Předmět výzkumné činnosti je možné rozdělit do následujících oblastí:
- vývoj a modifikace vlastností katalytických systémů pro přípravu PE představuje stěžejní oblast výzkumu skupiny pracovníků a zahrnuje rovněž studium dalších oblastí
- studium vlivu aktivačního procesu nosiče (siliky) na výsledné vlastnosti katalyzátorů (maximální použitelná aktivační teplota může dosáhnout 850 °C a maximální množství nosiče či katalyzátoru pro aktivaci v poloprovozním zařízení může být až 5 kg)
- stanovení obsahu a uspořádání OH skupin na povrchu nosiče (pomocí interakce s organohlinitou sloučeninou)
- vývoj a optimalizace polymeračních procesů v laboratorním měřítku (polymerace z plynné fáze, v suspenzi) poskytujících možnost modelování provozních procesů
- průběžné zlepšování užitných vlastností polyethylenů v sortimentu ORLEN Unipetrol RPA s.r.o.
- během výzkumné činnosti bylo objeveno několik katalytických systémů pro polymeraci ethylenu (jsou chráněné patenty) a některé z nich jsou po mnoho let využívány v provozním měřítku k výrobě Litenů
- vývoj katalyzátorů byl rozšířen i do oblasti polymerací styrenu – dva originální katalyzátory (chráněné patenty) byly vyvinuty
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 originálních katalytických systémů (na bázi Ti a Cr sloučenin). Systém na bázi Cr-sloučenin je po dobu deseti let komerčně využíván při výrobě matrice splňující podmínky trubkového typu PE 80. Katalyzátor je používán i k výrobě fólií, geomembrán a v současné době byl optimalizován i pro výrobu 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.
Metody využívané při výzkumu katalytických systémů:
- 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
Nabízíme možnost přípravy katalyzátoru podle zadání zákazníka včetně laboratorního otestování.
Vývoj a optimalizace polymeračních procesů v laboratorním měřítku
Polymerační testy jsou prováděny na originálních ocelových reaktorech, které byly vyvinuty v PIB. Velkou výhodou testovacích zařízení je jejich flexibilita, 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.
Propojení reaktoru s PC umožňuje:
- 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 vlastnosti katalyzátoru - vnitřní struktura produkovaného polymeru - mechanické vlastnosti polymerní matrice. Podle rozsahu požadovaných změn lze postupovat buď méně náročnou cestou (optimalizací polymeračních podmínek) nebo zásadnějším postupem (modifikací vlastností katalytického systému).
K hodnocení vlastností matrice je využívána kombinace metod:
- 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)