Syntéza polymerů

• Technologie polyethylenu
• Technologie polypropylenu
• Syntéza speciálních polymerů
• Přehled experimentálního vybavení

Výzkum syntézy polymerů má v institutu dlouholetou tradici; zabývají se jím vysoce kvalifikovaní pracovníci, kteří mají k dispozici specializovaná zařízení (počítačem řízené polymerační reaktory, možnosti práce v extrémně čistých a inertních prostředích, čtvrtprovozní a poloprovozní zařízení, systémy pro přípravu a hodnocení katalyzátorů a výsledných polymerů).

Výzkumné týmy jsou zaměřeny především na polymerace ethylenu a propylenu pomocí heterogenních Zieglerových-Nattových, chromových, případně metalocenových katalytických systémů. Experimentální zařízení umožňuje rovněž studium vlivu katalytických jedů na chování polymeračních katalyzátorů.

Technologie polyethylenu

• Výzkum a vývoj katalytických systémů pro přípravu PE
• Vývoj a optimalizace polymeračních procesů v laboratorním měřítku (polymerace z plynné fáze, v suspenzi) poskytujících možnost modelování provozních procesů
• Inovace užitných vlastností polyetylénů

Výzkum a vývoj katalytických systémů pro přípravu PE

Pozornost je soustředěna především na nosičové katalytické systémy na bázi sloučenin Ti, Cr a Zr, které jsou používány na výrobních jednotkách.

Vedle komerčních katalyzátorů jsou studovány i modelové systémy (na bázi sloučenin Ti, Cr a Zr) poskytující cenné informace při optimalizaci vlastností komerčních nebo vývojových systémů. Nedílnou součástí katalyzátorů je nosič - obvykle se používá oxid křemičitý (silika) - koncentrace OH-skupin na povrchu a jejich uspořádání mají vliv na výsledné vlastnosti katalytického systému. Z tohoto důvodu zahrnuje výzkum katalytických systémů i systematické studium a vývoj metod vhodných k charakterizaci povrchu nosičů a interakce s jednotlivými složkami systémů.

Testování katalytických systémů je založeno na vyhodnocení jak polymeračních testů v laboratorních reaktorech o objemu 1.8 a 3.0L, tak i vlastností získaného polymeru pomocí metod strukturní analýzy a mechanických vlastností.

Výsledkem systematické činnosti výzkumné skupiny je vývoj originálního katalytického systému (na bázi Cr sloučenin), který je komerčně využíván při výrobě matrice splňující podmínky trubkového typu PE 80. Katalyzátor je používán i k výrobě fólií a vyfukovaných předmětů.

Další oblastí výzkumu je studium vlivu nečistot na polymerační chování katalytických systémů. Studie jsou prováděny za polymeračních podmínek blízkých průmyslové praxi, výsledky pak slouží při návrhu systému čistících kolon polymeračních medií. Speciální dávkovací zařízení umožňuje vyhodnocování vlivu stopových množství katalytických jedů (např. COS, NH₃, butadien, O₂, CO, CO₂ apod.) na aktivitu katalytického systému a na vlastnosti získaného polymeru. Pomocí tohoto zařízení je možné dávkovat nečistoty v množství od 0.1 ppm a to jak jednorázově v jakémkoliv okamžiku polymerace, tak i kontinuálně.

• syntéza katalyzátorů jakož i následné operace s nimi se provádí na vysoko-vakuových skleněných linkách
• aktivace nosiče (siliky) lze provést v množství cca 15 g na laboratorním aktivátoru, v množství cca 3 kg na poloprovozním zařízení
• charakterizace nosiče: chemické složení, specifický povrch (SA), objem a distribuce pórů (PV), distribuce velikosti částic (PSD) - Malvern, DTA analýza, SEM a TEM kvantitativní a kvalitativní metody sledování koncentrace a typu OH-skupin nosiče - volumetrie (titrace OH-skupin siliky s alkylhlinitými sloučeninami), IR, NIR a DRIFT spektroskopie

Vývoj a optimalizace polymeračních procesů v laboratorním měřítku

Polymerační testy jsou prováděny na originálních ocelových reaktorech, které byly vyvinuty v PIB. Velkou výhodou je flexibilita systému, která umožňuje provádět polymerace v širokém rozmezí polymeračních podmínek. Reaktor byl původně navržen pro proces polymerace z plynné fáze s mechanicky míchaným fluidním ložem, lze jej však snadno upravit i pro proces polymerace v suspenzi.

• řídit polymerační podmínky (teplota, otáčky míchadla, dávkování vodíku a komonomeru)
• zaznamenávat data z probíhající polymerace

K reaktoru je připojen GC umožňující on-line analýzu polymerační směsi, čehož je využíváno pro regulaci obsahu složek polymerační násady; formou kontinuálního dávkování jsou udržovány koncentrace vodíku a komonomeru na požadovaných hladinách.

Reaktor umožňuje v laboratorních podmínkách testovat účinnost komerčních i vývojových typů katalytických systémů, sledovat polymerační kinetiku, studovat chování nosičového katalyzátoru v průběhu polymerace (např. tvorbu aglomerátů, úsad na stěnách reaktorů, vedlejší reakce - oligomeraci, hydrogenaci). Systém je vhodný jak pro hodnocení vlastností katalytických systémů, tak pro přípravu vzorků polymerů za podmínek velmi blízkých podmínkám reálné průmyslové výroby.

Flexibilitu polymeračního reaktoru dokládá i vývoj postupu přípravy bimodálních vzorků PE, které jsou v průmyslové praxi připravovány v kaskádě reaktorů.

Inovace užitných vlastností

Při inovaci vlastností polymerní matrice vycházíme ze znalosti vztahu závislosti mechanických vlastností na strukturních parametrech polymerní matrice. Podle rozsahu požadovaných změn lze postupovat buď méně náročnou cestou - optimalizací polymeračních podmínek, nebo zásadnějším postupem - modifikaci vlastností katalytického systému.

• analýza strukturních parametrů (GPC, TREF, FTIR, DSC-SSA, SIS)
• hodnocení kritických mechanických vlastností pomocí standardních technik (zkoušky tahem a ohybem, ESCR; pro trubkové aplikace jsou pak hodnoceny RCP - pomocí S4 testu, SCG - pomocí FNCT a PENT testu), vývoj alternativních metod (RCP - pomocí PSI, SCG - pomocí tahové zkoušky)

V současné době se pracuje na vývoji metody hodnocení sendvičových vzorků PENT či FNCT testem, sendvič představuje těleso, kde testovaný vzorek v množství cca 200 mg představuje frakci získanou z TREF.

Technologie polypropylenu

Hlavní činnost je zaměřena na homopolymeraci propylenu, jeho kopolymeraci (statistickou a blokovou) s jinými 1-alkeny, jak v uhlovodíkové suspenzi, tak i v kapalném propylenu a z plynné fáze. Jsou k dispozici unikátní počítačem ovládané reaktory s napojením na plynový chromatograf a systémy sběru a zpracování dat.

Syntetizované polymery pak mohou být dále studovány z hlediska jejich struktury a fyzikálně-mechanických vlastností. Je možno měřit následující parametry:

• index toku taveniny, množství rozpustných frakcí, extrahovatelné frakce, hustotu, distribuci velikostí částic, sypnou hmotnost, morfologii, porozitu a sypné vlastnosti částic polymeru
• strukturní charakteristiky pomocí DSC, ¹H-, ¹³C-NMR a pulsního ¹H-NMR, GPC, FTIR, SIS/DSC, TREF apod.
• pevnost v tahu, houževnatost, tuhost, odolnost proti tepelnému namáhání, tvrdost

Příklady výzkumných činností:

• hodnocení struktury a vlastností materiálů na bázi polypropylenu
• zkoumání vlivu určitých nečistot v surovinách na kinetiku polymeračního procesu a vlastnosti výsledného polymeru
• hodnocení kvality polymeračních katalyzátorů a polymeračních surovin
• čištění surovin na úroveň polymerační čistoty (až na hladinu pod 10 ppb kritických nečistot)
• vývoj katalytických systémů na bázi komerčních katalyzátorů pro příslušný polymerační proces
• kooperace s hlavními světovými výrobci katalyzátorů polymerace olefinů
• teoretické studie kinetiky polymerace včetně stanovení koncentrace aktivních center
• vývoj nových nebo modifikovaných typů polypropylenu (homopolymery, blokové a statistické kopolymery)

Syntéza speciálních polymerů

Základní výzkum v oblasti syntézy polymerů je realizován buď jako součást řešení projektů z oblasti aplikovaného výzkumu, nebo prostřednictvím diplomových a doktorských prací, prováděných pod vedením specialistů-školitelů v laboratořích společnosti. Náměty těchto prací jsou voleny s cílem prohloubit teoretické znalosti a experimentální dovednosti v syntéze polymerů s ohledem na problematiku, řešenou v rámci odborů technologie PE a PP (např. syntéza syndiotaktického polystyrenu nebo ethylen-styrenových interpolymerů pomocí metalocenových katalyzátorů).

Přehled experimentálního vybavení