Polyme công nghiệp chính

Polyme công nghiệp chính , các hợp chất hóa học được sử dụng trong sản xuất vật liệu công nghiệp tổng hợp.

Trong sản xuất thương mại nhựa, chất đàn hồi, sợi nhân tạo, chất kết dính và lớp phủ bề mặt, rất nhiều loại polyme được sử dụng. Có nhiều cách để phân loại các hợp chất này. Trong bài báo này, polyme công nghiệp, hóa học, polyme được phân loại tùy theo việc chúng được hình thành thông qua các phản ứng tăng trưởng chuỗi hay tăng trưởng từng bước. Trong nhựa (nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn), các polyme được phân chia thành các polyme có thể hòa tan trong các dung môi chọn lọc và có thể làm mềm thuận nghịch bằng nhiệt (nhựa nhiệt dẻo) và các polyme tạo thành mạng lưới ba chiều không hòa tan và không thể làm mềm bằng nhiệt mà không bị phân hủy (phích nước). Trong bài báo này, sợi nhân tạo, sợi được phân loại là được làm từ các polyme tự nhiên đã được biến đổi hoặc được làm từ các polyme tổng hợp hoàn toàn.

Trong bài viết này, các polyme chủ yếu được sử dụng trong thương mại được chia theo thành phần của “xương sống” của chúng, các chuỗi các đơn vị lặp lại được liên kết tạo nên các đại phân tử. Được phân loại theo thành phần, polyme công nghiệp là polyme mạch cacbon (còn gọi là vinyls) hoặc polyme dị chuỗi (còn gọi là mạch không cacbon, hoặc phivinyl). Trong polyme mạch cacbon, như tên của nó, xương sống được cấu tạo bởi các liên kết giữa các nguyên tử cacbon; trong polyme dị chuỗi, một số nguyên tố khác được liên kết với nhau trong xương sống, bao gồm oxy, nitơ, lưu huỳnh và silic.

Polyme mạch cacbon

Polyolefin và các polyme liên quan

Cho đến nay, các polyme công nghiệp quan trọng nhất (ví dụ, hầu như tất cả các loại nhựa hàng hóa) đều là olefin polyme hóa. Olefin là hiđrocacbon (hợp chất chứa hiđro [H] và cacbon [C]) mà phân tử của chúng chứa một cặp nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng một liên kết đôi. Hầu hết thường có nguồn gốc từ khí tự nhiên hoặc từ các thành phần có trọng lượng phân tử thấp của dầu mỏ, chúng bao gồm ethylene, propylene và butene (butylene).

Phân tử olefin thường được biểu diễn bằng công thức hóa học CH 2 = CHR, với R đại diện cho một nguyên tử hoặc nhóm phân tử mặt dây chuyền có thành phần khác nhau. Là đơn vị lặp lại của phân tử cao phân tử, cấu trúc hóa học của chúng có thể được biểu diễn dưới dạng:

Các cấu trúc phân tử.

Thành phần và cấu trúc của R xác định một loạt các đặc tính có thể có sẽ được polyme chứng minh.

Polyetylen (PE)

Ethylene, thường được tạo ra từ quá trình crackinh khí etan, tạo thành cơ sở cho loại nhựa đơn lớn nhất, polyetylen. Etylen đơn chức có thành phần hóa học CH 2 = CH 2 ; là đơn vị lặp lại của polyetylen, nó có cấu trúc hóa học sau:

Cấu trúc phân tử.

Cấu trúc đơn giản này có thể được sản xuất ở dạng tuyến tính hoặc dạng nhánh như được minh họa trong Hình 1 và Hình 2. Các phiên bản phân nhánh được gọi là polyethylene mật độ thấp (LDPE) hoặc polyethylene mật độ thấp tuyến tính (LLDPE); các phiên bản tuyến tính được gọi là polyethylene mật độ cao (HDPE) và polyethylene trọng lượng phân tử siêu cao (UHMWPE).

  • Hình 1: Dạng tuyến tính của polyetylen, được gọi là polyetylen mật độ cao (HDPE).
  • Hình 2: Dạng phân nhánh của polyetylen, được gọi là polyetylen mật độ thấp (LDPE).

Năm 1899, một nhà hóa học người Đức, Hans von Pechmann, đã quan sát thấy sự hình thành kết tủa trắng trong quá trình tự phân hủy của diazomethane trong ete. Năm 1900, hợp chất này được các nhà hóa học người Đức Eugen Bamberger và Friedrich Tschirner xác định là polymethylene ([CH 2 ] n ), một loại polymer gần như giống với polyethylene. Năm 1935, các nhà hóa học người Anh Eric Fawcett và Reginald Gibson đã thu được PE rắn như sáp trong khi thử phản ứng ethylene với benzaldehyde ở áp suất cao. Vì sản phẩm có ít tiềm năng sử dụng nên việc phát triển rất chậm. Kết quả là PE công nghiệp đầu tiên - thực ra là LDPE phân nhánh không đều - mãi đến năm 1939 mới được sản xuất bởi Imperial Chemical Industries (ICI). Nó được sử dụng lần đầu tiên trong Thế chiến II như một chất cách điện cho cáp radar.

Năm 1930, Carl Shipp Marvel, một nhà hóa học người Mỹ làm tư vấn tại EI du Pont de Nemours & Company, Inc., đã phát hiện ra một sản phẩm có mật độ cao, nhưng DuPont không nhận ra tiềm năng của vật liệu này. Nó được để lại cho Karl Ziegler của Viện Nghiên cứu Than Kaiser Wilhelm (nay là Max Planck) tại Mülheim an der Ruhr, Ger., Để giành giải Nobel Hóa học năm 1963 vì đã phát minh ra HDPE tuyến tính — mà Ziegler đã thực sự sản xuất cùng với Erhard Holzkamp trong 1953, xúc tác phản ứng ở áp suất thấp với một hợp chất cơ kim loại từ đó được gọi là chất xúc tác Ziegler. Bằng cách sử dụng các chất xúc tác và phương pháp trùng hợp khác nhau, các nhà khoa học sau đó đã tạo ra PE với nhiều đặc tính và cấu trúc khác nhau. Ví dụ, LLDPE được Công ty Dầu khí Phillips giới thiệu vào năm 1968.

LDPE được điều chế từ ethylene ở dạng khí dưới áp suất rất cao (lên đến 350 megapascal, hoặc 50.000 pound trên inch vuông) và nhiệt độ cao (lên đến 350 ° C, hoặc 660 ° F) với sự hiện diện của chất khơi mào peroxit. Các quá trình này tạo ra một cấu trúc polyme có cả nhánh dài và nhánh ngắn. Kết quả là, LDPE chỉ là một phần tinh thể, tạo ra một vật liệu có tính linh hoạt cao. Các ứng dụng chính của nó là trong màng bao bì, túi đựng rác và tạp hóa, lớp phủ nông nghiệp, cách điện dây và cáp, chai bóp, đồ chơi và đồ gia dụng.

Một số LDPE được phản ứng với clo (Cl) hoặc với clo và lưu huỳnh đioxit (SO 2 ) để tạo ra các nhóm clo hoặc clorosulfonyl dọc theo chuỗi polyme. Những sửa đổi như vậy dẫn đến polyetylen clo hóa (CM) hoặc polyetylen clo hóa (CSM), một vật liệu hầu như không tinh thể và đàn hồi. Trong một quá trình tương tự như quá trình lưu hóa, liên kết ngang của các phân tử có thể được thực hiện thông qua các nhóm clo hoặc clorosulfonyl, làm cho vật liệu trở thành một chất rắn cao su. Bởi vì các chuỗi polyme chính của chúng là bão hòa, các chất đàn hồi CM và CSM có khả năng chống oxy hóa và tấn công ozone cao, và hàm lượng clo của chúng mang lại một số khả năng chống cháy và khả năng chống trương nở của dầu hydrocacbon. Chúng chủ yếu được sử dụng cho ống mềm, dây đai, con dấu chịu nhiệt và vải tráng.

LLDPE có cấu trúc tương tự như LDPE. Nó được tạo ra bằng cách đồng trùng hợp ethylene với 1-butene và một lượng nhỏ hơn 1-hexene và 1-octene, sử dụng xúc tác Ziegler-Natta hoặc metallocene. Cấu trúc kết quả có một đường trục tuyến tính, nhưng nó có các nhánh ngắn, đồng đều, giống như các nhánh dài hơn của LDPE, ngăn các chuỗi polyme đóng gói chặt chẽ với nhau. Ưu điểm chính của LLDPE là các điều kiện trùng hợp ít tiêu tốn năng lượng hơn và các đặc tính của polyme có thể bị thay đổi bằng cách thay đổi loại và lượng comonomer (monome đồng trùng hợp với ethylene). Nhìn chung, LLDPE có các đặc tính tương tự như LDPE và cạnh tranh trên các thị trường giống nhau.

HDPE được sản xuất ở nhiệt độ và áp suất thấp bằng cách sử dụng chất xúc tác Ziegler-Natta và metallocene hoặc oxit crom hoạt hóa (được gọi là chất xúc tác Phillips). Việc thiếu các nhánh cho phép các chuỗi polyme đóng gói chặt chẽ với nhau, dẫn đến một vật liệu kết tinh dày đặc, có độ bền cao và độ cứng vừa phải. Các công dụng bao gồm các loại bình đúc thổi để đựng sữa và chất tẩy rửa gia dụng và các thùng đúc bằng khuôn, nắp chai, vỏ thiết bị và đồ chơi.

UHMWPE được chế tạo với trọng lượng phân tử từ 3 triệu đến 6 triệu đơn vị nguyên tử, trái ngược với 500.000 đơn vị nguyên tử đối với HDPE. Những polyme này có thể được kéo thành sợi và kéo, hoặc kéo dài, thành trạng thái tinh thể cao, dẫn đến độ cứng cao và độ bền kéo gấp nhiều lần thép. Sợi làm từ những sợi này được dệt thành áo chống đạn.