Röntgenblick in die Plastikproduktion
Analyse von Katalysator-Partikeln hilft dem Maßschneidern von Polymer-Eigenschaften
Eine Röntgenstudie bei DESY weist den Weg zu einem besseren Verständnis der Kunststoffproduktion. Ein Team unter Leitung der Universität Utrecht hat dazu an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III sogenannte Ziegler-Katalysatoren untersucht, die Arbeitspferde der weltweiten Polyethylen- und Polypropylenproduktion. Wie die Forscher im Fachjournal „JACS Au“ berichten, zerfallen die Katalysator-Mikropartikel bei der Polymerherstellung in eine unerwartete Vielfalt kleinerer Bruchstücke. Die Beobachtung kann helfen, gewünschte Polymereigenschaften gezielt zu erzeugen und die Effizienz in der Produktion noch weiter zu erhöhen.
An DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III ließ sich ein Ensemble von 434 Katalysatorpartikeln gleichzeitig mit einer Auflösung von 74 Nanometern abbilden und einzeln hinsichtlich ihrer geometrischen Eigenschaften und ihres Fragmentierungsverhaltens identifizieren und charakterisieren. Das Bild zeigt einen virtuellen Schnitt durch den tomographischen Datensatz, wobei jedes identifizierte Partikel zur besseren Visualisierung künstlich eingefärbt ist. Die meisten Partikel haben einen Durchmesser von etwa fünf bis sechs Mikrometern. An den virtuellen Schnittflächen sind Bereiche ähnlicher Elektronendichte farblich kodiert, um die Polymer- von den Katalysatorfragmenten innerhalb jedes Partikels zu trennen: Von Blau über Grün und Orange bis Rot sinkt der Plastikanteil in dem jeweils betrachteten Partikel. Diese Fragmentierung fällt, von Partikel zu Partikel, unterschiedlicher aus als erwartet.
Utrecht University, Roozbeh Valadian
Polyolefine wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) spielen eine wichtige Rolle im täglichen Leben. Die Anwendungen reichen von Lebensmittelverpackungen zur Verlängerung der Haltbarkeit über die sterile Verpackung medizinischer Geräte bis hin zur Isolierung elektrischer Kabel. Zur Herstellung für diese Aufgaben maßgeschneiderter Polyolefine kommt eine vielseitige Klasse von Katalysatormaterialien zum Einsatz, darunter die Ziegler-Katalysatoren, die verschiedene Metalle wie Titan enthalten.
Die Katalysatorteilchen haben eine typische Größe von nur einigen zehn Mikrometern (tausendstel Millimetern), das heißt, sie sind rund zehnmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars. Dank dieser Katalysatoren kann Polyethylen bei Normaldruck und -temperatur hergestellt werden und zugleich mit verbesserten Materialeigenschaften. „Die Polyolefin-Forschung konzentriert sich heute darauf, die Polymereigenschaften gezielt auf die Anforderungen der Kunden zuzuschneiden, und da sind Erkenntnisse über den Polymerisationsprozess, wie sie in dieser Studie gewonnen wurden, von entscheidender Bedeutung“, betont Hauptautor Koen Bossers von der Universität Utrecht.
Üblicherweise können heute mit Hilfe eines Gramms Titan mehr als 100 Kilogramm Polyethylen hergestellt werden. Das ist bereits eine sehr hohe Ausbeute, aber da die Ziegler-Katalysatoren im fertigen Plastik verbleiben und die Weltproduktion von Polyethylen und Polypropylen mit diesem Verfahren mehrere Millionen Tonnen pro Jahr beträgt, ist eine weitere Steigerung der Effizienz immer noch wünschenswert.
„Eine wichtige Voraussetzung für einen reibungslosen und effizienten Olefinpolymerisationsprozess ist, dass die Katalysatorpartikel sukzessive in noch kleinere Teile fragmentieren, während sich das Polyolefin im Inneren bildet“, erklärt Florian Meirer von der Universität Utrecht, der die Untersuchung zusammen mit Bert Weckhuysen geleitet hat, dem Chef der Gruppe für anorganische Chemie und Katalyse in Utrecht. „Diese Fragmentierung ist für eine effiziente Polymerproduktion unerlässlich, da sie während des Prozesses zusätzliche Oberfläche auf den Katalysatorteilchen freilegt und so die Polymerproduktion länger am Laufen hält.“
In Zusammenarbeit mit DESY und den Polyolefin-Industrieunternehmen SABIC und DSM untersuchte das Team den Zustand von Ziegler-Katalysatoren nach erfolgter Ethylenpolymerisation an der Messstation P06 von DESYs Röntgenquelle PETRA III. „Dank der hohen räumlichen 3D-Auflösung von 74 Nanometern über ein vergleichsweise großes Volumen von 120x120x20 Mikrometern konnten wir mehr als 434 mit Ethylen polymerisierte Katalysatorpartikel abbilden und erfolgreich rekonstruieren“, berichtet Ko-Autor Jan Garrevoet von DESY. Dieser umfassende instrumentelle Ansatz lieferte bislang unerreichte Einblicke in das Fragmentierungsverhalten eines solchen Ensembles dieser industriell bedeutenden Katalysatorpartikel und erlaubt eine statistisch signifikante Analyse. Es zeigte eine unerwartete Vielfalt bei der Größe der Bruchstücke der Katalysatorpartikel.
„Diese Heterogenität deutet auf Unterschiede in der Zugänglichkeit der katalytisch aktiven Stellen für Ethylen hin und zeigt, wie wichtig es ist, die Reaktionsbedingungen zu optimieren, um einen reibungslosen und homogenen Verlauf der Ethylenpolymerisation und der Katalysatorfragmentierung zu gewährleisten“, erklärt Weckhuysen. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen ein besseres Verständnis des gesamten industriellen Prozesses und können bei der weiteren Optimierung der Prozessbedingungen helfen, um eine effizientere, maßgeschneiderte Polyolefinproduktion zu erreichen.
Originalveröffentlichung
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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