เอทิลีนเกิดขึ้นได้อย่างไร? คู่มือกระบวนการ ประเภท และอุตสาหกรรม

โพลีเอทิลีนก่อตัวอย่างไร: คำตอบโดยตรง

โพลีเอทิลีนเกิดขึ้นจากกระบวนการทางเคมีที่เรียกว่า นอกจากนี้การเกิดพอลิเมอไรเซชัน ซึ่งหน่วยเอทิลีนโมโนเมอร์ (C₂H₄) หลายพันหน่วยเชื่อมโยงกันเป็นสายโซ่โมเลกุลยาวภายใต้อิทธิพลของความร้อน ความดัน และตัวเร่งปฏิกิริยา ผลลัพธ์ที่ได้คือหนึ่งในโพลีเมอร์สังเคราะห์ที่มีการผลิตกันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในโลก โดยมีผลผลิตทั่วโลกเกินกว่านั้น 120 ล้านเมตริกตันต่อปี .

ก๊าซเอทิลีนที่ใช้เป็นวัสดุตั้งต้นเกือบทั้งหมดได้มาจากวัตถุดิบเชื้อเพลิงฟอสซิล โดยส่วนใหญ่เป็นก๊าซธรรมชาติเหลวและแนฟทาจากการกลั่นน้ำมันดิบ นี่เป็นความแตกต่างที่สำคัญเมื่อเปรียบเทียบโพลีเอทิลีนกับตระกูลโพลีเมอร์อื่นๆ ต่างจากโพลีเอไมด์ซึ่งแหล่งที่มาอาจรวมถึงวัตถุดิบตั้งต้นจากปิโตรเลียมและชีวภาพ เช่น น้ำมันละหุ่งหรือน้ำตาลหมัก ในอดีตโพลีเอทิลีนพึ่งพาห่วงโซ่อุปทานปิโตรเคมีเกือบทั้งหมดเท่านั้น แม้ว่าในปัจจุบันจะมีรูปแบบทางชีวภาพเกิดขึ้นแล้วก็ตาม

การทำความเข้าใจกระบวนการขึ้นรูปมีความสำคัญไม่เพียงแต่จากมุมมองทางเคมีเท่านั้น แต่ยังรวมถึงวิศวกร ผู้จัดการฝ่ายจัดซื้อ และทีมงานด้านความยั่งยืนที่ประเมินการเลือกวัสดุในตระกูลโพลีเมอร์ รวมถึงตัวเลือกแหล่งโพลีเอไมด์ด้วย

เคมีเบื้องหลังการก่อตัวของโพลีเอทิลีน

ที่แกนกลาง การเกิดพอลิเมอไรเซชันของเอทิลีนเกี่ยวข้องกับการทำลายพันธะคู่คาร์บอน-คาร์บอน (C=C) ในแต่ละโมเลกุลของเอทิลีน และใช้อิเล็กตรอนอิสระที่เกิดขึ้นเพื่อสร้างพันธะเดี่ยวใหม่กับโมโนเมอร์ที่อยู่ใกล้เคียง กลไกการเติบโตของลูกโซ่นี้สร้างหน่วยการทำซ้ำ –(ช₂–ช₂)– ที่กำหนดโครงสร้างของโพลีเอทิลีน

การเริ่มต้น การขยายพันธุ์ และการสิ้นสุด

การเติมโพลีเมอไรเซชันจะดำเนินการในสามขั้นตอนที่แตกต่างกัน:

• การเริ่มต้น: ตัวเร่งปฏิกิริยาหรือตัวริเริ่มจะสร้างสายพันธุ์ที่เกิดปฏิกิริยา ไม่ว่าจะเป็นอนุมูลอิสระ คาร์โบเคชัน หรือคาร์บาเนียน ซึ่งจะโจมตีพันธะคู่ของโมเลกุลเอทิลีน
• การขยายพันธุ์: ปลายโซ่ที่ทำปฏิกิริยาจะเพิ่มเอทิลีนโมโนเมอร์ใหม่ซ้ำๆ เพื่อขยายโซ่โพลีเมอร์ แต่ละขั้นตอนเพิ่มเติมนั้นรวดเร็ว — ในบางกระบวนการ เชนจะเติบโตในอัตราหลายพันหน่วยต่อวินาที
• การสิ้นสุด: ปฏิกิริยาลูกโซ่จะสิ้นสุดลงเมื่อสายโซ่ที่กำลังเติบโตสองสายชนกัน หรือเมื่อบริเวณที่เกิดปฏิกิริยาดับลงโดยสารถ่ายโอนหรือสิ่งเจือปน

ระดับของการเกิดพอลิเมอไรเซชัน — จำนวนหน่วยโมโนเมอร์ที่ต่อเข้ากับสายโซ่ — จะเป็นตัวกำหนดน้ำหนักโมเลกุล ซึ่งจะควบคุมคุณสมบัติทางกล เช่น ความต้านทานแรงดึง ความยืดหยุ่น และความต้านทานแรงกระแทก เกรดโพลีเอทิลีนเชิงพาณิชย์มักมีน้ำหนักโมเลกุลตั้งแต่ 50,000 ถึงมากกว่า 6 ล้านกรัมต่อโมล สำหรับน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษที่ใช้ในการปลูกถ่ายทางการแพทย์และแผ่นบุรองกันกระสุน

กระบวนการผลิตที่สำคัญที่ใช้ในอุตสาหกรรม

มีการใช้กระบวนการทางอุตสาหกรรมที่แตกต่างกันหลายอย่างเพื่อผลิตโพลีเอทิลีน แต่ละเกรดผลิตเกรดที่แตกต่างกันโดยมีโปรไฟล์คุณสมบัติที่แตกต่างกัน และแต่ละเกรดทำงานภายใต้สภาวะอุณหภูมิ ความดัน และระบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน

กระบวนการอนุมูลอิสระแรงดันสูง (แอลดีพีอี)

ผลิตโพลีเอทิลีนความหนาแน่นต่ำ (LDPE) โดยใช้ แรงดันระหว่าง 1,000 ถึง 3,000 บาร์ และอุณหภูมิ 150–300°C เปอร์ออกไซด์อินทรีย์หรือออกซิเจนทำหน้าที่เป็นตัวริเริ่มอนุมูลอิสระ ภายใต้สภาวะที่รุนแรงเหล่านี้ การแตกกิ่งก้านของโซ่บ่อยครั้งเกิดขึ้นเมื่อโซ่ที่กำลังเติบโต "กัดด้านหลัง" ลงบนตัวมันเอง ทำให้เกิดสถาปัตยกรรมโมเลกุลที่มีการแตกแขนงสูง การแตกแขนงนี้จะช่วยลดความเป็นผลึก ส่งผลให้ได้วัสดุที่อ่อนนุ่ม ยืดหยุ่น และโปร่งใสได้ดี

LDPE ยังคงใช้กันอย่างแพร่หลายในฟิล์มพลาสติก ถุงหิ้ว และภาชนะที่บีบได้ โดยทั่วไปความหนาแน่นจะอยู่ในช่วง 0.910–0.940 ก./ซม.3 .

การเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta (เอชดีพีอี และ แอลแอลดีพีอี)

พัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950 โดย Karl Ziegler และ Giulio Natta ซึ่งเป็นผลงานที่ทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1963 ตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta คือสารประกอบโลหะทรานซิชัน (โดยทั่วไปจะใช้ไทเทเนียม) กระตุ้นด้วยอะลูมิเนียมอัลคิล ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ทำให้เกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันที่ ความกดอากาศต่ำ (2–50 บาร์) และอุณหภูมิ 60–90°C โดยผลิตโพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE) โดยมีการแตกแขนงน้อยมากและมีความเป็นผลึกสูง

HDPE มีความหนาแน่นของ 0.941–0.970 ก./ซม.³ และมีความแข็งกว่าและทนทานต่อสารเคมีมากกว่า LDPE มันถูกใช้ในท่อน้ำ ถังเชื้อเพลิง ขวด ​​และ geomembranes นอกจากนี้ โพลีเอทิลีนความหนาแน่นต่ำเชิงเส้น (LLDPE) ยังผลิตโดยใช้ระบบ Ziegler-Natta แต่ควบคุมการรวมตัวของโคโมโนเมอร์ (เช่น บิวทีนหรือเฮกซีน) เพื่อให้เกิดการแยกกิ่งสายโซ่สั้นในลักษณะที่มีการควบคุมมากกว่าเส้นทางแรงดันสูง

การเร่งปฏิกิริยาเมทัลโลซีน

ตัวเร่งปฏิกิริยา Metallocene ได้รับการพัฒนาตั้งแต่ทศวรรษ 1980 เป็นต้นไป ให้การเร่งปฏิกิริยาที่จุดเดียว ซึ่งหมายความว่าทุกจุดที่ทำงานบนตัวเร่งปฏิกิริยาจะมีพฤติกรรมเหมือนกัน ซึ่งจะทำให้เกิดโพลีเอทิลีนด้วย การกระจายน้ำหนักโมเลกุลที่แคบมาก และการรวมตัวของคอมโมโนเมอร์ที่มีความสม่ำเสมอสูง ผลลัพธ์ที่ได้คือคุณสมบัติทางแสงที่เหนือกว่า ประสิทธิภาพการซีลที่ดีขึ้น และความสม่ำเสมอทางกลที่เพิ่มขึ้น

โพลีเอทิลีน Metallocene เป็นที่ต้องการในการใช้งานฟิล์ม บรรจุภัณฑ์ทางการแพทย์ และวัสดุสัมผัสอาหารที่มีความชัดเจนสูง พวกเขาควบคุมราคาระดับพรีเมียมแต่ให้ประสิทธิภาพในระดับที่ไม่สามารถบรรลุได้ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาทั่วไป

กระบวนการฟิลลิปส์ (ตัวเร่งปฏิกิริยาโครเมียมออกไซด์)

กระบวนการ Phillips ซึ่งค้นพบที่ Phillips Petroleum ในช่วงต้นทศวรรษ 1950 ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโครเมียมออกไซด์บนส่วนรองรับซิลิกา ทำงานที่ความดันปานกลางและผลิต HDPE ที่มีการกระจายน้ำหนักโมเลกุลที่กว้าง ซึ่งให้ความสามารถในการขึ้นรูปที่ดีเยี่ยมในการใช้งานแม่พิมพ์เป่า ประมาณ 40% ของการผลิต HDPE ทั่วโลก คาดว่าจะใช้กระบวนการฟิลลิปส์หรืออนุพันธ์ของมัน

ประเภทของโพลีเอทิลีนและคุณสมบัติ

สภาวะการเกิดพอลิเมอไรเซชันและระบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ระหว่างการก่อตัวจะเป็นตัวกำหนดประเภทของโพลีเอทิลีนที่ผลิตได้โดยตรง ตารางด้านล่างสรุปเกรดเชิงพาณิชย์ที่สำคัญ:

โดยพื้นฐานแล้วแต่ละเกรดจะมีแกนหลักโพลีเมอร์เดียวกัน นั่นคือหน่วยเอทิลีนที่ทำซ้ำ แต่สถาปัตยกรรมของการแตกแขนงและการกระจายน้ำหนักโมเลกุลที่สร้างขึ้นระหว่างการก่อตัวจะเป็นตัวกำหนดว่าวัสดุจะมีพฤติกรรมอย่างไรในการให้บริการ

ต้นกำเนิดวัตถุดิบ: เอทิลีนมาจากไหน?

ก่อนที่จะเกิดโพลีเอทิลีนได้ จะต้องผลิตเอทิลีนโมโนเมอร์ก่อน ขั้นตอนต้นน้ำนี้เป็นขั้นตอนที่ใช้พลังงานมากและแสดงถึงปริมาณการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ของโพลีเอทิลีนที่ใหญ่ที่สุด

การแตกตัวด้วยไอน้ำของไฮโดรคาร์บอน

เส้นทางหลักสู่เอทิลีนทั่วโลกคือ การแตกร้าวของไอน้ำ ซึ่งแนฟทา อีเทน โพรเพน หรือวัตถุดิบตั้งต้นไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ ถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิ 750–900°ซ ต่อหน้าไอน้ำ สิ่งนี้จะแยกโมเลกุลขนาดใหญ่ออกเป็นชิ้นเล็ก ๆ รวมถึงเอทิลีน โพรพิลีน บิวทาไดอีน และอะโรเมติกส์ การแตกร้าวด้วยไอน้ำมีส่วนรับผิดชอบต่อการจัดหาเอทิลีนส่วนใหญ่ของโลก

ในตะวันออกกลางและอเมริกาเหนือ อีเทนจากก๊าซธรรมชาติเป็นวัตถุดิบตั้งต้นสำหรับแคร็กที่ต้องการ เนื่องจากมีจำหน่ายและมีต้นทุนต่ำ ในขณะที่ผู้ผลิตในยุโรปและเอเชียในอดีตพึ่งพาแนฟทาจากการกลั่นน้ำมันมากขึ้น ภูมิศาสตร์วัตถุดิบตั้งต้นนี้มีอิทธิพลต่อความสามารถในการแข่งขันด้านต้นทุนของผู้ผลิตโพลีเอทิลีนในภูมิภาคต่างๆ

เอทิลีนชีวภาพ

ทางเลือกใหม่คือโพลีเอทิลีนชีวภาพที่ผลิตจากเอทานอลที่ได้จากอ้อยหรือข้าวโพด Braskem ของบราซิลผลิต HDPE และ LLDPE สีเขียวมาตั้งแต่ปี 2010 โดยใช้เอทานอลจากอ้อยที่ถูกทำให้แห้งเพื่อผลิตเอทิลีน รอยเท้าคาร์บอนของวัสดุนี้ลดลงอย่างมาก จากการประเมินวงจรชีวิตบางประการ โพลีเอทิลีนสีเขียวจะกักเก็บCO₂ในระหว่างการเจริญเติบโตของพืชมากกว่าที่ปล่อยออกมาในระหว่างการผลิต ทำให้มีคาร์บอนเป็นลบสุทธิต่อตันของพอลิเมอร์

สิ่งนี้แตกต่างกับกลยุทธ์การจัดหาโพลีเอไมด์ ซึ่งโพลีเอไมด์จากชีวภาพมีความก้าวหน้ามากขึ้นและรวดเร็วยิ่งขึ้นในตลาดเฉพาะบางแห่ง การถกเถียงเรื่องแหล่งโพลีเอไมด์ — ปิโตรเคมีกับชีวภาพ — คล้ายคลึงกับสถานการณ์ในโพลีเอทิลีน แต่มีเคมีวัตถุดิบตั้งต้นที่แตกต่างกันและปัจจัยขับเคลื่อนทางเศรษฐกิจ

โพลีเอทิลีนกับโพลีเอไมด์: ความแตกต่างของการก่อตัวและการพิจารณาวัตถุดิบตั้งต้น

พอลิเอทิลีนและโพลีเอไมด์เป็นทั้งพอลิเมอร์เชิงวิศวกรรมที่มีปริมาณสูง แต่เคมีในการก่อตัวและต้นกำเนิดของสารตั้งต้นแตกต่างกันอย่างมาก การทำความเข้าใจความแตกต่างเหล่านี้ช่วยให้ผู้เลือกวัสดุตัดสินใจได้อย่างมีข้อมูล

เคมีของการก่อตัว: การเติมและการควบแน่น

เอทิลีนขึ้นรูปโดย นอกจากนี้การเกิดพอลิเมอไรเซชัน — ไม่มีโมเลกุลขนาดเล็กถูกไล่ออกในระหว่างการเจริญเติบโตของสายโซ่ และโมโนเมอร์และโพลีเมอร์มีสูตรเชิงประจักษ์เหมือนกัน ในทางตรงกันข้าม โพลีเอไมด์ก่อตัวผ่านเป็นหลัก การรวมตัวของพอลิเมอไรเซชัน โดยที่โมโนเมอร์ เช่น ไดเอมีนและกรดไดคาร์บอกซิลิกทำปฏิกิริยากับการกำจัดน้ำ ตัวอย่างเช่น ไนลอน 6,6 ถูกสร้างขึ้นจากเฮกซาเมทิลีนไดเอมีนและกรดอะดิปิก โดยจะปล่อยน้ำในแต่ละขั้นตอนการก่อพันธะ

ความแตกต่างพื้นฐานในกลไกการเกิดปฏิกิริยานี้นำไปสู่ผลที่ตามมาในทางปฏิบัติ: โซ่โพลีเอไมด์มีส่วนเชื่อมต่อของเอไมด์ (–CO–NH–) ซึ่งทำให้วัสดุมีขั้วโดยธรรมชาติและสามารถพันธะไฮโดรเจนได้ ทำให้ทนทานต่อน้ำมันได้ดีขึ้นและมีอุณหภูมิการใช้งานสูงกว่าเมื่อเทียบกับโพลีเอทิลีน HDPE อ่อนตัวลงโดยรอบ 120–130°ซ ในขณะที่ไนลอน 6,6 จะรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างได้สูงสุด 180°C หรือสูงกว่า ในเกรดที่ไม่สำเร็จ

แหล่งโพลีเอไมด์ : เส้นทางปิโตรเคมีและชีวภาพ

เมื่อประเมินตัวเลือกแหล่งโพลีเอไมด์ ทีมจัดซื้อจะพบกับความหลากหลายของวัตถุดิบมากกว่าโพลีเอทิลีน โมโนเมอร์โพลีเอไมด์ทั่วไปและแหล่งที่มา ได้แก่:

• คาโปรแลคตัม (ไนลอน 6): มาจากไซโคลเฮกเซนซึ่งมีที่มาจากเบนซีนซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ปิโตรเคมี คาโปรแลคตัมชีวภาพบางเส้นทางอยู่ระหว่างการพัฒนาโดยใช้การหมักไลซีน
• เฮกซาเมทิลีนไดเอมีน / กรดอะดิปิก (ไนลอน 6,6): ทั้งปิโตรเคมีตามอัตภาพ กรดอะดิปิกจากกลูโคสชีวภาพมีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์จากบริษัทต่างๆ เช่น Verdezyne และ Rennovia
• กรด Sebacic (ไนลอน 6,10 และไนลอน 10,10): มาจากน้ำมันละหุ่ง ทำให้เป็นแหล่งโพลีเอไมด์ชีวภาพที่มีชื่อเสียง Rilsan PA11 ของ Arkema ผลิตจากน้ำมันละหุ่งทั้งหมด ปริมาณคาร์บอนจากชีวภาพ 100% .
• กรดโดเดแคนไดอิก (ไนลอน 12): ส่วนใหญ่เป็นปิโตรเคมี แม้ว่าเส้นทางชีวภาพบางเส้นทางผ่านการหมักยีสต์ของอัลเคนยังอยู่ระหว่างการตรวจสอบ

ความหลากหลายของวัตถุดิบตั้งต้นจากแหล่งโพลีเอไมด์ช่วยให้ผู้กำหนดสูตรมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการกำหนดเป้าหมายการรับรองความยั่งยืนหรือลดการปล่อยก๊าซขอบเขต 3 ตัวเลือกวัตถุดิบของโพลีเอทิลีนยังคงแคบลง แม้ว่า bio-PE จากอ้อยจะได้รับการพิสูจน์ในเชิงพาณิชย์ในวงกว้างก็ตาม

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพโดยสรุป

บทบาทของตัวเร่งปฏิกิริยาในการกำหนดโครงสร้างพอลิเมอร์

ระบบตัวเร่งปฏิกิริยาถือเป็นตัวแปรที่สำคัญที่สุดเพียงตัวเดียวในการก่อตัวของโพลีเอทิลีน มันกำหนดไม่เพียงแต่ความเร็วของการเกิดพอลิเมอไรเซชันเท่านั้น แต่ยังกำหนดสถาปัตยกรรมของโซ่ที่เกิดขึ้น ซึ่งลดหลั่นลงสู่คุณสมบัติดาวน์สตรีมทุกประการที่วัสดุจัดแสดง

ผู้ริเริ่มอนุมูลอิสระ

ใช้ในกระบวนการ LDPE แรงดันสูง ตัวเริ่มปฏิกิริยาอนุมูลอิสระจะสร้างอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่ซึ่งจะโจมตีพันธะคู่ของเอทิลีน เนื่องจากปฏิกิริยาไม่จำเพาะต่อสเตอริโอ การแตกแขนงของสายโซ่จึงเกิดขึ้นแบบสุ่ม ส่งผลให้มีความเป็นผลึกต่ำ ออกซิเจนสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเริ่มต้นที่ความดันสูงมาก แม้ว่าเปอร์ออกไซด์อินทรีย์ เช่น ได-เติร์ต-บิวทิลเปอร์ออกไซด์ มักใช้เพื่อการควบคุมที่ดีขึ้น ความเข้มข้นของตัวริเริ่มจะถูกรักษาให้ต่ำมาก โดยมักจะอยู่ในช่วงส่วนต่างๆ ในล้านส่วน เนื่องจากความเข้มข้นเหล่านี้มีอิทธิพลต่อน้ำหนักโมเลกุล

ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะทรานซิชั่น (Ziegler-Natta)

โดยทั่วไป ระบบตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta ประกอบด้วยไทเทเนียมเตตระคลอไรด์ (TiCl₄) รวมกับไตรเอทิลอะลูมิเนียม (AlEt₃) ศูนย์กลางไทเทเนียมประสานกับเอทิลีนโมโนเมอร์ ทำให้สามารถแทรกเข้าไปในสายโซ่โพลีเมอร์ที่กำลังเติบโตในลักษณะควบคุมแบบสามมิติ สิ่งนี้จะสร้างโซ่เชิงเส้นที่มีการแตกแขนงน้อยที่สุด ดังนั้นจึงมีลักษณะความเป็นผลึกและความหนาแน่นสูงของ HDPE

ตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta ที่รองรับสมัยใหม่ โดยที่ TiCl₄ สะสมอยู่บนตัวรองรับแมกนีเซียมคลอไรด์ (MgCl₂) ทำให้ระดับกิจกรรมเพิ่มขึ้นอย่างมาก ผลผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาของ พอลิเมอร์ 10,000–50,000 กรัมต่อตัวเร่งปฏิกิริยาหนึ่งกรัม สามารถทำได้ หมายความว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่ตกค้างในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายมีปริมาณต่ำจนไม่จำเป็นต้องกำจัดอีกต่อไป

ตัวเร่งปฏิกิริยา Metallocene

ตัวเร่งปฏิกิริยา Metallocene ประกอบด้วยโลหะทรานซิชัน (โดยทั่วไปคือเซอร์โคเนียมหรือไทเทเนียม) ประกบอยู่ระหว่างลิแกนด์วงแหวนไซโคลเพนทาไดนิลสองตัว เมื่อกระตุ้นโดยเมทิลอะลูมิโนเซน (MAO) หรือโคคาทาลิสต์บอเรต ศูนย์กลางของโลหะแต่ละอันจะทำงานเหมือนกันกับตำแหน่งที่เกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน ความสม่ำเสมอของไซต์ที่ทำงานอยู่จะสร้างโซ่ที่เกือบจะมีความยาวและองค์ประกอบเท่ากัน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่แปลโดยตรงเป็นการกระจายน้ำหนักโมเลกุลที่แคบลง จุดหลอมเหลวที่สม่ำเสมอมากขึ้น และหน้าต่างอุณหภูมิการปิดผนึกที่ดีกว่าสำหรับการใช้งานฟิล์ม

เรขาคณิตของสถาปัตยกรรมลิแกนด์รอบๆ จุดศูนย์กลางโลหะยังสามารถถูกออกแบบเพื่อควบคุมภาวะสเตอริโอรีกูลาริตี ความถี่ของการแตกแขนง และการรวมตัวของโคโมโนเมอร์ได้ สิ่งนี้ทำให้เกิดเกรด metallocene PE เฉพาะทางที่หลากหลายมากมาย โดยมีเป้าหมายที่กลุ่มประสิทธิภาพเฉพาะ

เทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์และการขยายขนาดทางอุตสาหกรรม

การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้สำหรับการก่อตัวของโพลีเอทิลีนต้องจัดการการกำจัดความร้อน (โพลีเมอไรเซชันมีคายความร้อนสูง) รักษาความเข้มข้นของโมโนเมอร์ และจัดการกับอนุภาคหรือสารละลายโพลีเมอร์ที่กำลังเติบโตโดยไม่ต้องเสียบปลั๊กหรือเปรอะเปื้อน กระบวนการที่ต่างกันใช้การกำหนดค่าเครื่องปฏิกรณ์ที่แตกต่างกัน

เครื่องปฏิกรณ์แบบหม้อนึ่งความดันและแบบท่อสำหรับ LDPE

การผลิต LDPE แรงดันสูงใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบนึ่งฆ่าเชื้อแบบกวนหรือเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อยาว เครื่องปฏิกรณ์แบบท่อสามารถเป็นได้ ยาวกว่า 1,000 เมตร และทำงานโดยมีจุดฉีดหลายจุดสำหรับตัวริเริ่มตลอดความยาวท่อ ทำให้สามารถควบคุมการกระจายน้ำหนักโมเลกุลได้ เครื่องปฏิกรณ์แบบหม้อนึ่งความดันมีการกระจายเวลาการคงตัวที่กว้างขึ้น ซึ่งผลิตโพลีเมอร์ที่มีโปรไฟล์การแตกแขนงที่แตกต่างกันซึ่งเหมาะกับการใช้งานเฉพาะ เช่น การเคลือบแบบอัดขึ้นรูป

เครื่องปฏิกรณ์แบบสารละลายและแบบแก๊สสำหรับ HDPE และ LLDPE

กระบวนการแรงดันต่ำใช้เครื่องปฏิกรณ์หลักสามประเภท:

• เครื่องปฏิกรณ์แบบ Slurry Loop: เอทิลีนและตัวเร่งปฏิกิริยาสัมผัสกันในสารเจือจางไฮโดรคาร์บอน (เช่น ไอโซบิวเทนหรือเฮกเซน) พอลิเมอร์ตกตะกอนเป็นอนุภาคของแข็งที่ไหลเวียนอยู่ในวง กระบวนการสร้างอนุภาคของ Chevron Phillips และกระบวนการ Hostalen ของ LyondellBasell เป็นตัวอย่างที่โดดเด่น
• เครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดแบบเฟสแก๊ส: ก๊าซเอทิลีนไหลผ่านชั้นอนุภาคโพลีเมอร์ที่กำลังเติบโตซึ่งรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา กระบวนการ UNIPOL™ ของ Univation Technologies ซึ่งเป็นกระบวนการที่ได้รับอนุญาตอย่างกว้างขวางที่สุดในโลก ใช้วิธีการนี้ ผลิต HDPE และ LLDPE โดยไม่ต้องใช้ตัวทำละลาย ทำให้การกู้คืนง่ายขึ้น
• เครื่องปฏิกรณ์กระบวนการสารละลาย: ทั้งโมโนเมอร์และโพลีเมอร์ละลายในตัวทำละลายที่อุณหภูมิสูง ซึ่งช่วยให้สามารถถ่ายเทความร้อนได้อย่างรวดเร็วและสามารถสร้างความหนาแน่นได้หลากหลายในเครื่องปฏิกรณ์เครื่องเดียว เทคโนโลยี INSITE™ ของ Dow และกระบวนการ SURPASS ของ Nova Chemicals ทำงานในลักษณะนี้

ระบบเครื่องปฏิกรณ์แบบคาสเคดและไบโมดัล

โรงงาน HDPE สมัยใหม่หลายแห่งใช้เครื่องปฏิกรณ์สองตัวติดต่อกันเพื่อผลิต โพลีเอทิลีนแบบไบโมดัล โดยที่เครื่องปฏิกรณ์เครื่องหนึ่งสร้างเศษส่วนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงและอีกเครื่องหนึ่งสร้างเศษส่วนที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ การผสมผสานของเศษส่วนทั้งสองในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายทำให้เกิดการผสมผสานที่ยอดเยี่ยมระหว่างความสามารถในการแปรรูปและประสิทธิภาพเชิงกล — ความแข็งและความแข็งแกร่งจากส่วนประกอบที่มีเมกะวัตต์สูง และการไหลจากส่วนประกอบที่มีเมกะวัตต์ต่ำ เกรด Bimodal HDPE เป็นวัสดุที่เลือกใช้สำหรับท่อรับแรงดันเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ที่ใช้ในโครงสร้างพื้นฐานการจ่ายน้ำและก๊าซ

แรงกดดันด้านความยั่งยืนและอนาคตของการก่อตัวของโพลีเอทิลีน

อุตสาหกรรมโพลีเอทิลีนเผชิญกับแรงกดดันที่เพิ่มขึ้นในการลดความเข้มข้นของคาร์บอนและการพึ่งพาวัตถุดิบตั้งต้นจากฟอสซิล มีการดำเนินการหลายวิธีพร้อมกัน และภาพดูแตกต่างจากการอภิปรายเรื่องแหล่งที่มาของโพลีเอไมด์ทั้งในด้านขนาดและความซับซ้อนทางเทคนิค

การรีไซเคิลเครื่องกลและเคมี

การรีไซเคิลโพลีเอทิลีนด้วยกลไก — การรวบรวม การคัดแยก การล้าง และการนำวัสดุหลังการบริโภคกลับมาอัดเป็นก้อนใหม่ — เป็นเส้นทางหมุนเวียนที่ได้รับการยอมรับมากที่สุด HDPE จากขวดที่ผ่านการบริโภคแล้วรีไซเคิล (PCR) และ LDPE จากฟิล์มเป็นกระแสที่มีปริมาณมากที่สุด อย่างไรก็ตาม การปนเปื้อน สี และการเสื่อมสภาพของน้ำหนักโมเลกุลในระหว่างการใช้งานจำกัดการใช้งานสำหรับวัสดุรีไซเคิลในการใช้งานประสิทธิภาพสูงหรือการสัมผัสอาหาร

เส้นทางการรีไซเคิลสารเคมี — ไพโรไลซิส การทำให้เป็นแก๊ส และการละลายโดยใช้ตัวทำละลาย — แบ่งโพลีเอทิลีนออกเป็นวัตถุดิบตั้งต้น (น้ำมันไพโรไลซิส ซินกาส หรือโมโนเมอร์) ที่สามารถกลับเข้าสู่กระบวนการโพลีเมอไรเซชันได้อีกครั้ง บริษัทหลายแห่ง เช่น Plastic Energy, PureCycle และ Neste กำลังปรับขนาดเทคโนโลยีเหล่านี้ น้ำมันไพโรไลซิสจากโพลีเอทิลีนที่ใช้แล้วสามารถทดแทนแนฟทาในแครกเกอร์ไอน้ำได้ โดยผลิตเอทิลีนที่มีลักษณะทางเคมีเหมือนกับเอทิลีนที่ได้จากฟอสซิล

ไฮโดรเจนสีเขียวและการแตกตัวด้วยไฟฟ้า

การแตกร้าวด้วยไอน้ำเป็นหนึ่งในกระบวนการที่ใช้พลังงานมากที่สุดในอุตสาหกรรมเคมี โดยใช้ปริมาณโดยประมาณ ผลิตเอทิลีนได้ 40 กิกะจูลต่อตัน . การใช้พลังงานไฟฟ้าของเตาแคร็กโดยใช้ไฟฟ้าหมุนเวียนอยู่ระหว่างการพัฒนาโดยบริษัทต่างๆ เช่น BASF, Sabic และ Linde โครงการต่างๆ ในยุโรปตั้งเป้าที่จะลดการปล่อยการแตกร้าวลง 90% โดยใช้เครื่องทำความร้อนแบบต้านทานไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนโดยพลังงานหมุนเวียน วิธีนี้จะช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนของการก่อตัวของโพลีเอทิลีนได้อย่างมาก โดยไม่เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเคมีหรือประสิทธิภาพของโพลีเมอร์

การเปรียบเทียบโปรไฟล์ด้านความยั่งยืนกับโพลีเอไมด์

เมื่อเปรียบเทียบโพลีเอทิลีนและโพลีเอไมด์จากจุดยืนด้านความยั่งยืน ข้อดีของแหล่งที่มาของโพลีเอไมด์ในเนื้อหาที่เป็นชีวภาพจะถูกชดเชยบางส่วนด้วยเคมีสังเคราะห์ที่ซับซ้อนกว่า การผลิตคาโปรแลคตัมหรือกรดอะดิปิกจากวัตถุดิบชีวภาพยังคงต้องใช้พลังงานจำนวนมากและขั้นตอนทางเคมีขั้นกลาง โพลีเอทิลีนจากเอทานอลจากอ้อยชีวภาพ ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ง่ายกว่า (เอทานอล → เอทิลีน → โพลีเอทิลีน) นั้นมีข้อจำกัดในด้านขนาดตามความพร้อมของที่ดินและพืชผล

ท้ายที่สุดแล้ว ตระกูลโพลีเมอร์ทั้งสองตระกูลไม่มีข้อได้เปรียบด้านความยั่งยืนที่ชัดเจนและเป็นสากล — รูปภาพขึ้นอยู่กับภูมิศาสตร์ การผสมโครงข่ายพลังงาน ความพร้อมของวัตถุดิบ โครงสร้างพื้นฐานเมื่อหมดอายุการใช้งาน และข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพการทำงานที่กำหนดจำนวนวัสดุที่ต้องการต่อการใช้งาน

ผลกระทบเชิงปฏิบัติสำหรับวิศวกรและผู้คัดเลือกวัสดุ

การทำความเข้าใจว่าโพลีเอทิลีนเกิดขึ้นได้อย่างไรไม่ได้เป็นเพียงวิชาการเท่านั้น แต่ยังแจ้งการเลือกวัสดุ การตัดสินใจในการประมวลผล และความคาดหวังด้านประสิทธิภาพการใช้งานขั้นสุดท้ายโดยตรง ประเด็นสำคัญในทางปฏิบัติมีดังนี้:

• หากใบสมัครของคุณต้องการ ทนต่อสารเคมี การดูดซึมความชื้นต่ำ หรือค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำมาก ลักษณะไม่มีขั้วของโพลีเอทิลีน (ผลโดยตรงจากแกนหลักของคาร์บอน-ไฮโดรเจนทั้งหมด) ทำให้โพลีเอทิลีนเป็นตัวเลือกที่เหมาะสม โพลีเอไมด์ดูดซับความชื้นอย่างรุนแรงเมื่อเปรียบเทียบ
• หากใบสมัครของคุณต้องการ มีความแข็งสูง สมรรถนะที่อุณหภูมิสูง หรือการต้านทานน้ำมันเชื้อเพลิง โพลีเอไมด์ (โดยเฉพาะเกรดที่เติมแก้ว) จะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าโพลีเอทิลีนอย่างมาก แม้จะมีต้นทุนวัสดุที่สูงขึ้นและความต้องการในการทำให้แห้งที่มีความต้องการมากขึ้นก็ตาม
• สำหรับการใช้งานบรรจุภัณฑ์และฟิล์ม การทำความเข้าใจความแตกต่างระหว่างเกรด LDPE, LLDPE และ metallocene PE ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ทั้งหมดที่มีกระบวนการขึ้นรูปต่างกัน ช่วยให้ผู้กำหนดสูตรสามารถปรับความแข็งแรงของการซีล ความต้านทานการเจาะทะลุ ความชัดเจนของแสง และการยึดเกาะได้อย่างแม่นยำ
• เมื่อประเมินตัวเลือกแหล่งโพลีเอไมด์สำหรับเป้าหมายด้านความยั่งยืน ความพร้อมใช้งานของ PA11 หรือ PA10,10 ที่ใช้น้ำมันละหุ่ง ช่วยให้วิศวกรออกแบบมีตัวเลือกทางชีวภาพที่พิสูจน์แล้วในเชิงพาณิชย์โดยมีต้นทุนระดับพรีเมียมที่สมเหตุสมผล สำหรับโพลีเอทิลีน bio-PE จาก Braskem เป็นตัวเลือกหลักในเชิงพาณิชย์และสามารถใช้งานร่วมกับอุปกรณ์แปรรูปมาตรฐานได้
• การกล่าวอ้างเนื้อหารีไซเคิลสำหรับโพลีเมอร์ทั้งสองจำเป็นต้องมีการตรวจสอบอย่างรอบคอบ — การรับรอง ISCC PLUS และ REDcert² เป็นมาตรฐานสมดุลมวลชั้นนำที่ช่วยให้เนื้อหาที่รีไซเคิลทางเคมีหรือชีวภาพได้รับเครดิตทั่วทั้งห่วงโซ่อุปทานโพลีเมอร์

กล่าวโดยสรุป กระบวนการที่สร้างโพลีเอทิลีน ได้แก่ การเติมโพลิเมอไรเซชันของเอทิลีนภายใต้สภาวะควบคุมของความดัน อุณหภูมิ และเคมีของตัวเร่งปฏิกิริยา จะกำหนดลักษณะทุกประการของวัสดุขั้นสุดท้าย การรู้สิ่งนี้ช่วยให้วิศวกรมีพื้นฐานในการทำนายพฤติกรรม แก้ไขปัญหาในการประมวลผล และทำการเปรียบเทียบอย่างมีข้อมูลกับระบบโพลีเมอร์ทางเลือก รวมถึงโพลิเอไมด์ที่มาจากวัตถุดิบตั้งต้นแบบธรรมดาหรือแบบชีวภาพ