Tilbake til søkeresultatene

NAERINGSPH-Nærings-phd

Enhanced PE by Heterogeneous Catalyst Design for Disentangled UHMWPE

Alternativ tittel: Avansert PE muliggjort ved katalysatordesign for ikke-sammenfiltrede polymerkjeder

Tildelt: kr 1,7 mill.

Prosjektleder:

Prosjektnummer:

295595

Prosjektperiode:

2018 - 2024

Midlene er mottatt fra:

Organisasjon:

Ultra-høy molekylvekts polyetylen (UHMWPE) har egenskaper som langt overgår dagens standard polyetylen for eksempel når det gjelder slitestyrke, lav friksjonskoeffisient og høy slagfasthet selv ved lave temperaturer. Kravene til slik UHMWPE er for det første at de har svært høye molekylvekter (10 - 50 ganger høyere enn standard PE) og for det andre at polymerkjedene ikke skal være sammenfiltrede. Dette siste er i motsetning til dagens kommersielle PE-kvaliteter som uten unntak har sammenfiltrede polymerkjeder. Ikke-sammenfiltrede polymerkjeder er et nøkkelkrav for å oppnå de overlegne egenskapene til UHMWPE. Utfordring nummer en er å utvikle en polymerisasjonsmetode for å produsere polyetylen med tilstrekkelig høy molekylvekt og som samtidig har et høyt innslag av ikke-sammenfiltrede polymerkjeder. Strategien er å redusere hastigheten for polymerisasjonsreaksjonen, slik at denne blir tilstrekkelig lav og dermed gjør det mulig for de individuelle polymerkjedene å krystallisere etter hvert som de dannes. Dermed unngår man at kjeder reorganiserer, sammenfiltrer og samkrystalliserer, som ellers er den vanlige situasjon i polymerisasjon av PE. Kandidaten har utviklet en ny, homogen polymerisasjonsprosess og har undersøkt homogene katalysatorer, både work horse- og utviklingskatalysatorer, og har produsert polymerprøver for videre testing og karakterisering. Prosessen er sterkt avhengig av kinetikk og de aktuelle polymerisasjonsbetingelser. Spesielt krever prosessen ualminnelige betingelser i form av lave temperaturer og lavt trykk, sammenlignet med konvensjonelle betingelser for å produsere polyethylene. Slike homogene polymerisasjonsprosesser er krevende på grunn av fare for reaktor fouling. Dette hindrer utvilkingsarbeid og gir fare for shutdown i fullskala-anlegg. En ny, heterogen katalysator ble derfor utviklet. En ny UHMWPE polymerisasjonsprosess ble utviklet og implementert i en industrielt relevant, to liter pilotreaktor. Denne metoden gjør det mulig å teste katalysatorer for et bredere sett av polymerisasjonsbetingelser. Spesielt kan høye temperaturer benyttes slik at høyere aktivitet oppnås. Modeller for polymerisasjon ble utviklet og testet og viste høy grad av prediksjonsmulighet. Utfordring nummer to er å utvikle et sett av analysemetoder for å karakterisere graden av (ikke-) sammenfiltring av polymerkjedene. Alle etablerte vitenskapelige og industrielle metoder krever prøvepreparering som innebærer at polymeren løses i et løsemiddel, smeltes, og/eller utsettes for skjærkrefter. Slik prøvepreparering fører til at polymeren mister sin opprinnelige, iboende organisering av polymerkjedene ved at disse reorganiserer og sammenfiltrer. Polymerens iboende, jomfruelige karakter kan dermed ikke undersøkes. Testmetoder og matematiske modeller har blitt utviklet for rheologiske analyser og for fast fase NMR-analyse. Disse testene krever lite eller ingen prøvepreparering. ingen prøvepreparering, slik at urørt jomfruelig UHMWPE polymer kan undersøkes. Egenproduserte prøver og bench-mark-prøver har blitt undersøkt. Uventet viser resultatene at entanglement ikke er avhengig av molekylvekt for de aktuelle prøvene.

-

Polyethylene (LDPE, LLDPE, HDPE) are well developed commodity polymers that are key enablers for the transition towards a more resource efficient and circular plastics economy. Their versatility is demonstrated by their application in packaging, building and construction, automotive, Electrical & Electronic, Agriculture, Household, Leisure and Sports, and other market segments. Ultra High Molecular Weight PE (UHMWPE) is an engineered polymer, with superior properties due to the very high molecular weights (10 – 50 times higher than for conventional HDPE). The excellent mechanical properties, such as high abrasion resistance, low coefficient of friction and high impact strength even at very low temperatures, open up new application areas. UHMWPE is currently used in medical implants, lightweight strong fibres, tapes for ballistic applications, ropes for replacement of steel cables and other demanding applications. UHMWPE is a semi-crystalline polymer that is currently produced in entangled form. This results in very high melt viscosity, and processing in conventional polymer conversion equipment is impossible. Disentangled UHMWPE, on the other hand, has lower viscosity and melt processing in conventional industrial plastics conversion equipment is possible. Disentangled UHMWPE is today made in small volumes in an environmentally unfavourable, post reactor process using toxic solvents (e.g. decalin, xylene). The project will develop state-of-the art heterogeneous catalysts without using common silica supports for the polymerisation of ethylene to UHMWPE. The catalysts will be fully characterised, and their ability to produce UHMWPE in an industrial bench scale reactor will be demonstrated. Ultimately, the project will demonstrate the in situ production of disentangled UHMWPE in a heterogeneously catalysed ethylene polymerisation process. The disentanglement will be demonstrated by industrially relevant characterisation and testing.

Budsjettformål:

NAERINGSPH-Nærings-phd