El conocimiento de los rayos X puede permitir una mejor producción de plásticos
El análisis ayuda a comprender la fragmentación de las partículas del catalizador en la polimerización del etileno
Un estudio de rayos X realizado en el DESY señala el camino hacia una mejor comprensión de la producción de plásticos. Un equipo dirigido por la Universidad de Utrecht investigó los llamados catalizadores de tipo Ziegler, los caballos de batalla en la producción mundial de polietileno y polipropileno, en la fuente de rayos X PETRA III de DESY. Como informan los científicos en la revista JACS Au, las micropartículas de catalizador se fragmentan en una sorprendente variedad de partículas más pequeñas durante la producción de polímeros. Los resultados permiten un mejor ajuste de las propiedades deseadas del polímero y pueden incluso ayudar a aumentar su rendimiento.
Se obtuvieron imágenes de 434 partículas simultáneamente con una resolución de 74 nm y se identificaron y caracterizaron individualmente con respecto a sus propiedades geométricas y su comportamiento de fragmentación. La representación mostrada muestra un corte virtual a través del conjunto de datos tomográficos donde cada partícula identificada está codificada por colores para una mejor visualización. La mayoría de las partículas tienen un diámetro de unas 5-6 micras. Los datos se han segmentado además en regiones de densidad electrónica similar, para separar el polímero de los fragmentos de catalizador dentro de cada partícula; estas regiones se muestran en azul, verde, naranja y rojo y se visualizan mediante el corte virtual a través de la representación tridimensional de las partículas de catalizador. Esta segmentación permitió un análisis detallado del comportamiento de fragmentación de cada partícula.
Utrecht University, Roozbeh Valadian
Las poliolefinas, como el polietileno (PE) y el polipropileno (PP), desempeñan un papel importante en la vida cotidiana. Sus aplicaciones van desde el envasado de alimentos para aumentar la vida útil del producto hasta el embalaje estéril de equipos médicos o el aislamiento de cables eléctricos. Para preparar poliolefinas a medida bajo demanda, se utiliza una clase versátil de materiales catalizadores, como los catalizadores de tipo Ziegler, que consisten en partículas muy pequeñas que contienen diversos metales, como el titanio.
Las partículas catalizadoras tienen tamaños típicos de sólo unas decenas de micrómetros (milésimas de milímetro), es decir, menos del grosor de un cabello humano. Gracias a estos catalizadores, se puede producir polietileno a presión y temperatura ambiente, y con características de material mejoradas. "La investigación sobre las poliolefinas se centra hoy en día en adaptar las propiedades de los polímeros a las demandas de los clientes, y es aquí donde son cruciales los conocimientos sobre el proceso de polimerización como los obtenidos en este estudio", explica Koen Bossers, de la Universidad de Utrecht, primer autor del estudio.
En la actualidad, con un gramo de titanio se pueden producir más de 100 kilogramos de polietileno. Esto ya es una eficiencia muy alta, pero como la producción mundial de polietileno y polipropileno con catalizadores de tipo Ziegler es de muchos millones de toneladas al año, y el catalizador permanece inicialmente en el producto, cualquier aumento de la eficiencia también es deseable. "Un requisito importante para que el proceso de polimerización de olefinas sea fluido y eficaz es que estas partículas de catalizador se fragmenten sucesivamente en trozos aún más finos mientras se forma la poliolefina en su interior", explica Florian Meirer, de la Universidad de Utrecht, que dirigió la investigación junto con Bert Weckhuysen, jefe del grupo de química inorgánica y catálisis de Utrecht. "Esta fragmentación es esencial para la producción eficiente de polímeros, ya que libera una superficie adicional en las partículas del catalizador durante el proceso y, por tanto, amplía la producción de polímeros".
En colaboración con DESY y las empresas industriales de poliolefinas SABIC y DSM, el equipo estudió estos materiales catalizadores de tipo Ziegler tras la polimerización del etileno en la línea de luz P06 de la fuente de rayos X PETRA III de DESY. "Gracias a la alta resolución espacial tridimensional de 74 nanómetros obtenida en un volumen comparativamente grande de 120x120x20 micrómetros, pudimos obtener imágenes de más de 434 partículas de catalizadores polimerizados con etileno y reconstruirlas con éxito", informa el coautor Jan Garrevoet de DESY.
Este potente enfoque instrumental proporcionó una visión sin precedentes del comportamiento global de la fragmentación de este material catalizador de importancia industrial sobre una base estadísticamente significativa y reveló una gran heterogeneidad en el grado de fragmentación entre las partículas del catalizador. "Estas heterogeneidades espaciales apuntan a diferencias en la accesibilidad de los sitios catalíticamente activos para el etileno, destacando la importancia de optimizar las condiciones de polimerización para asegurar una polimerización de etileno y un perfil de fragmentación del catalizador suaves y homogéneos", explica Weckhuysen. La información obtenida permite comprender mejor el proceso industrial global y puede ayudar a optimizar aún más las condiciones del proceso para lograr una producción de poliolefinas a medida más eficiente".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Koen W. Bossers, Roozbeh Valadian, Jan Garrevoet, Stijn van Malderen, Robert Chan, Nic Friederichs, John Severn, Arnold Wilbers, Silvia Zanoni, Maarten K. Jongkind, Bert M. Weckhuysen, and Florian Meirer; "Heterogeneity in the Fragmentation of Ziegler Catalyst Particles during Ethylene Polymerization Quantified by X-ray Nanotomography"; JACS Au; 2021
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