ПВЦ материал

ПВЦ материал: универсална пластмаса с уникални свойства, производствени методи и разнообразни приложения

Поливинилхлоридът (ПВЦ) е термопластичен полимерен материал, синтезиран чрез реакция на полиадиция от винилхлориден мономер (ВCM). Като една от петте основни пластмаси с общо предназначение, ПВЦ се превърна в един от най-широко произвежданите видове пластмаси в световен мащаб след индустриализацията си през 30-те години на миналия век, благодарение на отличните си всеобхватни характеристики, ниската цена и широката си приложимост. От строителни тръби до опаковъчни материали, от медицински консумативи до стоки от първа необходимост, ПВЦ е проникнал в различни области на производството и бита със своята уникална пластичност и функционалност, като същевременно непрекъснато проучва пътища за устойчиво развитие в иновациите в технологиите за опазване на околната среда.

1. Молекулярна структура и основни характеристики

Молекулярната структура на ПВЦ е основният определящ фактор за неговите свойства. Повтарящата се единица е -CH₂-CHCl3- и има един хлорен атом за всеки два въглеродни атома в молекулната верига (с масово съотношение от около 56%). Тази структура с високо съдържание на хлор придава на ПВЦ серия от отличителни характеристики.

По отношение на механичните свойства, характеристиките на ПВЦ могат да се регулират гъвкаво чрез съдържанието на пластификатори. Непластифицираният ПВЦ (твърд ПВЦ, PVC) показва силна твърдост и якост на опън до 40-60 МПа и модул на огъване от 1500-3000 МПа, което го прави подходящ за изработка на структурни компоненти. Мекият ПВЦ, с добавяне на пластификатори, показва отлична гъвкавост, с удължение при скъсване до 200%-400% и може да се използва в еластични продукти като фолиа и маркучи. Чистият ПВЦ обаче е сравнително крехък и има ниска ударна якост (якостта на удар с назъбване на твърдия ПВЦ е около 2-5 кДж/m²), което изисква добавяне на модификатори на удара (като ACR, CPE) за повишаване на якостта.

По отношение на термичните свойства, температурата на стъклен преход (Тг) на ПВЦ е приблизително 80-85℃. Температурата на непрекъсната употреба на твърдия ПВЦ може да достигне 60-70℃, докато топлоустойчивостта на мекия ПВЦ е малко по-ниска (40-60℃) поради миграцията на пластификатори. Хлорираният ПВЦ (CPVC), модифициран чрез хлориране, има повишена Тг до 90-110℃, а температурата на непрекъсната употреба може да достигне над 90℃, което разширява приложението му при високотемпературни сценарии. ПВЦ показва изключителна огнеупорност, с кислороден индекс от 24-28 (по-висок от повечето пластмаси), отговаряйки на основните изисквания за пожарна защита, без да е необходимо използване на допълнителни забавители на горенето. Тази характеристика го прави изключително предимство в строителната област.

Химическата стабилност е основното предимство на ПВЦ, което показва отлична устойчивост на неорганични химикали като киселини, основи и соли и не се корозира от повечето органични разтворители при стайна температура (с изключение на силни разтворители като кетони и естери). Тази устойчивост на корозия прави твърдия ПВЦ идеален материал за химически тръбопроводи и резервоари за съхранение, което му позволява да транспортира корозивни течности за продължителни периоди без стареене.

По отношение на производителността при обработка, самият ПВЦ има лоша термична стабилност, с температура на топене (160-200℃) близка до температурата му на разлагане (над 200℃ е склонен да отделя HCl газ). Следователно, по време на обработката трябва да се добавят термични стабилизатори (като калциево-цинкови стабилизатори и органични калаени стабилизатори). Чрез процеси като екструдиране, шприцване, каландриране и формоване чрез раздуване, ПВЦ може да се преработи в различни форми на продукти като тръби, плочи, фолиа и профили, с изключително силна пластичност, способна да отговори на изискванията за формоване на сложни форми.

Освен това, ПВЦ има добри електроизолационни свойства и може да се използва като изолационен слой на проводници и кабели. Повърхността му е лесна за печат, боядисване и заваряване, което улеснява вторичната обработка за подобряване на външния вид и функционалността. Той има значителни предимства по отношение на разходите, с изобилие от източници на суровини и съотношение цена-качество, по-високо от това на повечето инженерни пластмаси.

II. Производствен процес и източници на суровини

Промишленото производство на ПВЦ използва винилхлориден мономер (ВCM) като основна суровина, с усъвършенстван производствен процес, който обхваща цялата верига от синтеза на мономера, реакцията на полимеризация до обработката на продукта. Основното е регулирането на свойствата на продукта чрез прецизен контрол на процеса на полимеризация.

Производството на винилхлориден мономер (ВCM) служи като основата на веригата в ПВЦ индустрията, включваща предимно два технологични пътя: ацетиленов път и етиленов път. Ацетиленовият път използва калциев карбид като суровина. Калциевият карбид реагира с вода, за да произведе ацетилен, който след това се присъединява с хлороводород в присъствието на катализатор, за да се генерира ВCM. Този процес е подходящ за региони, богати на въглищни ресурси, но е свързан с висока консумация на енергия. Етиленовият път използва етилен, получен чрез крекинг на нефт, като суровина. Етиленът реагира с хлор чрез оксихлориране, за да генерира ВCM. Този процес е по-екологичен и консумира по-малко енергия, което го прави настоящият основен процес. През последните години бяха постигнати пробиви в изследванията и разработването на биобазиран винилхлорид, който включва производство на етиленови прекурсори чрез ферментация на биомаса, предлагайки нови възможности за екологизиране на ПВЦ.

Процесът на полимеризация на ПВЦ включва главно суспензионна полимеризация, емулсионна полимеризация, полимеризация в насипно състояние и полимеризация в разтвор, сред които суспензионната полимеризация и емулсионната полимеризация са основните методи в промишленото производство.

Суспензионната полимеризация е основният процес за производство на ПВЦ с общо предназначение, представляващ над 80% от световното производство на ПВЦ. Този процес включва диспергиране на винилхлориден мономер във вода за образуване на суспензия, добавяне на инициатори (като диетил пероксидикарбонат) и диспергатори (като поливинилов алкохол) и след това полимеризиране на сместа при разбъркване при 50-70℃. Диспергаторът стабилизира мономерните капчици в суспензията и след полимеризацията се образуват бели частици (ПВЦ смола на прах) с размер на частиците 0,1-2 мм. Суспензионната полимеризация е лесна за контролиране, произвежда продукти с висока чистота с равномерен размер на частиците и е подходяща за производство на твърди ПВЦ продукти като тръби и листове.

Емулсионната полимеризация се използва за производство на пастообразен ПВЦ (ПВЦ пастообразна смола), където ВCM мономерът се диспергира в капчици с микронен размер под действието на емулгатор и се инициира от водоразтворим инициатор (като калиев персулфат), за да се образуват латексови частици с размер на частиците 0,1-1 μm. Продуктът от емулсионната полимеризация е колоиден и може да се използва директно в процеси на покритие, импрегниране или формоване чрез шлайфане за производство на меки продукти като изкуствена кожа, ръкавици и играчки.

След полимеризацията, прахът от ПВЦ смола трябва да премине през последваща обработка (дехидратация, сушене), след което се добавят добавки (пластификатори, стабилизатори, лубриканти, пълнители и др.) според изискванията на продукта. След това се смесва, екструдира и гранулира, за да се получат гранулирани суровини. Добавките са ключови за регулиране на свойствата на ПВЦ: пластификаторите (като фталати, цитратни естери) увеличават гъвкавостта и колкото по-високо е съдържанието, толкова по-мек е продуктът; термостабилизаторите предотвратяват разлагането по време на обработката; лубрикантите подобряват течливостта при обработка; пълнителите (като калциев карбонат) намаляват разходите и повишават твърдостта.

III. Технология за класификация и модификация

ПВЦ може да се класифицира по различни начини. Според съдържанието на пластификатори, той може да се раздели на твърд ПВЦ и мек ПВЦ; според процеса на полимеризация, може да се класифицира на суспензионен ПВЦ, емулсионен ПВЦ и др.; според модификацията на експлоатационните характеристики, може да се класифицира на хлориран ПВЦ (CPVC), удароустойчив модифициран ПВЦ и др. Разнообразната класификация го прави подходящ за различни сценарии.

Твърдият ПВЦ (PVC) има съдържание на пластификатор по-малко от 5% или дори без пластификатор и притежава висока твърдост, висока якост и добра размерна стабилност. С якост на опън от 40-60 МПа и модул на огъване от 2000-3000 МПа, той е подходящ за изработка на структурни компоненти. Твърдият ПВЦ показва отлична химическа устойчивост и устойчивост на атмосферни влияния, което го прави основен материал в строителната и химическата промишленост, като например водопроводни и дренажни тръби, профили за врати и прозорци и резервоари за съхранение на химикали.

Мекият ПВЦ има съдържание на пластификатор от 10% до 40%. Гъвкавостта му се увеличава с увеличаване на съдържанието на пластификатор, а удължението му при скъсване може да достигне от 200% до 400%. Твърдостта му по Шор е между 50-90A. Мекият ПВЦ показва добра устойчивост на ниски температури (остава гъвкав дори при -30℃) и лесно се преработва във филми, маркучи, изкуствена кожа и др. Той се използва широко в областта на опаковането, медицината и продуктите от първа необходимост.

Модифицираното ПВЦ оптимизира своите характеристики чрез химични или физични методи. Хлорираното ПВЦ (CPVC) е важен модифициран сорт, произведен чрез подлагане на ПВЦ на реакция на хлориране, която увеличава съдържанието на хлор до 63%-68%. Това значително подобрява неговата топлоустойчивост (температура на непрекъсната употреба от 90-100°C), а устойчивостта му на налягане и химическа устойчивост са по-добри от тези на твърдия ПВЦ, което го прави подходящ за тръби за топла вода и химически тръбопроводи. Удароустойчивото модифицирано ПВЦ включва модификатори на удара като ACR и CPE, увеличавайки ударната му якост 3-5 пъти, което го прави подходящ за външни продукти и структурни компоненти. Омреженото ПВЦ образува мрежова структура чрез химическо или радиационно омрежване, повишавайки неговата топлоустойчивост и устойчивост на разтворители, което го прави подходящ за кабелни изолационни слоеве.

IV. Разнообразни области на приложение

ПВЦ, със своите регулируеми свойства и гъвкавост при обработка, е намерил широко приложение в различни области като строителство, опаковане, здравеопазване, стоки от първа необходимост и промишленост, което го прави незаменим материал в съвременното общество.

Строителният сектор представлява най-големият пазар за приложение на ПВЦ, като представлява над 60% от употребата му. Поради устойчивостта си на химическа корозия, ниската устойчивост на течности и лесния монтаж, твърдите ПВЦ тръби са заменили традиционните метални тръби в общинското водоснабдяване и канализация, тръбите за дъждовна вода и химическите тръби, с експлоатационен живот до 50 години или повече. ПВЦ профилите за врати и прозорци се използват широко в жилищни и търговски сгради поради добрите си топлоизолационни и звукоизолационни свойства, както и поради липсата на поддръжка и ниската си цена. ПВЦ подовите настилки (на рулони и листове) са устойчиви на износване, противоплъзгащи и лесни за почистване, което ги прави подходящи за употреба в търговски центрове, болници и домове. ПВЦ хидроизолационните мембрани са силно устойчиви на атмосферни влияния и се използват за хидроизолационни проекти на покриви и мазета.

В областта на опаковането, ПВЦ фолиото показва отлична прозрачност и бариерни свойства, което го прави подходящо за свиваемо фолио, използвано в етикетите на бутилки за напитки и бира, което прилепва плътно след нагряване. Мекото ПВЦ фолио се използва за опаковане на храни и козметика, предлагайки превъзходна гъвкавост и възможности за запечатване. ПВЦ бутилките и кутиите демонстрират добра химическа устойчивост и се използват за съхранение на течности като перилни препарати и козметика, на по-ниска цена в сравнение с ПЕТ бутилките.

В медицинската област, мекият ПВЦ, поради своята гъвкавост, уплътнителни свойства и ниска цена, се използва за производството на медицински консумативи за еднократна употреба, като инфузионни тръби, кръвни торбички и капаци за спринцовки. Необходими са добавки с медицинско качество (без фталатни пластификатори и стабилизатори с ниска токсичност). Медицинските продукти от ПВЦ могат да се стерилизират с пара, а тяхната прозрачност улеснява наблюдението на течното състояние, но трябва да се обърне внимание на миграцията на пластификаторите.

В ежедневните нужди и промишлеността мекият ПВЦ се използва за направата на изкуствена кожа, гумени ботуши, ръкавици, покривки за маса и др., които са устойчиви на износване и замърсяване; ПВЦ кабелните съединения се използват за обвивки на проводници и кабели поради техните изолационни и огнеупорни свойства; ПВЦ плоскостите се изрязват за направата на билбордове и стойки за дисплеи; модифицираният ПВЦ се използва и в автомобилните интериори (като например обвивки на табла), играчките (процес на формоване с шлам), фолиата за селскостопански оранжерии и др.

V. Тенденции в опазването на околната среда и развитието

Екологичността на ПВЦ отдавна е спорна, но чрез технологични иновации и стандартизирано управление, тя постепенно се насочва към устойчиво развитие.

Екологичните предизвикателства на ПВЦ се състоят главно в два аспекта: Първо, винилхлоридният мономер (ВCM), използван в производствения процес, е токсичен и остатъчното му количество трябва да бъде строго контролирано (съдържанието на ВCM в готовите продукти трябва да бъде под 1 ppm). Второ, съществуват опасения относно безопасността на пластификаторите и стабилизаторите. Традиционните пластификатори на базата на фталат могат да повлияят на ендокринните системи, докато стабилизаторите на основата на оловни соли съдържат тежки метали, представляващи вреда както за хората, така и за околната среда. Освен това, когато ПВЦ се изгаря при недостатъчни температури (под 800°C), се отделят вредни вещества като диоксини, което налага професионални съоръжения за изгаряне за обезвреждане.

За да се справи с екологичните проблеми, индустрията е внедрила серия от мерки за подобрение: по отношение на добавките, разработването на нефталатни пластификатори (като цитратни естери, епоксидирано соево масло), безоловни стабилизатори (калциево-цинкови стабилизатори, органични калаени стабилизатори), а медицинският ПВЦ е напълно забранил фталатните пластификатори; в производството се насърчават чисти производствени процеси за намаляване на емисиите на ВCM и потреблението на енергия; при рециклирането технологията за рециклиране на ПВЦ е зряла, като физическото рециклиране включва сортиране, почистване, топене и преоформяне на отпадъчен ПВЦ за производство на тръби, плоскости и др.; химическото рециклиране включва разлагане на ПВЦ на ВCM мономери чрез пиролиза за постигане на рециклиране в затворен цикъл.

Глобалният процент на рециклиране на ПВЦ постепенно се увеличава. Европейският съюз насърчава рециклирането на ПВЦ чрез своя План за действие за кръгова икономика, а процентът на рециклиране на ПВЦ тръби в строителния сектор може да достигне над 90%. Междувременно е постигнат напредък в научноизследователската и развойна дейност на биоразградимо ПВЦ, което може постепенно да се разгражда в специфични среди чрез въвеждане на хидролизуеми групи или добавяне на биоразградими компоненти.

Бъдещото развитие на ПВЦ ще се фокусира върху три направления: висока производителност, опазване на околната среда и функционализация. Високата производителност ще бъде постигната чрез молекулярен дизайн и модификация на композитите за подобряване на топлоустойчивостта (като CPVC за високотемпературни тръбопроводи), устойчивостта на атмосферни влияния (добавяне на Ултравиолетово абсорбатори за продукти за външна употреба) и механичните свойства; опазването на околната среда ще включва цялостно насърчаване на неопасни добавки (без фталати, без олово), подобряване на системата за рециклиране и разработване на биобазирано ПВЦ (с някои суровини, получени от биомаса); функционализацията ще се фокусира върху изследванията и разработването на антибактериално ПВЦ (в медицинската област), самопочистващо се ПВЦ (за външни стени на сгради), високобариерно ПВЦ (за опаковки) и др., разширявайки сценариите за приложение от висок клас.

ПВЦ, като силно ковък материал, въплъщава съвместния напредък на материалознанието и социалното търсене в своето развитие. От основни домакински стоки до висококачествени промишлени компоненти, ПВЦ подкрепя функционирането на съвременното общество със своите рентабилни предимства. С развитието на технологиите за опазване на околната среда и напредъка на кръговата икономика, ПВЦ ще постигне устойчиво развитие, като ще се справи с противоречията и ще продължи да играе важна роля като материална опора.