Пропилен
Получение
Пропилен наряду с этиленом и бутиленом относится к числу важнейших видов сырья современной нефтехимической промышленности.
Разнообразие синтезов на основе пропилена является причиной быстрого увеличения объема производства этого продукта. Это наглядно иллюстрируется приведенными ниже данными (табл. 1) по планируемому производству пропилена в США , стране с самой мощной нефтехимической промышленностью.
Значительное расширение производства пропилена намечается и в других промышленно развитых странах.
Источником сырья для промышленного производства пропилена могут служить продукты переработки нефти, а также природные углеводородные газы.
Пропилен получают различными методами: а) разделением газов нефтепереработки, содержащих олефины; б) пиролизом этана и пропана, содержащихся в газах нефтепереработки; в) пиролизом этана и высших алканов, выделенных из природного газа; г) пиролизом жидких углеводородов.
Таблица 1 Планируемое производство мономеров в США (в тыс. т)
| Год | |||
| Мономер | 1955 | 1960 | 1975 |
| Пропилен | 707 | 925 | 1614 |
| Бутилен | 988 | 1121 | 2129 |
| Этилен | 1608 | 2356 | 4711 |
Под газами нефтепереработки подразумеваются газы первичной перегонки нефти, крекинга и риформинга. Их состав зависит от технологических параметров указанных процессов. При нефте-перегонке образуется 25—30% от общего количества газов нефтепереработки. Ниже приведен примерный состав газов (в мол.%), образующихся при переработке нефти на современном нефтеперерабатывающем заводе [2]:
| Инертные газы | 4,1 |
| Водород | 6,1 |
| Метан | 39,1 |
| Этилен | 7,3 |
| Пропилен | 8,9 |
| Этан | 17,5 |
| Пропан | 9,4 |
| Бутаны | 2,6 |
| Пентаны | 1,4 |
| Сероводород | 3,0 |
| Двуокись углерода | 0,6 |
Пиролиз углеводородов природного газа или жидких углеводородных фракций, выделенных из нефти, протекает при температурах свыше 700° С.
В ходе технологического процесса пиролиза в основном осуществляются следующие реакции: а) дегидрогенизация, характеризующаяся разрывом химической связи С—Н; б) деструкция, характеризующаяся разрывом связи С—С; в) реакции изомеризации; г) реакции типа синтезов — полимеризация, циклизация, реакции конденсации и т. п.
Процессы дегидрогенизации и деструкции являются эндотермическими первичными, а все остальные — экзотермическими вторичными реакциями.
При высоких температурах сначала разрывается химическая связь С—С, имеющая меньшую энергию связи (62,8 ккал/моль), чем связь С—Н. Энергия связи С—Н снижается при переходе от первичного к третичному атому углерода: энергия связи атома водорода с первичным атомом углерода составляет 87,0, со вторичным — 85,5 и с третичным — 83,0 ккал/моль .
В зависимости от способа подвода тепла в реакционную зону различают следующие методы пиролиза углеводородов для получения пропилена: а) в трубчатых печах с наружным огневым обогревом; б) с применением в качестве теплоносителя перегретого водяного пара и дымовых газов; в) в регенеративных печах с неподвижной насадкой; г) в регенеративных печах с движущимся теплоносителем; д) окислительный пиролиз (так называемый автотермический процесс, не требующий подвода тепла извне).
Наиболее распространенным методом получения пропилена является пиролиз нефтяного сырья в трубчатых печах. Это объясняется небольшими капитальными затратами на строительство трубчатых пиролизных установок и сравнительной простотой обслуживания.
Для получения пропилена высокой степени чистоты, необходимой для химической переработки, производят разделение пиролизного газа на отдельные компоненты.
Таблица 2
Состав газа, полученного пиролизом бензина (Средний молекулярный вес газа 25,6.)
| Компоненты | Объемн. % | Выход на сырье, вес. % |
| Водород | 14,2 | 0,7 |
| Метан | 23,8 | 9,6 |
| Этилен | 34,9 | 24,6 |
| Этан Пропилен Пропан | 4,2 13,9 0.8 | 3,1 14,8 3,9 |
| Бутадиен | 3,1 | 4,2 |
| Бутилен | 5,0 | 6,9 |
| Бутан | 0,1 | 0,2 |
| Итого | 100,0 | 65,0 |
Выделение и очистка
Разделение газов пиролиза целесообразно осуществлять при повышенном давлении. Перед разделением газ сжимают компрессорами в четыре-пять ступеней и очищают в щелочных промывных аппаратах от кислых примесей. Затем из газа удаляют соединения ацетилена (путем селективного гидрирования на специальном катализаторе или промывкой диметилформамидом) и подвергают его осушке с помощью различных адсорбентов.
Предварительно очищенный от вредных примесей газ разделяют на фракцию С3, содержащую углеводороды с двумя углеродными атомами (этан+этилен), фракцию С3 (пропан+пропилен), фракцию C4 и т. д.
В промышленности для выделения пропилена из пиролизного газа чаще всего применяется метод ректификации, являющийся в технико-экономическом отношении наиболее выгодным.
Анализ
Для производства полипропилена требуется пропилен высокой степени чистоты. Содержание таких примесей, как ацетиленовые и сернистые соединения, кислород, окись и двуокись углерода, не должно превышать сотых и тысячных долей процента.
Удовлетворительным считается пропилен следующего состава (в объемн. ч. на 1 млн.):
Сера ................. 10*
Вода ................. 10
Пропадиен .............. 20
Кислород ............... 10
Окись углерода ........... 10
Карбонилсульфид ........... 10
Ацетилен ............... 5
Этан + пропан ............ 2000
Для определения отдельных компонентов применяют следующие методы аналитического контроля.
Сера. Общую серу определяют сжиганием навески в аппарате Wickbold ‘ a с последующим переводом образовавшегося сернистого ангидрида в серный ангидрид и далее в серную кислоту. Последнюю оттитровывают хлористым барием в присутствии торина в качестве индикатора или же определяют, фотометрически по реакции с хлоранилатом бария .
Ацетилен. Метод определения основан на образовании растворимых комплексных соединений ацетиленидов серебра в концентрированных растворах серебряных солей—азотнокислой, хлорно-кислой, фтористой и кремнефтористоводородной .
Вода. Содержание влаги в пропилене определяют в основном двумя методами: титрованием реактивом Фишера и кулонометрическим методом . Первый способ довольно сложен, а его точность относительно невысока. Правда, его можно усовершенствовать, в таком случае точность анализа составит ±2 ч. на 1 млн. Кулонометрический метод экспериментально очень прост и вместе с тем очень точен. Он основан на электролизе влаги, уловленной из потока анализируемого газа или пара гигроскопической пленкой, например фосфорной кислотой,между двумя платиновыми электродами.
Окись углерода. Используются хроматографические методы .шализа (в качестве адсорбента применяют активированный уголь, а в качестве газа-носителя—водород) или инфракрасная спектроскопия,
Пропадиен. Наиболее совершенным методом определения считается хроматографический, причем в качестве насадки разделительной колонки можно использовать силикат магния, диэтил-формамид и другие вещества. Предельная концентрация пропа-диена в пропилене определяется чувствительностью метода .шализа.
Кислород. Наиболее известны три метода. Первый основан на взаимодействии кислорода с водородом на твердом катализаторе , причем за ходом реакции следят с помощью двух термопар, одна из которых расположена в протекающем газе, а вторая— в каталитическом пространстве. Они соединены по способу встречною включения, так что замеряется разность температур. Точность анализа достигает 10 ч. на 1 млн., она зависит от активности катализатора в течение всего процесса.
Свойства
Пропилен СН2=СН—СН3 (молекулярный вес 42,081) при обычных условиях—бесцветный газ со слабым характерным запахом.
С воздухом пропилен образует взрывоопасные смеси, нижний предел взрываемости которых равен 2,0 , а верхний— 11,1 объемн.%.
| Критические константы: температура, °С | 91,9 |
| давление, кгс/см2 | 45,4 |
| плотность, г/мл | 0,233 0,233 |
| Температура кипения при 760 мм рт: ст., °С Температура плавления при 760 мм рт. ст., °С Температура воспламенения, °С | -47,7 -185,25 -107,8 |
| Температура самовоспламенения в смеси с воздухом, °С | 458 |
| Удельная теплоемкость Ср, ккал/(кг • град) | 0,363/25 |
| Теплота испарения при температуре кипения, ккал/кг Теплота сгорания газа при 25° С до жидкой Н2О и С02, ккaл/мoль | 104,62 491,99 |
| Теплота образования газа DН0298, ккал/моль Коэффициент теплопроводности, ккал/(см • сек • град) | 4,879 3,33. 10-5 |
В концентрации до 4000 ч. на 1 млн. пропилен физиологически безвреден. Оказывает слабонаркотическое действие, несколько более сильное, чем действие этилена. При концентрации 15 объемн.% пропилен вызывает потерю сознания спустя 30 мин, 24%—спустя 3 мин и 35—40% —через 20 сек .
Для пропилена в качестве средства огнетушения применяют двуокись углерода.
ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ ПРОПИЛЕНА
Стереоспецифическая полимеризация
Влияние примесей
Оба компонента каталитической системы охотно вступают в реакцию с веществами, в молекуле которых есть атом со свободной электронной парой. В случае триэтилалюминия стремление заполнить недостающую электронную пару на алюминии настолько велико, что это вещество в нормальных условиях существует как димер с довольно большой устойчивостью. Димер энергетически более устойчив (почти на 10 ккал/моль). Триалкилалюминий образует с донорами комплексные соединения, некоторые из них настолько устойчивы, что их можно перегонять, а попытка разделить их на первоначальные компоненты часто приводит к деструкции всей молекулы .
Благодаря наличию свободных орбит переходный металл образует координационные связи с мономером за счет п-электронов последнего. Подобное взаимодействие имеет место с молекулами, имеющими свободную электронную пару. Соединения, обладающие способностью к координации, покрывают часть активной поверхности катализатора, некоторые из них действуют как каталитические яды и влияют на ход полимеризации и свойства полимера.
Аналогичным действием обладают и ненасыщенные углеводороды (пропадиен, ацетилены), которые к тому же не реагируют с триалкилалюминием и сильно сорбируются треххлористым титаном. Эти вещества снижают скорость полимеризации и модифицируют свойства полимера.
Примеси можно разделить на две группы в зависимости от того, действуют ли они как ингибиторы или как промоторы полимеризации. Сначала рассмотрим соединения с ингибирующими свойствами, часто присутствующие в сырье. При температуре полимеризации триалкилалюминий образует с полярными примесями комплексы, которые на дальнейший ход полимеризации не оказывают существенного влияния. Примеси, сорбированные на твердой фазе, где происходит реакция роста цепи, действуют гораздо интенсивнее. При малых их количествах наблюдаются индукционный период и снижение скорости полимеризации по окончании этого периода . Изменяется и стереоизомерный состав полимера: обычно повышается содержание аморфных и стереоблочных фракций.
Продолжительность индукционного периода определяется теми факторами, от которых зависит скорость удаления сорбированного вещества с поверхности твердой фазы. Примеси, которые слишком сильно сорбированы или из-за стерических затруднений не могут участвовать в реакции роста цепи (в роли сополимера), действуют как сильные ингибиторы процесса полимеризации. Из доноров наиболее сильными каталитическими ядами являются COS, CS2, R2S, СО, т. е. вещества, известные своим ингибирующим действием и способностью образовывать координационные связи. Из ненасыщенных углеводородов наиболее эффективным ингибитором считается пропадиен. Ацетиленистые соединения также снижают скорость полимеризации. Однако сорбция их треххлористым титаном не настолько сильна, чтобы исключалась возможность сополимеризации. Ацетилен образует с пропиленом сополимеры, которые уже при ничтожных концентрациях ацетилена в системе (10 ч. на I млн.) имеют сине-фиолетовую окраску, свидетельствующую о наличии сопряженных двойных связей и, следовательно, об образовании сополимера с блочной структурой. Метилацетилен цветных сополимеров не дает.
Вторую группу примесей составляют вещества, имеющие ионный характер или приобретающие его после сорбции на поверхности твердой фазы. Из доноров значительный интерес представляют вещества, которые способны образовывать ониевые соединения. Наибольшей активностью отличаются соединения на основе азота, такие, как амины, пиридин и т. п. При применении треххлористого титана с малой 2удельной поверхностью (хорошо развитые кристаллы) они вдвое повышают скорость реакции уже в концентрациях 10-4 моль /л, в то время как диэтиловый эфир при прочих равных условиях—всего лишь в 1,3 раза.
Доноры обычно увеличивают молекулярный вес полимера. Исключение составляют вещества, содержащие группу, способную вызвать передачу цепи. По влиянию на величину молекулярного веса активаторы можно расположить, например, в следующий ряд:
H2S < RSH < RSR < CS
Вещества, способные образовывать ониевые соли, уменьшают количество образующегося при полимеризации продукта, растворимого в холодном и кипящем гептане (аморфные фракции и стереоблоки). Частично, однако, меньшая растворимость в гептане обусловлена более высоким молекулярным весом полимера .
Сополимеризация пропилена
Наряду с изучением физических и механических свойств полипропилена внимание исследователей во всем мире привлекает сополимеризация пропилена с другими мономерами в целях модификации свойств продукта. В круг проблем, связанных с сополимеризацией на стереоспецифических катализаторах, помимо изучения состава сополимера и содержания исходных мономеров,входит также изучение пространственного строения образующихся продуктов с учетом примененной комбинации мономеров и каталитической системы.
Наибольшие успехи пока достигнуты при совместной полимеризации этилена с пропиленом, поэтому данный вопрос целесообразно осветить более подробно.
Структура полипропилена
В зависимости от условий проведения процесса полимеризации пропилена получаются полимеры с различной молекулярной структурой, которая определяет их физико-механические свойства и, как следствие, пригодность для той или иной цели.
Стереоизомерия
Открытие стереоспецифической полимеризации положило начало новому этапу в исследовании структуры и свойств полипропилена. В зависимости от условий полимеризации структура полипропилена может быть нескольких типов, которые различаются пространственным расположением метальных групп по отношению к главной цепи полимера .
а) Изотактическая структура—все группы СН3 находятся по одну сторону от плоскости цепи:
В действительности, однако, макромолекулы изотактического полипропилена имеют третичную симметрию, так как группы СН3 вдоль главной углеводородной цепи располагаются по спирали.
б) Синдиотактическая структура—группы СН3 располагаются строго последовательно по разные стороны от плоскости цепи:
Изотактическая и синдиотактическая молекулярные структуры могут характеризоваться различной степенью совершенства пространственной регулярности.
Структуру с неупорядоченным расположением метильных групп называют атактической:
Промежуточное положение между чисто атактической и чисто изотактической структурами занимают стереоблокполимеры, в макромолекулах которых регулярно чередуются различные по длине изотактические и атактические участки.
На рис. 4.2 показаны типы пространственной структуры цепи линейного полипропилена.
Стереоизомеры полипропилена (изотактические, синдиотактические, атактические и стереоблочные) существенно различаются по механическим, физическим и химическим свойствам. Атактический полипропилен представляет собой каучукоподобный продукт с высокой текучестью, температура плавления =80° С, плотность 0,85 г/см3 , хорошо растворяется в диэтиловом эфире и в холодном н-гептане. Изотактический полипропилен по своим свойствам выгодно отличается от атактического; в частности, он обладает более высоким модулем упругости, большей плотностью (0,90—0,91 г/см3), высокой температурой плавления (165—170°С), лучшей стойкостью к действию химических реагентов и т. п. В отличие от атактического полимера он растворим лишь в некоторых органических растворителях (тетралине, декалине, ксилоле, толуоле), причем только при температурах выше 100° С. Стереоблок-полимер полипропилена при исследованиях с помощью рентгеновских лучей обнаруживает определенную кристалличность, которая не может быть такой же полной, как у чисто изотактических фракций, поскольку атактические участки вызывают нарушения в кристаллической решетке .
Определение стереоизомерного состава полипропилена обычно производят методом последовательного экстрагирования , основанным на резком различии в растворимости аморфной и кристаллической фракций. Как правило, экстрагирование осуществляют кипящими растворителями в такой последовательности: вначале из полипропилена ацетоном экстрагируют маслообразные, низкомолекулярные атактические полимеры, затем эфиром—высокомолекулярные атактические каучукоподобные полимеры и парафиновыми углеводородами С5-С7 - стереоблочные фракции со все более высокими молекулярным весом и степенью кристалличности. Точность разделения стереоб-лочных фракции, однако, весьма относительна, так как при последовательном экстрагировании их парафиновыми углеводородами из полипропилсиа извлекаются также и изотактические полимеры низких молекулярных весов. Остаток после экстракции кипящим н-гептаном представляет собой изотактический полимер; его количество, выраженное в процентах, служит показателем изотактичности полимера.
Свойства полипропилена .
Механические свойства
При оценке практической пригодности полипропилена для той или иной цели первостепенное значение приобретают его механические свойства. Очевидно, что полимер с низким модулем упругости, т. е. с малой жесткостью, нельзя рекомендовать для изготовления технических деталей, подвергающихся большим механическим нагрузкам, и, наоборот, полимер с большой жесткостью оказывается непригодным там, где материал должен обладать свойством поглощать колебания с относительно высокой амплитудой.
Механические свойства полипропилена определяются его структурным составом. Атактическая фракция в чистом виде обладает свойствами аморфно-жидких полимеров, изотактическая — свойствами высококристаллических полимеров, а механические свойства стереоблокполимера занимают промежуточное положение. Промышленный иолииропилеи состоит в основном из макромолекул изотактического строения, чем и обусловлены его высокие механические характеристики.
Диаграмма растяжения
Важным показателем, характеризующим механические свойства полипропилена, является зависимость удлинения от напряжения которую определяют, подвергая испытуемый образец растяжению на разрывной машине. При этом испытании под напряжением понимают усилие, действующее на единицу площади первоначального сечения образца
Зависимость относительного удлинения от напряжения для стереоблочного полипропилена принципиально отличается от таковой для изотактического полимера. Для достижения значительной деформации в данном случае достаточно небольшого напряжения, величина которого нарастает плавно (без скачков) вплоть до разрыва испытуемого образца. После снятия напряжения основная часть деформации быстро исчезает. Подобное поведение типично для каучукоподобных полимеров.
Наконец атактнческий полипропилен обнаруживает сильную пластическую (т. е. необратимую) деформацию при незначительном напряжении, величина которого почти не изменяется до разрушения образца.
Поведение полипропилена обычных марок при испытании на растяжение определяется содержанием кристаллического полимера. С увеличением содержания неизотактических фракций начальный модуль упругости и предел текучести снижаются , относительное удлинение при разрыве, как правило, возрастает, а предел прочности при растяжении несколько падает.
С изменением величины молекулярного веса несколько изменяется форма кривой «напряжение—относительное удлинение» для полимеров с одинаковой степенью изотактичности. Предел текучести с уменьшением молекулярного веса повышается, а относительное удлинение при разрыве снижается, что связано с повышением степени кристалличности.
Диэлектрические свойства
Полипропилен, подобно большинству синтетических полимеров, является прекрасным диэлектриком. Благодаря ничтожному водопоглощению его электроизоляционные свойства практически не изменяются даже после длительной выдержки в воде .
Поведение полипропилена как диэлектрика в переменном электрическом поле во многом сходно с поведением полимера при воздействии на него динамической механической нагрузки. Индуцированные диполи звеньев цепей ориентируются по мгновенному направлению поля, в большей или меньшей степени отставая при этом от возбуждающей силы. Диэлектрическая проницпемость полипропилена почти не зависит от частоты поля и температуры.
Различие между значениями диэлектрической проницаемости изотактического (e =2,28) и атактического (e =2,16) полимеров не настолько велико, чтобы по этому показателю можно было, например, оценивать содержание атактических фракций в полипропилене.
Поверхностные свойства
Поверхность полипропиленовых изделий отличается относительно хорошей износостойкостью, близкой к износостойкости иолиамидов. Стойкость к истиранию повышается с увеличением молекулярного веса и почти не зависит от стереоизомерного состава полипропилена .
Антифрикционные свойства при контакте полипропилена со сталью близки к аналогичным свойствам найлона в сухом состоянии. При применении смазки коэффициент трения полипропилена снижается в меньшей степени, чем в случае найлона .
Неполярный характер полипропилена обусловливает плохую адгезию клеев к его поверхности. Поэтому в настоящее время нет надежных методов склеивания полипропиленовых деталей между собой и с другими материалами.
Оптические свойства
Степень прозрачности изделий из полипропилена определяется прежде всего размером сферолитов, на которых происходит рассеяние света. Если удается воспрепятствовать образованию крупных сферолитов путем быстрого охлаждения тонкой пленки, то получается прозрачное изделие, которое даже в поляризационном микроскопе не обнаруживает двойного лучепреломления, типичного для сферолитной структуры. Чем меньше скорость охлаждения — а она при плохой теплопроводности полипропилена в значительной степени зависит также и от толщины изделия, — тем крупнее сферолиты и ниже прозрачность изделия. На прозрачность оказывают влияние и другие факторы, от которых зависят размеры сферолитов, в частности величина молекулярного веса и стереоизомерный состав полипропилена.
Химическая стойкость
Полипропилен благодаря своей парафиновой структуре обладает высокой стойкостью к действию различных химических реагентов, даже в высоких концентрациях. При нормальной температуре изотактический полипропилен очень хорошо противостоит действию органических растворителей даже при длительном пребывании в них. Однако любое нарушение правильности структуры цепей, проявляющееся в уменьшении степени кристалличности полипропилена, вызывает снижение стойкости к растворителям. Эту особенность полипропилена Натта использовал для определения содержания в нем атактической, стереоблочной и изотактической структур. Спирты, кетоны, сложные и простые эфиры имеют относительно малое сродство к парафиновой цепи и поэтому не способны сольватировать цепи, прочно связанные в кристаллических участках. Однако они в большей или меньшей степени могут вызывать набухание или даже растворение атактических структур, особенно при высоких температурах. Углеводороды ввиду большего сродства к полипропилену растворяют атактические фракции уже при нормальной температуре. Интересное отклонение от такой закономерности обнаруживают сжиженные пропан и пропилен, растворяющая способность которых в области температур от -10 до -20° С выше, чем при нормальной температуре . По мере повышения температуры растворяющая способность высших углеводородов и их хлорпроизводных возрастает, так что ими можно экстрагировать и частично кристаллические стерео-блокполимеры. Наиболее эффективными растворителями являются ароматические и гидроароматические углеводороды, в которых при повышенных температурах растворяется изотактический полипропилен.
Из атмосферных влияний самым сильным оказывается действие кислорода, активированное солнечным светом.
Токсикологические свойства
Чистый полипроиилен атактической и изотактической структуры физиологически безвреден. Однако необходимо иметь в виду, что промышленный полипропилен содержит целый ряд примесей, о действии которых на организм пока известно очень мало. Поэтому требуется тщательная проверка физиологической безвредности этих веществ, прежде всего остатков катализатора, а также стабилизаторов и цветных пигментов.
Термическая деструкция
Для правильного применения полипропилена в различных областях очень важно знать процессы его деструкции. При термической деструкции полипропилена в инертной атмосфере или вакууме снижается молекулярный вес и образуются летучие продукты .
Снижение молекулярного веса полимера зависит от температуры и продолжительности пиролиза .
Скорость образования летучих продуктов также является функцией температуры . Скорость термической деструкции полипропилеиа не зависит от его молекулярного веса .
В процессе деструкции уменьшается кристалличность полипропилена . В отличие от других полимеров, например поли-тетрафторэтилена или полиметилметакрилата, при пиролизе полипропилена получается лишь незначительное количество мономерного продукта, что объясняется низкой энергией активации изомеризации макрорадикала, образовавшегося при термической деструкции . Так, при превращении 50% полимера в газообразные продукты при 387° С образуется всего лишь 0,2% мономера . Газообразные продукты состоят в основном из 2-метилпропена-1, пентена-1 и пентена-2 . При разложении неразветвленного полипропилена газообразные продукты образуются гораздо быстрее, чем в случае полипропилена разветвленного строения .
Озонирование
При окислении полимеров озоном перекиси начинают образовываться уже при комнатной температуре . Озон, действуя как инициатор окисления , значительно ускоряет окислительный процесс. Инициирующее действие озона при окислении полипропилена осуществляется через полимерные перекиси [R—0—0—R] с малым периодом жизни, которые на первых стадиях процесса вызывают также и временное, неустойчивое сшивание полимера.
Характер кривой накопления перекисей во время окисления озоном атактического полипропилена указывает на то, что в исследованном диапазоне температур 0—60° С можно достигнуть лишь ограниченной концентрации перекисей . Значительное ускорение процесса окисления озоном практически исключает наличие индукционного периода. На кинетику накопления перекисей существенное влияние оказывает характер поверхности полипропилена,
Хлорирование полипропилена
В последние годы много внимания уделялось изучению хлорирования кристаллических полиолефинов, имеющих более высокую температуру плавления, чем полиэтилен, поскольку можно было ожидать, что и их хлорированные производные будут отличаться высокой температурой плавления. В настоящее время применяются три метода хлорирования.
Хлорирование в растворе
В качестве растворителя при хлорировании в растворе используют галогенированные углеводороды, в особенности ССl4 , СНС13, СН3Сl и дихлорбензол. Ускорению реакции способствует повышение температуры или облучение светом с длинами волн 2000— 6500 А. Каталитическое действие оказывают перекиси , азосоединения , четыреххлористый титан и т. д. Хлорирование в растворе осуществляют при нормальном или повышенном давлении .
В макромолекулу полипропилена можно ввести до 70% хлора. Гомогенно хлорированный продукт удается получить лишь изотактического полипропилена. Для кристаллического изотактиче-ского полипропилена данный метод не вполне приемлем из-за отсутствия хорошего растворителя этого полимера при температурах до 100° С. Кристаллический полимер в среде галогенированных углеводородов набухает, его поверхностный слой хлорируется, переходит в раствор; однородный продукт получается лишь при содержании в полимере более 40% хлора, в противном случае образуется гетерогенная смесь высокохлорированного полимера в растворе и частично хлорированного геля.
Сшивание полипропилена
Выше уже упоминались методы сшивания полипропилена под действием излучения высокой энергии , прививкой различных мономеров в присутствии перекисей , прививкой полифункциональных мономеров , сшиванием хлорированного и хлорфосфорилированного полимера с бифункциональными аминами , вулканизацией хлорсульфонированного и хлорфосфорилированного полииропилена металлическими окислами. Наряду с ними широкое распространение получают сшивание и разветвление полипропилена перекисями и в особенности применение системы вулканизующих агентов перекись—сера .
При сшивании полипропилена, вызванном термическим разложением перекисей, одновременно происходит его деструкция. При низких концентрациях перекисей (до 0,05 моль/кг при температуре реакции 73° С) деструкция преобладает и поддается контролю. Выбор условий процесса зависит от величины исходного молекулярного веса, а его снижение определяется температурой, которой соответствует определенная эффективная концентрация перекиси . Скорость деструкции связана с концентрацией перекиси степенной зависимостью , а скорость структурирования прямо пропорциональна концентрации перекиси, поэтому при высоких концентрациях реакция структурирования начинает преобладать. Этот эффект используется для стереогибридизации смеси изотак-тического и атактического полипропилена, чем достигается существенное улучшение его морозостойкости. Гибридный стереоизомер представляет собой смесь привитых и блоксополимеров изотакти-ческого полипропилена с атактическим.
Метод вулканизации серой можно применить также и к смеси аморфного гюлиолефина с натуральным или синтетическим каучуком . В литературе описаны вулканизация полиолефинов под действием трихлорметансульфурилхлорида в присутствии катализаторов Фриделя—Крафтса , а также сшивание нолипро-пилена с помощью монохлористой серы и фтористого бора при повышенной температуре .
Механизм реакции окисления
Согласно существующим представлениям о механизме термоокислительной деструкции полипропилена , процесс окисления, протекающий довольно быстро уже при температурах выше 100° С, проходит через стадии образования и разложения гидроперекисей, что обусловливает его автокаталитический характер. Зависимость скорости поглощения кислорода полимером от времени описывается уравнением Семенова для цепных реакций с вырожденными разветвлениями:
где А, j—постоянные;
DO2—количество вступившего в реакцию кислорода;
t—продолжительность процесса.
Исследованиями установлено, что первичным продуктом окисления полипропилена являются гидроперекиси и скорость окислительной деструкции пропорциональна их концентрации .
В настоящее время можно считать общепризнанным, что радикальноцепной процесс окисления полипропилена протекает по такому же механизму, как и других сложных углеводородов , и может быть описан следующей схемой реакций:
Реакция 1 представляет собой первичную инициирующую реакцию: образование радикала происходит либо за счет прямого взаимодействия углеводорода с кислородом
либо в результате разрыва связи С—С под действием коротковолнового излучения. На начальной стадии окисления преобладают непосредственные реакции углеводорода с кислородом, а позже превалирует инициирование за счет разложения гидроперекисей по реакциям 4—6.
Анализ возможных реакций распада гидроперекисей позволяет объяснить все химические изменения в полипропилене при термоокислительной деструкции, за исключением образования окислов углерода и кислот, которые появляются в конце процесса, по-видимому, в результате окисления продуктов, возникших на предшествующих стадиях реакции.
Схемы, образования различных продуктов окисления
I. Распад гидроперекисей
В цепи появляется одиночная группа
а) Взаимодействие гидроперекиси по связи С—Н соседней цепи. Появляется одиночная группа
б) Взаимодействие гидроперекиси по связи С—Н той же цепи. Возникает структура:
а) Взаимодействие гидроперекисей соседних цепей друг с другом. В макроцепях образуются группы
б) Взаимодействие гидроперекисей соседних третичных атомов углерода одной цепи. Возникает структура:
II. Реакции групп
1. Реакции одиночной группы
а) Вследствие отрыва водорода от своей или соседней цепи образуется гидроксильная группа.
б) Схема разрыва макромолекулы:
Таким образом, реакции окисления протекают в такой последовательности:
2. Реакции групп —С—О. в цепях со структурой I, 2б:
3. Группы —С—О. в структурах, возникших по реакциям I, За и I, 3б, действуют как одиночные группы —С—О. .Итак, гидроксильные группы появляются в цепи по реакциям II, 1а и II, 1б. Группы С=0 образуются по реакциям II, 1б и II, 2, двойные связи—по реакции II, 2, ацетальдегид и формальдегид—по реакциям II, 1б. Снижение молекулярного веса полипропилена вызывают реакции II, 1б и II, 2. Вода образуется при бимолекулярном распаде гидроперекисей.
Стабилизаторы полипропилена
Согласно опубликованным патентам и литературным данным, в качестве стабилизаторов .полипропилена могут быть рекомендованы следующие вещества.
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИПРОПИЛЕНА
Тара и упаковка
Полипропилен, в особенности пленка из него, обладает всеми необходимыми свойствами для применения в этой области. По своим характеристикам полипропиленовая пленка близка к полиэтиленовой, причем по некоторым показателям превосходит ее. По сравнению с пленками из других термопластов полипропиленовая пленка имеет преимущество в отношении стойкости к нагреванию и действию химических реагентов (она может быть подвергнута стерилизации при температуре выше 100° С, что определяет целесообразность ее использования в пищевой и фармацевтическом промышленности). Ее достоинствами являются также превосходили гибкость, глянцевитость поверхности, прозрачность, незначительная паропронинаемость, нетоксичность, сравнительно легкая свариваемость и хорошая сопротивляемость усталостной коррозии.
Несколько лет назад начали получать полипропиленовые пленки, ориентированные в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях . Ориентация пленки улучшает ее прочность, жесткость, влагоизоляционные свойства и прозрачность. Прочность пленки, ориентированной в двух направлениях, в 4—8 раз превышает прочность неориентированной. По свариваемости ориентированная пленка уступает неориентированной, поэтому главным потребителем ее как упаковочного материала следует считать галантерею, где она ценна благодаря своей исключительной прозрачности, отсутствию морщинистости - в этом отношении она лучше полиамидной пленки.
Вполне оправдало себя применение полипропилепа для изготовления затворов (пробок), бутылей , контейнеров. Как указывается в литературе , полипропилен может успешно конкурировать с традиционными материалами в отношении экономичности изготовления этих изделий (полипропилен способен формоваться при исключительно коротких циклах). По прочности, ударостойкости и химической стойкости полипропилен превосходит полистирол, а по жесткости, сопротивлению истиранию и внешнему блеску - полиэтилен.
Волокно
Большое количество изотактического полипропилена расходуется на производство волокна. Характерной особенностью полипропиленового волокна является его малая по сравнению с другими видами синтетических волокон плотность (0,905). Из 1 кг полипропилена можно получить 240000 м моноволокна диаметром 0,075 мм , т. е. больше, чем из любого другого синтетического материала, применяемого для производства моноволокон. Малая плотность полипропиленового моноволокна сочетается с исключительной прочностью и высокими эластическими свойствами. В то же время полипропиленовое волокно имеет меньший крип при постоянной нагрузке, более устойчиво к выцветанию и способно выдерживать без изменений воздействие более высоких температур (на 30° С), чем полиэтиленовое. Однако до сих пор не решена проблема стабилизации полипропиленового волокна от ультрафиолетового излучения. Это ограничивает возможность его использования в текстильной промышленности. Серьезными недостатками этого волокна являются также пониженная гигроскопичность (при использовании его для изготовления бельевых тканей), относительно плохая поверхностная окрашиваемость (поэтому нередко практикуется нерациональный метод окрашивания в массе) и не вполне удовлетворительная морозостойкость (20° С для ориентированного волокна).
С целью устранения этих недостатков полипропилен можно модифицировать разными методами, в частности введением в него специальных добавок (например, веществ с хорошими гидрофильными свойствами или содержащих реакционноспособные группы, необходимые для крашения, ультрафиолетовых стабилизаторов, морозостойких добавок и т. п.) , Хотя проблемы модификации полипропилена разрешены еще далеко не полностью, некоторые зарубежные фирмы производят в опытных количествах надлежащим образом стабилизированные и окрашенные волокна, способные выдержать длительную эксплуатацию в условиях воздействия солнечных лучей (под открытым небом). Бесспорно, что решение указанных проблем принципиально возможно и является лишь делом времени.
Применение в машиностроении
Низкий коэффициент трения и высокая износоустойчивость полипропилена позволяют использовать этот перспективный материал для конструкционных и других целей в машиностроительной промышленности, в том числе и там, где химическая стойкость имеет второстепенное значение. Из полипропилена изготовляют, в частности, детали текстильного оборудования (бобины, сепараторы, веретена), вентиляторов, пылесосов, полотеров, холодильников, колпаки п винты машин для стрижки газонов и т. д. . Применение его для этих целей вполне обоснованно: вентиляторы с полипропиленовыми деталями создают меньше шума и более стойки к вибрации, чем металлические, к тому же они более безопасны при случайном попадании пальцев между лопастями, что особенно важно в случае настольных вентиляторов.
В автомобильной промышленности полипропилен пока не получил широкого применения. Это объясняется, в частности, тем, что рабочие части автомобилей проходят длительные испытания на прочность и надежность. Тем не менее европейские автомобилестроители в настоящее время уже изготовляют из полипропилена амортизаторы, приборные щитки, распределительные коробки, штепсельные соединения, блоки предохранителей, рефлекторы, клаксоны, трубопроводы установки для кондиционирования воздуха, педали подачи топлива (сформованные в виде одного целого), оконные детали, дверные прокладки, а также сидения, заполненные полиуретановым пенопластом . Рабочие части, непосредственно контактирующие с керосином или бензином (например, насосы и карбюраторы), целесообразнее изготовлять из полиамида, так как бензин и керосин размягчают полипропилен.
Корпуса насосов для щелока до последнего времени делали из полиэтилена высокого или низкого давления или металла. Металлические детали непригодны для этой цели ввиду химической агрессивности моющих средств, а полиэтиленовые подвержены усталостной коррозии.
К полипропилену был проявлен большой интерес как к материалу для изготовления деталей посудомоечных полуавтоматов, где он ценен благодаря химической стойкости, высокой износоустойчивости и ударопрочности.
Применение в электротехнике
В электротехнической промышленности находят применение формованные детали из полппропилена (например, катушки, обоймы, футляры, ламповые патроны, подставки, детали выключателей и телефонных аппаратов, корпуса радиоприемников, репродукторов, телевизоров и т. п.) , а также изоляционные оболочки и пленка, главным образом в виде ленты.
В качестве материала для изоляции электрических проводов и кабелей полипропилен пока еще не получил широкого признания, несмотря на то, что обладает высокими диэлектрическими свойствами и малой проницаемостью для паров воды. По всей вероятности, это связано с тем, что полипропилсн, как каждый новый изоляционный материал, сначала должен выдержать длительный испытательный срок.
Полипропилен пробовали применять для изоляции электропроводов легкого типа, находящихся под напряжением 220 В. Поскольку для этой цели в настоящее время с успехом применяются другие изоляционные материалы, в частности поливинилхлорид, их замена полипропиленом была бы оправданной только в том случае, если бы он имел явное преимущество перед ними. Внедрение полипропилена означало бы уменьшение веса электроизоляции, а также повышение ее теплостойкости и, как следствие, возможность увеличения допустимой нагрузки в цепи и экономии изоляционного материала. Однако недостаточная гибкость полипропилена в относительно толстом слое ограничивает его применимость для электротехнической изоляции. При снижении толщины полипропиленового покрытия оно приобретает нужную гибкость, но при этом возрастает опасность механического повреждения его.
В высокочастотной технике применение полипропилена затруднено тем, что в нем обычно содержатся остатки катализатора. Существующие технологические методы не обеспечивают достижения требуемой степени чистоты полимера. Правда, для большинства применений незначительное увеличение тангенса угла диэлектрических потерь не является помехой.
В последние годы в технике нашли распространение коммуникационные провода с пеноизоляцией. Полипропиленовый пенопласт может конкурировать в этой области с полиэтиленовым, так как обладает более низкой диэлектрической проницаемостью и лучшими физическими свойствами.
Полипропиленовая пленка в виде ленты широко применяется для различных электротехнических целей. Этому способствуют высокая электрическая прочность тонких пленок, теплостойкость и способность к намотке.
Применение в медецине
Долговременная устойчивость при температурах выше 100° С позволяет использовать полипропилен для изготовления корпусов ингаляторов, которые не подвержены коррозии под действием минеральных вод, применяемых для ингаляции, а также специальных трубок и шлангов.
В медицинской практике уже давно ощущалась потребность в недорогих шприцах разового пользования . Такие шприцы очень удобны на случай дорожных аварий, стихийных бедствий и как обязательная принадлежность военных полевых аптечек. Во всех этих случаях они имеют преимущество по сравнению со стеклянными шприцами, которые тяжелее и гораздо дороже их. Этим и продиктована необходимость замены стекла более легкими и дешевыми материалами, в частности пластмассами. Если учесть, что в данном случае первостепенное значение приобретают физиологическая безвредность и возможность горячей стерилизации (или химической при комнатной температуре), то станет ясно, что для применения в этой области пригодны лишь немногие из современных синтетических материалов, среди которых полипропилен занимает достойное место. Следует заметить, что раньше для этих целей применяли полиэтилен и полистирол.
Пластмассовые шприцы вместе с лекарственным раствором и инъекционной иглой упаковывают в полипропиленовую или полиэтиленовую пленку. При горячей стерилизации полиэтиленовая пленка деформируется, поэтому ее стерилизуют окисью этилена или ионизирующим излучением.
Шприцы из полипропилена превосходны по качеству (которое не ухудшается при многократной стерилизации при температуре до 130° С), не бьются и доступны по цене, вследствие чего за рубежом предполагают заменить ими стеклянные шприцы, применяемые обычно медицинской практике. Немаловажно и то, что технология изготовления полипропиленовых шприцев проще, чем стеклянных.
Содержание
I. Полипропилен
1. Получение
2. Выделение и очистка
3. Анализ
4. Свойства
II. Полимеризация пропилена
1. Стереоспецифическая полимеризация
а) Катализаторы стереоспецифической полимеризации
б) Влияние условий проведения реакции на процесс полимеризации
в) Регулирование свойств продукта
2. Схема производства полипропилена фирмы Монтекатини
3. Сополимеризация пропилена
а) Сополимеризация пропилена с этиленом
III. Структура полипропилена
1. Стереоизомерия
IV. Свойства полипропилена
1. Взаимосвязь структуры и свойств
2. Механические свойства . Диаграмма растяжения .
3. Диэликтрические свойства .
4. Поверхостные свойства .
5. Оптические свойства .
6. Химическая стойкость
7. Токсикологические свойства .
V. Химические реакции полипропилена
1. Термичекая деструкция
2. Реакции, инициированные ионизирующим и ультрафиолетовым излучением.
3. Окисление.
а) Окисление полипропилена воздухом и кислородом
б) Озонирование
в) Другие способы окисления полипропилена
4. Галогенирование и другие реакции замещения
а) Хлорирование полипропилена
б) Влияние содержания хлора на свойства хлорированного полипропилена
в) Применение хлорированного полипропилена
г) Хлорфосфорилирование полипропилена
д) Другие химические методы модификации пропилена
5. Модификация методом привитой полимеризации
а) Привитая полимеризация , основанная на реакции передачи цепи
б) Привитая полимеризация , с предварительным окислением полипропилена
в) Привитая полимеризация под действием радиационного облучения
6. Сшивание полипропилена
VI. Старение и стабилизация полипропилена
1. Механизм реакции окисления
2. Ингибиторы цепной реакции
3. Стабилизаторы полипропилена . Термоокислительные стабилизаторы .
VII. Применение полипропилена
1. Полипропилен как конструкционный материал
2. Тара и упаковка .
3. Волокно .
4. Полипропилен как антикоррозионный материал
5. Применение в машиностроении
6. Применение в электротехнике
7. Применение в медицине
Пропилен
Получение
Пропилен наряду с этиленом и бутиленом относится к числу важнейших видов сырья современной нефтехимической промышленности.
Разнообразие синтезов на основе пропилена является причиной быстрого увеличения объема производства этого продукта. Это наглядно иллюстрируется приведенными ниже данными (табл. 1) по планируемому производству пропилена в США , стране с самой мощной нефтехимической промышленностью.
Значительное расширение производства пропилена намечается и в других промышленно развитых странах.
Источником сырья для промышленного производства пропилена могут служить продукты переработки нефти, а также природные углеводородные газы.
Пропилен получают различными методами: а) разделением газов нефтепереработки, содержащих олефины; б) пиролизом этана и пропана, содержащихся в газах нефтепереработки; в) пиролизом этана и высших алканов, выделенных из природного газа; г) пиролизом жидких углеводородов.
Таблица 1 Планируемое производство мономеров в США (в тыс. т)
| Год | |||
| Мономер | 1955 | 1960 | 1975 |
| Пропилен | 707 | 925 | 1614 |
| Бутилен | 988 | 1121 | 2129 |
| Этилен | 1608 | 2356 | 4711 |
Под газами нефтепереработки подразумеваются газы первичной перегонки нефти, крекинга и риформинга. Их состав зависит от технологических параметров указанных процессов. При нефте-перегонке образуется 25—30% от общего количества газов нефтепереработки. Ниже приведен примерный состав газов (в мол.%), образующихся при переработке нефти на современном нефтеперерабатывающем заводе [2]:
| Инертные газы | 4,1 |
| Водород | 6,1 |
| Метан | 39,1 |
| Этилен | 7,3 |
| Пропилен | 8,9 |
| Этан | 17,5 |
| Пропан | 9,4 |
| Бутаны | 2,6 |
| Пентаны | 1,4 |
| Сероводород | 3,0 |
| Двуокись углерода | 0,6 |
Пиролиз углеводородов природного газа или жидких углеводородных фракций, выделенных из нефти, протекает при температурах свыше 700° С.
В ходе технологического процесса пиролиза в основном осуществляются следующие реакции: а) дегидрогенизация, характеризующаяся разрывом химической связи С—Н; б) деструкция, характеризующаяся разрывом связи С—С; в) реакции изомеризации; г) реакции типа синтезов — полимеризация, циклизация, реакции конденсации и т. п.
Процессы дегидрогенизации и деструкции являются эндотермическими первичными, а все остальные — экзотермическими вторичными реакциями.
При высоких температурах сначала разрывается химическая связь С—С, имеющая меньшую энергию связи (62,8 ккал/моль), чем связь С—Н. Энергия связи С—Н снижается при переходе от первичного к третичному атому углерода: энергия связи атома водорода с первичным атомом углерода составляет 87,0, со вторичным — 85,5 и с третичным — 83,0 ккал/моль .
В зависимости от способа подвода тепла в реакционную зону различают следующие методы пиролиза углеводородов для получения пропилена: а) в трубчатых печах с наружным огневым обогревом; б) с применением в качестве теплоносителя перегретого водяного пара и дымовых газов; в) в регенеративных печах с неподвижной насадкой; г) в регенеративных печах с движущимся теплоносителем; д) окислительный пиролиз (так называемый автотермический процесс, не требующий подвода тепла извне).
Наиболее распространенным методом получения пропилена является пиролиз нефтяного сырья в трубчатых печах. Это объясняется небольшими капитальными затратами на строительство трубчатых пиролизных установок и сравнительной простотой обслуживания.
Для получения пропилена высокой степени чистоты, необходимой для химической переработки, производят разделение пиролизного газа на отдельные компоненты.
Таблица 2
Состав газа, полученного пиролизом бензина (Средний молекулярный вес газа 25,6.)
| Компоненты | Объемн. % | Выход на сырье, вес. % |
| Водород | 14,2 | 0,7 |
| Метан | 23,8 | 9,6 |
| Этилен | 34,9 | 24,6 |
| Этан Пропилен Пропан | 4,2 13,9 0.8 | 3,1 14,8 3,9 |
| Бутадиен | 3,1 | 4,2 |
| Бутилен | 5,0 | 6,9 |
| Бутан | 0,1 | 0,2 |
| Итого | 100,0 | 65,0 |
Выделение и очистка
Разделение газов пиролиза целесообразно осуществлять при повышенном давлении. Перед разделением газ сжимают компрессорами в четыре-пять ступеней и очищают в щелочных промывных аппаратах от кислых примесей. Затем из газа удаляют соединения ацетилена (путем селективного гидрирования на специальном катализаторе или промывкой диметилформамидом) и подвергают его осушке с помощью различных адсорбентов.
Предварительно очищенный от вредных примесей газ разделяют на фракцию С3, содержащую углеводороды с двумя углеродными атомами (этан+этилен), фракцию С3 (пропан+пропилен), фракцию C4 и т. д.
В промышленности для выделения пропилена из пиролизного газа чаще всего применяется метод ректификации, являющийся в технико-экономическом отношении наиболее выгодным.
Анализ
Для производства полипропилена требуется пропилен высокой степени чистоты. Содержание таких примесей, как ацетиленовые и сернистые соединения, кислород, окись и двуокись углерода, не должно превышать сотых и тысячных долей процента.
Удовлетворительным считается пропилен следующего состава (в объемн. ч. на 1 млн.):
Сера ................. 10*
Вода ................. 10
Пропадиен .............. 20
Кислород ............... 10
Окись углерода ........... 10
Карбонилсульфид ........... 10
Ацетилен ............... 5
Этан + пропан ............ 2000
Для определения отдельных компонентов применяют следующие методы аналитического контроля.
Сера. Общую серу определяют сжиганием навески в аппарате Wickbold ‘ a с последующим переводом образовавшегося сернистого ангидрида в серный ангидрид и далее в серную кислоту. Последнюю оттитровывают хлористым барием в присутствии торина в качестве индикатора или же определяют, фотометрически по реакции с хлоранилатом бария .
Ацетилен. Метод определения основан на образовании растворимых комплексных соединений ацетиленидов серебра в концентрированных растворах серебряных солей—азотнокислой, хлорно-кислой, фтористой и кремнефтористоводородной .
Вода. Содержание влаги в пропилене определяют в основном двумя методами: титрованием реактивом Фишера и кулонометрическим методом . Первый способ довольно сложен, а его точность относительно невысока. Правда, его можно усовершенствовать, в таком случае точность анализа составит ±2 ч. на 1 млн. Кулонометрический метод экспериментально очень прост и вместе с тем очень точен. Он основан на электролизе влаги, уловленной из потока анализируемого газа или пара гигроскопической пленкой, например фосфорной кислотой,между двумя платиновыми электродами.
Окись углерода. Используются хроматографические методы .шализа (в качестве адсорбента применяют активированный уголь, а в качестве газа-носителя—водород) или инфракрасная спектроскопия,
Пропадиен. Наиболее совершенным методом определения считается хроматографический, причем в качестве насадки разделительной колонки можно использовать силикат магния, диэтил-формамид и другие вещества. Предельная концентрация пропа-диена в пропилене определяется чувствительностью метода .шализа.
Кислород. Наиболее известны три метода. Первый основан на взаимодействии кислорода с водородом на твердом катализаторе , причем за ходом реакции следят с помощью двух термопар, одна из которых расположена в протекающем газе, а вторая— в каталитическом пространстве. Они соединены по способу встречною включения, так что замеряется разность температур. Точность анализа достигает 10 ч. на 1 млн., она зависит от активности катализатора в течение всего процесса.
Свойства
Пропилен СН2=СН—СН3 (молекулярный вес 42,081) при обычных условиях—бесцветный газ со слабым характерным запахом.
С воздухом пропилен образует взрывоопасные смеси, нижний предел взрываемости которых равен 2,0 , а верхний— 11,1 объемн.%.
| Критические константы: температура, °С | 91,9 |
| давление, кгс/см2 | 45,4 |
| плотность, г/мл | 0,233 0,233 |
| Температура кипения при 760 мм рт: ст., °С Температура плавления при 760 мм рт. ст., °С Температура воспламенения, °С | -47,7 -185,25 -107,8 |
| Температура самовоспламенения в смеси с воздухом, °С | 458 |
| Удельная теплоемкость Ср, ккал/(кг • град) | 0,363/25 |
| Теплота испарения при температуре кипения, ккал/кг Теплота сгорания газа при 25° С до жидкой Н2О и С02, ккaл/мoль | 104,62 491,99 |
| Теплота образования газа DН0298, ккал/моль Коэффициент теплопроводности, ккал/(см • сек • град) | 4,879 3,33. 10-5 |
В концентрации до 4000 ч. на 1 млн. пропилен физиологически безвреден. Оказывает слабонаркотическое действие, несколько более сильное, чем действие этилена. При концентрации 15 объемн.% пропилен вызывает потерю сознания спустя 30 мин, 24%—спустя 3 мин и 35—40% —через 20 сек .
Для пропилена в качестве средства огнетушения применяют двуокись углерода.
ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ ПРОПИЛЕНА
Стереоспецифическая полимеризация
Катализаторы стереосспецифической полимеризации
Открытие стереоспецифических катализаторов представляло большой промышленный интерес и вызвало целый ряд исследований в области полимеризации пропилена и других олефинов. Вскоре после появления первых сообщений о полимеризации этилена при низких давлениях фирмой Монтекатини и Циглером были взяты совместные патенты , в которых описаны основные группы веществ, применяемых в качестве катализаторов. Важнейшие из них следующие:
Соединения переходных металлов: TiCl4, TiCI3, TiCl2, , ацетилацетонат хрома и т. д.
Металлорганические соединения: Al (C2H5)3 , А1(С3Н7)3-Аl(С16Н33)3, , алюминиевые сплавы (например, Mg3Al2) и т. п.
Детальное изучение различных каталитических систем позволило выявить новые типы катализаторов, однако принцип их действия тот же и заключается во взаимодействии металлов органических соединений I, II или III групп периодической системы с соединениями переходных металлов IV—VIII групп. В этой сиязи представляется интересным вспомнить метилтрихлортитан (СН3ТiС13), являющийся, по мнению некоторых исследователей , эффективным катализатором. Однако более глубокое исследование указывает на то, что сначала происходит его разложение на треххлористый титан
RTiCl3 —> TiCl3 + R. (1)
и катализатором служит, следовательно, система ТiС1з+RТiС1з.
Изотактический полипропилен в настоящее время получают только на гетерогенных каталитических системах, в которых переходные металлы находятся в нерастворимой, более или менее кристаллической форме, а металлорганическое соединение растворимо в углеводородной среде. Ниже приводится краткое описание получения металлорганических соединений алюминия, триэтилалюминия и диэтилалюминийхлорида, а также треххлористого титана, представляющих собой наиболее широко распространенные и технологически наиболее хорошо разработанные системы катализаторов.
Получение алюминийорганических соединений
Алкилпроизводные алюминия, применяемые в качестве катализаторов стереоспецифической полимеризации пропилена, представляют собой бесцветные, на воздухе самовоспламеняющиеся жидкости; с водой и веществами, содержащими подвижный атом водорода (спирты, органические кислоты и т. п.), реагируют в концентрированном состоянии со взрывом. При незначительном доступе воздуха и влаги окисляются до соответствующих алкоксипроизводных или гидролизуются до гидроокиси алюминия. С другими донорными соединениями (такими, как простые эфиры, амины, сульфиды) они образуют различные устойчивые комплексы, которые значительно меняют каталитическую активность. Высшие гомологи, начиная с триизобутилалюминия, отличаются уже меньшей реакционной способностью, но и они на воздухе неустойчивы, поэтому работать с ними необходимо в атмосфере инертных газов (азот, гелий, аргон и т. п.; двуокись углерода не является инертным газом).
Триэтилалюминий. Температура кипения 194° С при 760 мм рт. ст. (с частичным разложением) и 63° С при 1 мм рт. ст., плотность 0,84 г/см3, показатель преломления n20d=1,480, с углеводородами смешивается в любых соотношениях. При нормальной температуре примерно на 90% ассоциируется с образованием димера :
Алюминийорганические соединения могут быть получены по общему для металлорганических соединений методу, который заключается в обмене алкилов между диалкилпроизводными ртути и алюминием :
Реакция протекает с избытком алюминия при 100—120° С практически количественно. Для крупного производства, однако, этот метод не годится из-за трудности получения исходных алкилпроизводных ртути, с одной стороны, и их высокой токсичности, с другой.
Циглер модифицировал этот метод, предложив заменить натрий гидридом натрия :
В результате реакции, которую можно осуществлять в углеводородной среде (например, в гексане или циклогексане), получается раствор диэтилалюминийгидрида. Этот раствор затем непосредственно переводится в триэтилалюминий действием этилена при 70—80° С и повышенном давлении:
Данная реакция составляет сущность так называемого прямого синтеза триэтилалюминия , уравнение которого можно записать в виде:
При проведении реакции возникают известные трудности; особенно сложно приготовить алюминий в тонкоизмельченной активной форме без поверхностных оксидных пленок. Измельчение можно проводить на вибрационных мельницах в среде =50% раствора триэтилалюминия. Полученная суспензия активного алюминия затем вступает в реакцию с водородом в автоклаве при 10-120° С, давлении водорода 20—30 ат и в присутствии в качетве катализатора пористого титана:
На следующей стадии проводится реакция (7), и весь цикл повторяется сначала.
Хотя в настоящее время в промышленности применяются оба посмотренных метода синтеза триэтилалюминия, прямой синтез в будущем непременно получит преимущественное развитие, так как в этом случае практически отсутствуют трудно утилизируемые отходы производства .
Диэтилалюминийхлорид можно с успехом применять вместо триэтилалюминия в каталитических системах с a , g , d-модификациями треххлористого титана. Физические свойства диэтилалю-минийхлорида: температура кипения при 760 мм рт. ст. 208° С, при 0,9 мм рт. ст. 44° С; плотность 0,9736 г/мл; температура плавления —74° С; вязкость 1,45 спз при 23° С. С алифатическими и ароматическими углеводородами смешивается в любом соотношении. Степень ассоциации до мостиковой димерной структуры выше, чем у триэтилалюминия и этилалюминийхлорида.
В производстве диэтилалюминийхлорид получают из этилалюминийсесквихлорида, однако вместо реакции с NaСl применяется частичное дегалогенирование металлическим натрием по схеме:
Дата: 2019-07-24, просмотров: 188.
