Les homopolymères à base de polypropylène isotactique (iPP en anglais) ont une rigidité plus élevée que le polyéthylène (PE), mais aussi une dureté limitée, en particulier à températures plus basses. Ceci peut être surmonté en incorporant un élastomère copolymère d'éthylène et de propylène directement dans la matrice semi-cristalline de iPP. De tels mélanges obtenus in situ dans des réacteurs successifs sont bien connus, et leur production nécessite un procédé multi-étapes. De façon succincte, un procédé industriel pour la synthèse de PP choc (hiPP, high impact PP en anglais) implique 2 zones de réaction (chaque zone peut être composée d'un ou plusieurs réacteurs). L’iPP est fabriqué dans la première zone. Les poudres encore actives sont ensuite dégazées et envoyées dans une seconde zone dans laquelle est incorporé un élastomère (généralement un copolymère de propylène et d'éthylène appelé caoutchouc éthylène-propylène (ethylene-propylene rubber (EPR) en anglais). L'homopolymère iPP peut être produit en phase gaz ou en suspension (slurry en anglais) dans un hydrocarbure, alors que l'EPR doit être fabriqué dans un réacteur en phase gaz. Dans la thèse actuelle, nous nous sommes concentrés sur les procédés intégralement en phase gaz. Par conséquent, la morphologie du polypropylène choc (hiPP) dépendra fortement de celle de l'iPP intermédiaire, qui, à son tour, dépendra de la morphologie du précatalyseur. Cependant, le même précatalyseur peut conduire à différentes morphologies d’iPP, selon le protocole d'injection suivi. L'injection de catalyseur est donc un aspect critique de la production du hiPP. Cet aspect a été étudié grâce à la réalisation d'un plan d'expériences de polymérisation du propylène. On a utilisé des catalyseurs supportés Ziegler-Natta (ZN), disponibles commercialement, dans un réacteur à cuve agitée et un réacteur phase gaz à flux stoppé. On a mis en évidence pourquoi la prépolymérisation et le mouillage du catalyseur par un hydrocarbure avant d'être introduits dans le réacteur assurent de hautes activités et un contrôle de la morphologie des particules de polymère tout en produisant l'iPP. Au cours de la production de l’hiPP, la thermodynamique de sorption de la phase gaz a un impact important sur la cinétique d'homopolymérisation et de copolymérisation du propylène. Par exemple, les hydrocarbures supérieurs améliorent la solubilité du propylène dans le polymère (phénomène de «co-solubilité») ce qui conduit à une augmentation de l'activité. De plus, la solubilité et la diffusivité des différents monomères (et de leurs mélanges) utilisés pour produire l’hiPP (propylène, éthylène et mélange éthylène / propylène) dans les poudres dépendent des températures et des pressions auxquelles le procédé est conduit. Les données expérimentales de ces quantités ont été obtenues et des modèles semi-empiriques généralement utilisés dans l'industrie des polyoléfines ont été utilisés pour comprendre leur dépendance à l'égard des conditions du procédé. Finalement, plusieurs poudres d’hiPP ont été obtenues dans le réacteur à cuve agitée avec un catalyseur ZN supporté, en suivant la voie intégrale phase gaz. La morphologie de la matrice iPP et les conditions de la copolymérisation telles que la quantité de copolymère, la température, la pression, la quantité relative d'éthylène par rapport au propylène et la présence d'hydrogène ont été systématiquement variées pour comprendre leur impact sur la répartition du caoutchouc dans la matrice PP. Ce facteur est, à son tour, crucial pour (1) un fonctionnement du procédé industriel optimal, et (2) les propriétés mécaniques recherchées de l'hiPP / Isotactic Polypropylene (iPP) homopolymers have higher stiffness than polyethylene (PE), but also limited toughness, especially at lower temperatures. This can be overcome by incorporating an elastomeric copolymer of ethylene and propylene directly in the semi crystalline iPP matrix. Such in situ reactor blends are well-known, and their production requires of multi-step reaction process. Very briefly, an industrial process for high impact polypropylene (hiPP) products involves 2 reaction zones (each zone can be composed of one or more reactors). iPP is made in the first zone, the still active powders are then degassed and sent to a second zone in which an elastomer (usually a copolymer of propylene and ethylene referred to as Ethylene-Propylene Rubber (EPR)) is made. The iPP homopolymer can be produced in the gas phase or slurry phase, whereas the EPR must be made in a gas phase reactor. In the current thesis, our focus was on an “all gas phase”process.Therefore, the morphology of hiPP will be greatly dependent on that of the intermediate iPP, which in turn, will depend on the precatalyst morphology. However, the same precatalyst can lead to different iPP morphologies, depending on the injection protocol followed. Therefore, catalyst injection is a critical aspect while producing hiPP. Such aspect has been studied by performance of a designed set of propylene polymerization reaction experiments. Commercially available supported Ziegler-Natta (ZN) catalysts along with a lab-scale stirred-bed reactor and a gas phase stopped flow reactor have been used. It is understood why prepolymerization and wetting the catalyst with hydrocarbon before being charged to the reactor ensure high activity and quality morphology while producing iPP. During the production of hiPP, sorption thermodynamics of the gas phase have a big impact on propylene homopolymerization and copolymerization kinetics. For instance, higher hydrocarbons enhance the propylene solubility in polymer (which is known as “cosolubility” phenomenon) which leads to an activity increase. In addition, the solubility and diffusivity of the different monomers used to produce hiPP (propylene, ethylene and ethylene/propylene mixtures) in the powders depend on the temperatures and pressures which the process is conducted at. Experimental data of these quantities was obtained and semi-empirical models generally used in the polyolefin industry were used to understand their dependence on the process conditions. Finally, several hiPP powders were made in the lab-scale stirred-bed reactor with a supported ZN catalyst, following the “all gas phase” route. The morphology of the iPP matrix and conditions during copolymerization such as amount of copolymer, temperature, pressure, relative amount of ethylene to propylene and the presence of hydrogen have been systematically varied to comprehend their impact on the rubber distribution among the PP matrix. The aforementioned factor is, in turn, crucial for (1) a correct industrial process operation, and (2) the mechanical properties sought-after in hiPP
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2017LYSE1210 |
| Date | 06 October 2017 |
| Creators | Cancelas Sanz, Aarón José |
| Contributors | Lyon, McKenna, Timothy, Monteil, Vincent |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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