возобновляемых ресурсов, таких как крахмал, углеводы, овощи, жиры и масла, кукуруза и т.д. Сырье необходимо предварительно очистить от загрязнений на нефтеперерабатывающих заводах.
2. Полимеризация: Это процесс, в ходе которого большое количество молекул мономеров, таких как этилен, пропилен и бутилен, химически соединяются и образуют полимер. Существует два типа процессов полимеризации: аддитивная и конденсационная полимеризация.
3. Смешивание и переработка: Смешивание - это процесс, нацеленный на получение определенных типов пластмасс с требуемыми характеристиками. Далее наступает этап переработки полимеров, который обычно определяется как "действия, выполняемые с полимерными материалами для повышения их полезности".

Методы переработки полимеров

Производство синтетических пластмасс представляет собой переработку, которая может выполняться различными способами. Рассмотрим основные из них:

Экструзия

Экструзия полимеров - процесс изготовления из термопластов формовочных изделий. Производство происходит путем прохождения расплава под давлением через формовочную головку экструдера. Профиль формовочной головки определяет геометрические размеры изделия.

Экструдером называют установку для производства формовочных изделий. Экструдер условно разделяют на три части: зона загрузки, зона расплава и давления. В зону загрузки попадает сырье для будущей продукции и с помощью шнека доставляется в зону расплава. В зоне расплава полимерное сырье нагревается за счет уплотнения, деформаций и нагревательных элементов.

Самая популярная продукция, получаемая таким способом - пленка, поэтому экструдер для производства полиэтиленовой пленки очень востребованная машина. Для получения пленки применяются два метода: раздув рукава и щелевая экструзия. При использовании раздува рукава полимерный расплав подается через кольцевую щель, в центре кольца подается воздух под давлением.

Экструзия полимеров так же применяется при изготовлении ПВХ труб, сайдинга, листов пластмассы. С повышением спроса на продукцию из полимеров дает ощутимы толчок развитию экструзионному производству. Пластмассовые изделия широко применяются в быту и практически во всех отраслях промышленности.

Экструзия полимеров: процесс и оборудование

Литье под давлением

Литье под давлением. Процедура выполняется на термопластавтоматах. Данный класс оборудования представлен большой вариацией конфигураций, но принцип работы у всех аппаратов одинаковый. Нагретое сырье впрыскивают в литейную форму под давлением, что приводит к затвердеванию. Данным методом изготавливают мелкие изделия сложной формы и конструкции.

Вакуумное формование

Для формовки используют не расплав, а заготовку полимерного изделия в виде пленки или листа. Сырье нагревают до мягкого состояния, а затем ему придается форма матрицы за счет появления вакуума между матрицей и полимерным изделием.

Вспомогательное оборудование

Вместе с тем в целях повышения эффективности производства и снижения общих эксплуатационных затрат используется различное дополнительное оборудование.

Оборудование для контроля температуры

Контроль температуры имеет решающее значение при производстве пластмасс, поскольку нестабильная температура может негативно сказаться как на оборудовании, так и на готовой продукции. Регуляторы температуры пресс-формы помогут стабилизировать заданную температуру для производства высококачественных пластмасс. Термостаты бывают различных типов и отличаются по своим характеристикам и функциям. Благодаря возможности настройки все они могут удовлетворить требованиям каждого отдельного производства.

Оборудование для сушки

Замечали ли вы когда-нибудь в пластиковых изделиях такие дефекты, как пузырьки и вздутия? Зачастую это происходит из-за неправильного процесса сушки, т.е. неполного удаления влаги из полимеров. В этом случае на помощь приходит промышленный осушитель. Применяясь как в торговых, так и в промышленных помещениях, этот тип вспомогательного оборудования позволяет регулировать влажность, вентиляцию и температуру воздуха.

Оборудование для хранения и транспортировки материалов

В процессе производства, распределения и выпуска продукции необходимо обеспечивать надлежащую защиту, хранение и перемещение материала. Отладка этих процессов имеет решающее значение для учета сырья и готовой продукции на производственных предприятиях и складах.

Оборудование для дозирования и смешивания

В процессе производства пластмасс важными этапами являются дозирование и смешивание материалов перед экструзией. Механизм смешивания обычно состоит из нескольких дозаторов и секции смешивания - эти компоненты совместно обеспечивают получение однородной смеси, необходимой для конкретных целей производства.

Применение полимеров

Полимеры находят применение практически во всех сферах современной жизни.

• В строительстве используются полимерные материалы, такие как поливинилхлорид (ПВХ) для труб и изоляции, а также пенополистирол для теплоизоляции.
• В медицине биосовместимые полимеры применяются для создания имплантатов, шовных материалов и систем доставки лекарств.
• В электронике полимеры используются в производстве гибких дисплеев и изоляционных покрытий.
• Упаковочная промышленность активно применяет полиэтилен и полипропилен для создания прочных и легких материалов.

Перспективы развития производства полимеров

В ближайшем будущем ожидается рост производства «умных» и функциональных полимеров, которые смогут изменять свои свойства под воздействием внешних факторов, а также расширение применения биополимеров.

Производство полимеров не стоит на месте и постоянно развивается, выпуская новые материалы с усовершенствованными характеристиками. Сегодня с помощью полимерных материалов удалось заменить большую часть изделий, которые раньше выпускались только из цветного металла.

Качественный нагрев полимеров возможен при использовании промышленных нагревательных устройств. Электронагрев специализируется на производстве ТЭНов для обработки полимерных материалов. Для переработки полимеров используют: патронные нагреватели, плоские ТЭНы, хомутовые или полухомутовые нагреватели и др. производственного процесса.