материал ПВХ

Материал ПВХ: универсальный пластик с уникальными свойствами, методами производства и разнообразными сферами применения.

Поливинилхлорид (ПВХ) — термопластичный полимерный материал, синтезируемый реакцией полиприсоединения из мономера винилхлорида (ВХМ). Будучи одним из пяти основных пластиков общего назначения, ПВХ стал одним из наиболее широко производимых видов пластика в мире с момента его индустриализации в 1930-х годах благодаря своим превосходным эксплуатационным характеристикам, низкой стоимости и широкой применимости. От строительных труб до упаковочных материалов, от медицинских принадлежностей до товаров повседневного спроса — ПВХ проникает в различные сферы производства и быта благодаря своей уникальной пластичности и функциональности, одновременно постоянно исследуя пути устойчивого развития в области инновационных технологий защиты окружающей среды.

1. Молекулярная структура и основные характеристики

Молекулярная структура ПВХ является фундаментальным фактором, определяющим его свойства. Повторяющееся звено – Ч₂-CHCl-, при этом на каждые два атома углерода в молекулярной цепи приходится один атом хлора (с массовой долей около 56%). Эта структура с высоким содержанием хлора наделяет ПВХ рядом отличительных характеристик.

Что касается механических свойств, эксплуатационные характеристики ПВХ можно гибко регулировать за счет содержания пластификаторов. Непластифицированный ПВХ (жёсткий ПВХ, НПВХ) обладает высокой жёсткостью и твёрдостью, прочностью на разрыв до 40–60 МПа и модулем упругости при изгибе 1500–3000 МПа, что делает его пригодным для изготовления конструкционных элементов. Мягкий ПВХ с добавлением пластификаторов обладает превосходной гибкостью, удлинением при разрыве до 200–400%, и может быть использован для производства эластичных изделий, таких как плёнки и шланги. Однако чистый ПВХ относительно хрупкий и имеет низкую ударную вязкость (ударная вязкость с надрезом жёсткого ПВХ составляет около 2–5 кДж/м²), что требует добавления модификаторов ударной вязкости (таких как АКР, КПЭ).

Что касается термических свойств, температура стеклования (Тг) ПВХ составляет приблизительно 80–85 °C. Температура непрерывной эксплуатации жёсткого ПВХ может достигать 60–70 °C, в то время как теплостойкость мягкого ПВХ несколько ниже (40–60 °C) из-за миграции пластификаторов. У хлорированного ПВХ (ХПВХ), модифицированного хлорированием, Тг повышается до 90–110 °C, а температура непрерывной эксплуатации может превышать 90 °C, что расширяет его применение в условиях высоких температур. ПВХ обладает исключительной огнестойкостью с кислородным индексом 24–28 (выше, чем у большинства пластиков), что соответствует основным требованиям пожарной безопасности без необходимости добавления антипиренов. Эта характеристика делает его весьма перспективным материалом в строительстве.

Химическая стабильность — основное преимущество ПВХ, который обладает превосходной стойкостью к неорганическим химикатам, таким как кислоты, щелочи и соли, и не подвержен коррозии под воздействием большинства органических растворителей при комнатной температуре (за исключением сильных растворителей, таких как кетоны и сложные эфиры). Эта коррозионная стойкость делает жёсткий ПВХ идеальным материалом для химических трубопроводов и резервуаров, позволяя транспортировать коррозионные жидкости в течение длительного времени без старения.

С точки зрения технологических свойств, сам ПВХ обладает низкой термостойкостью: его температура плавления (160–200 °C) близка к температуре разложения (выше 200 °C он склонен к выделению газообразного HCl). Поэтому в процессе переработки необходимо добавлять термостабилизаторы (например, кальций-цинковые и органические оловосодержащие стабилизаторы). С помощью таких процессов, как экструзия, литье под давлением, каландрирование и выдувное формование, из ПВХ можно изготавливать различные изделия, такие как трубы, пластины, пленки и профили, обладающие чрезвычайно высокой пластичностью, что позволяет формовать изделия сложной формы.

Кроме того, ПВХ обладает хорошими электроизоляционными свойствами и может использоваться в качестве изоляционного слоя проводов и кабелей. Его поверхность легко поддается печати, окраске и сварке, что облегчает вторичную обработку для улучшения внешнего вида и функциональности. Он обладает значительными ценовыми преимуществами благодаря обширным источникам сырья и более высокому соотношению цена/качество по сравнению с большинством инженерных пластиков.

II. Производственный процесс и источники сырья

Промышленное производство ПВХ использует винилхлоридмономер (ВХМ) в качестве основного сырья. Технологический процесс производства охватывает всю цепочку от синтеза мономера и реакции полимеризации до переработки готового продукта. Ключевым моментом является регулирование свойств продукта посредством точного контроля процесса полимеризации.

Производство винилхлоридмономера (ВХМ) лежит в основе цепочки производства ПВХ и включает в себя два основных технологических процесса: ацетиленовый и этиленовый. В ацетиленовом процессе в качестве сырья используется карбид кальция. Карбид кальция реагирует с водой с образованием ацетилена, который затем вступает в реакцию с хлористым водородом в присутствии катализатора для получения ВХМ. Этот процесс подходит для регионов, богатых угольными ресурсами, но требует высокого энергопотребления. В этиленовом процессе в качестве сырья используется этилен, полученный путем крекинга нефти. Этилен реагирует с хлором в процессе оксихлорирования с получением ВХМ. Этот процесс более экологичен и потребляет меньше энергии, что делает его основным в настоящее время. В последние годы были достигнуты прорывы в исследованиях и разработках винилхлорида на биологической основе, включая производство прекурсоров этилена путем ферментации биомассы, что открывает новые возможности для экологизации ПВХ.

Процесс полимеризации ПВХ в основном включает суспензионную полимеризацию, эмульсионную полимеризацию, полимеризацию в массе и полимеризацию в растворе, среди которых суспензионная полимеризация и эмульсионная полимеризация являются основными методами в промышленном производстве.

Суспензионная полимеризация является основным процессом производства ПВХ общего назначения, на долю которого приходится более 80% мирового производства ПВХ. Этот процесс включает диспергирование винилхлоридного мономера в воде до образования суспензии, добавление инициаторов (например, дицетилпероксидикарбоната) и диспергаторов (например, поливинилового спирта), а затем полимеризацию смеси при перемешивании при температуре 50–70 °C. Диспергатор стабилизирует капли мономера в суспензии, и после полимеризации образуются белые частицы (порошок ПВХ-смолы) размером 0,1–2 мм. Суспензионная полимеризация легко контролируется, позволяет получать продукты высокой чистоты с равномерным размером частиц и подходит для производства жестких ПВХ-изделий, таких как трубы и листы.

Эмульсионная полимеризация используется для получения пастообразного ПВХ (смолы ПВХ-пасты), где мономер ВХМ диспергируется в микронные капли под действием эмульгатора и инициируется водорастворимым инициатором (например, персульфатом калия) с образованием частиц латекса размером 0,1–1 мкм. Продукт эмульсионной полимеризации представляет собой коллоидное вещество и может быть непосредственно использован в процессах нанесения покрытий, пропитки или формования заливкой для производства мягких изделий, таких как искусственная кожа, перчатки и игрушки.

После полимеризации порошок ПВХ-смолы проходит постобработку (дегидратацию, сушку), после чего в него вносятся добавки (пластификаторы, стабилизаторы, смазывающие вещества, наполнители и т.д.) в соответствии с требованиями к продукту. Затем его смешивают, экструдируют и гранулируют для получения гранулированного сырья. Добавки играют ключевую роль в регулировании свойств ПВХ: пластификаторы (например, фталаты, цитратные эфиры) повышают гибкость, и чем выше их содержание, тем мягче продукт; термостабилизаторы предотвращают разложение в процессе переработки; смазывающие вещества улучшают текучесть; наполнители (например, карбонат кальция) снижают стоимость и повышают жёсткость.

III. Технология классификации и модификации

ПВХ можно классифицировать различными способами. По содержанию пластификаторов он подразделяется на жёсткий и мягкий; по процессу полимеризации – на суспензионный, эмульсионный и т.д.; по модификации эксплуатационных свойств – на хлорированный ПВХ (ХПВХ), ударопрочный модифицированный ПВХ и т.д. Разнообразие классификации делает его пригодным для различных применений.

Жёсткий ПВХ (НПВХ) содержит менее 5% пластификатора или вообще не содержит его, обладает высокой жёсткостью, прочностью и хорошей размерной стабильностью. Обладая прочностью на разрыв 40–60 МПа и модулем упругости при изгибе 2000–3000 МПа, он подходит для изготовления конструкционных элементов. Жёсткий ПВХ обладает превосходной химической стойкостью и атмосферостойкостью, что делает его основным материалом в строительстве и химической промышленности, например, для изготовления водопроводных и канализационных труб, дверных и оконных профилей, а также резервуаров для хранения химикатов.

Мягкий ПВХ содержит от 10% до 40% пластификатора. Его гибкость увеличивается с увеличением содержания пластификатора, а относительное удлинение при разрыве может достигать 200%-400%. Твёрдость по Шору составляет от 50 до 90 А. Мягкий ПВХ обладает хорошей устойчивостью к низким температурам (сохраняет гибкость даже при -30°C) и легко перерабатывается в плёнки, шланги, искусственную кожу и т. д. Он широко используется в упаковочной, медицинской и бытовой технике.

Модифицированный ПВХ оптимизирует свои характеристики посредством химических или физических методов. Хлорированный ПВХ (ХПВХ) – это важный модифицированный вид, получаемый путем реакции хлорирования ПВХ, которая увеличивает содержание хлора до 63–68%. Это значительно повышает его термостойкость (температура непрерывной эксплуатации 90–100 °C), а его стойкость к давлению и химическая стойкость превосходят характеристики жесткого ПВХ, что делает его пригодным для труб с горячей водой и химических трубопроводов. Ударопрочный модифицированный ПВХ содержит модификаторы ударопрочности, такие как АКР и КПЭ, увеличивающие его ударную вязкость в 3–5 раз, что делает его пригодным для наружных изделий и конструкционных компонентов. Сшитый ПВХ образует сетчатую структуру посредством химической или радиационной сшивки, что повышает его термостойкость и стойкость к растворителям, что делает его пригодным для изоляционных слоев кабелей.

IV. Разнообразные области применения

ПВХ, благодаря своим регулируемым свойствам и гибкости в обработке, нашел широкое применение в различных областях, таких как строительство, упаковка, здравоохранение, предметы первой необходимости и промышленность, что делает его незаменимым материалом в современном обществе.

Строительный сектор представляет собой крупнейший рынок применения ПВХ, на который приходится более 60% его использования. Благодаря своей стойкости к химической коррозии, низкому сопротивлению жидкости и простоте монтажа жесткие трубы из ПВХ заменили традиционные металлические трубы в муниципальном водоснабжении и канализации, дождевых трубах и химических трубах, со сроком службы до 50 лет и более. Дверные и оконные профили из ПВХ широко используются в жилых и коммерческих зданиях благодаря своим хорошим тепло- и звукоизоляционным свойствам, а также неприхотливости и низкой стоимости. Напольное покрытие из ПВХ (рулонное и листовое) износостойкое, нескользящее и легко моется, что делает его подходящим для использования в торговых центрах, больницах и жилых домах. Гидроизоляционные мембраны из ПВХ обладают высокой устойчивостью к атмосферным воздействиям и используются для гидроизоляции крыш и подвалов.

В сфере упаковки ПВХ-плёнка обладает превосходной прозрачностью и барьерными свойствами, что делает её пригодной для термоусадочной плёнки, используемой для этикеток на бутылках для напитков и пива, которая плотно прилегает после нагревания. Мягкая ПВХ-плёнка используется для упаковки пищевых продуктов и косметики, обеспечивая превосходную гибкость и герметичность. Бутылки и банки из ПВХ обладают хорошей химической стойкостью и используются для упаковки жидкостей, таких как моющие средства и косметика, при этом обходятся дешевле, чем ПЭТ-бутылки.

В медицине мягкий ПВХ, благодаря своей гибкости, герметичности и низкой стоимости, используется для производства одноразовых медицинских изделий, таких как инфузионные трубки, пакеты для крови и чехлы для шприцев. Требуются добавки медицинского назначения (без фталатных пластификаторов и малотоксичных стабилизаторов). Медицинские изделия из ПВХ можно стерилизовать паром, а их прозрачность облегчает наблюдение за состоянием жидкости, однако следует учитывать миграцию пластификаторов.

В предметах повседневного спроса и в промышленности мягкий ПВХ используется для изготовления искусственной кожи, резиновых сапог, перчаток, скатертей и т. д., которые являются износостойкими и устойчивыми к загрязнениям; ПВХ-компаунды для кабелей используются для оболочек проводов и кабелей благодаря своим изоляционным и огнестойким свойствам; ПВХ-панели разрезаются для изготовления рекламных щитов и выставочных стендов; модифицированный ПВХ также используется в салонах автомобилей (например, для обшивки приборных панелей), игрушках (метод формования заливкой), сельскохозяйственных пленках для теплиц и т. д.

V. Охрана окружающей среды и тенденции развития

Экологичность ПВХ долгое время вызывала споры, однако благодаря технологическим инновациям и стандартизированному управлению он постепенно движется в сторону устойчивого развития.

Экологические проблемы ПВХ в основном связаны с двумя аспектами: во-первых, используемый в производстве винилхлоридмономер (ВХМ) токсичен, и его остаточное количество необходимо строго контролировать (содержание ВХМ в готовой продукции должно быть ниже 1 частей на миллион). Во-вторых, существуют опасения относительно безопасности пластификаторов и стабилизаторов. Традиционные пластификаторы на основе фталатов могут оказывать негативное влияние на эндокринную систему, а стабилизаторы на основе солей свинца содержат тяжёлые металлы, что вредно как для человека, так и для окружающей среды. Кроме того, при сжигании ПВХ при недостаточной температуре (ниже 800 °C) выделяются вредные вещества, такие как диоксины, что требует использования специализированных мусоросжигательных установок для утилизации.

Для решения экологических проблем отрасль внедрила ряд мер по улучшению: с точки зрения добавок, разработка нефталатных пластификаторов (таких как цитратные эфиры, эпоксидированное соевое масло), бессвинцовых стабилизаторов (кальций-цинковые стабилизаторы, органические оловянные стабилизаторы) и медицинского ПВХ полностью запретила фталатные пластификаторы; в производстве, продвижение чистых производственных процессов для снижения выбросов ВХМ и потребления энергии; в переработке технология переработки ПВХ является зрелой, при этом физическая переработка включает сортировку, очистку, плавление и переформовку отходов ПВХ для производства труб, панелей и т. д.; химическая переработка включает разложение ПВХ на мономеры ВХМ посредством пиролиза для достижения замкнутого цикла переработки.

Уровень переработки ПВХ в мире постепенно растёт. Европейский союз продвигает переработку ПВХ в рамках своей Программы действий по развитию циклической экономики (дддххх), и уровень переработки ПВХ-труб в строительном секторе может превышать 90%. Кроме того, достигнут прогресс в исследованиях и разработке разлагаемого ПВХ, который может постепенно разлагаться в определённых условиях за счёт введения гидролизуемых групп или добавления биоразлагаемых компонентов.

Дальнейшее развитие ПВХ будет сосредоточено в трёх направлениях: высокие эксплуатационные характеристики, защита окружающей среды и функционализация. Высокие эксплуатационные характеристики будут достигаться за счёт молекулярной разработки и модификации композитов для повышения термостойкости (например, ХПВХ для высокотемпературных трубопроводов), атмосферостойкости (добавление УФ-поглотителей для изделий, предназначенных для наружного применения) и механических свойств; защита окружающей среды будет включать в себя всестороннее продвижение безопасных добавок (без фталатов, без свинца), совершенствование системы переработки и разработку биоматериалов на основе ПВХ (с использованием части сырья из биомассы); функционализация будет сосредоточена на исследованиях и разработках антибактериального ПВХ (для медицинской сферы), самоочищающегося ПВХ (для наружных стен зданий), высокобарьерного ПВХ (для упаковки) и т. д., расширяя возможности применения в высокотехнологичных областях.

ПВХ, будучи высокопластичным материалом, воплощает в себе совместный прогресс материаловедения и социальных потребностей в процессе своего развития. От базовых бытовых товаров до высокотехнологичных промышленных компонентов, ПВХ поддерживает функционирование современного общества благодаря своим экономически эффективным преимуществам. С развитием технологий защиты окружающей среды и развитием экономики замкнутого цикла ПВХ достигнет устойчивого развития, решая существующие проблемы и продолжая играть важную роль в качестве материального вспомогательного материала.