Получение поливинилхлоридов

ПВХ представляет собой термопластичный синтетический полимер. Это не мономер, а полимер. Получение поливинилхлорида происходит путем полимеризации винилхлорида в присутствии хлорида натрия. Этот процесс может происходить несколькими методами, которые определяют эксплуатационные характеристики и назначение готовых изделий. Далее подробнее расскажем обо всех нюансах. 

Физико-механические свойства ПВХ

Начнем с физических свойств поливинилхлорида, которые представлены в таблице:

Отличительными химическими свойствами материала являются:

• Не вступает в химическую реакцию с кислотами;
• Не растворяется в спирте и воде;
• При взаимодействии с бензолом и ацетоном, происходит набухание;
• Склонен к растворению в дихлорэтане, циклогексане.

Поливинилхлорид: способы получения

Весь процесс начинается с производства исходного сырья.  Реакция и формула получения поливинилхлорида отличается сложностью. Для изготовления методом электролиза хлористого натрия из каменной соли получают хлор, а из нефти — этилен. Оба компонента вступают между собой в реакцию, что приводит к формированию дихлорэтана. Полученное соединение используется для образования винилхлорида посредством реакции, а это вещество преобразуется в ПВХ после полимеризации. 

Свойства изделий во многом зависят от способа получения ПВХ. Именно этот фактор лежит в основе классификации.

Полимеризация в суспензии

В производстве поливинилхлорида получение происходит по следующей схеме:

• Винилхлорид добавляют в реактор, который предварительно заполняют водой.  
• Нагрев получаемой смеси до +65 °C, показатель определяется необходимой молекулярной массой ПВХ.
• Поддержание оптимального температурного режима для образования однородного продукта.
• При полимеризации осуществляется агрегация частиц, что приводит к появлению пористых гранул. Их размер варьируется от 100 до 300 мкм. 
• По мере уменьшения давления в реакторе происходит удаление мономера, который не прореагировал. 
• Получаемое вещество фильтруют, сушат под горячим воздухом, пропускают через сито и фасуют. 

80% ПВХ изготавливают по суспензионной технологии. Ее преимущество состоит в большой степени чистоты, легком отводе тепла реакции, хорошей производительности, низкой гигроскопичности и широкой вариативности композиций. ПВХ также комбинируется с разными добавками, что позволяет адаптировать свойства материала под индивидуальные требования к конечному изделию. 

Полимеризация в эмульсии

Пластмассу получают в непрерывном и периодическом режиме. Эмульгаторами выступают ПАВ, а инициаторами — водорастворимые соединения. Во время полимеризации происходит зарождение радикалов в одной фазе, после чего реакция продолжается. Далее все зависит от выбранной схемы:

• Непрерывная. Процесс происходит при температуре +45°C…+60°C и сопровождается легким помешиванием. При полимеризации образуется латекс, который поступает снизу реактора, где перемешивание не происходит. Степень превращения исходного сырья может достигать 95%;
• Периодическая. В реактор загружаются все компоненты, вместе с затравочным латексом, водной фазой и прочими добавками. Все составляющие перемешиваются, а получаемый латекс после отсеивания сырья просушивают в камере для распыления. Порошок, который образуется во время полимеризации, просеивают через сито. 

Непрерывная технология превосходит периодическую по производительности, но предприятия отдают предпочтение второму варианту. Это обусловлено возможностью получить материал с необходимым гранулометрическим составом, что хорошо сказывается на переработке. 

Эмульсированные ПВХ не пользуются большим спросом из-за большого количества примесей, которые вводятся при полимеризации. Для поливинилхлорида также характерна относительно высокая электропроводность и гигроскопичность, низкая устойчивость к ультрафиолету и термическому воздействию. 

Полимеризация в массе

Особенность данного метода состоит в проведении двухступенчатой полимеризации. На первом этапе процесс сопровождается помешиванием сырья на высокой скорости до степени 9%. Полученную взвесь частичек в мономере перемещают в реактор второй степени с введением вспомогательных инициаторов и мономеров. Теперь компоненты слабо перемешивают с сохранением необходимой температуры до тех пор, пока степень превращения не достигнет 80%. 

На второй стадии частички увеличиваются и агрегируются, формирование новых не происходит. В результате создаются гранулы, размер которых составляет 100-300 мкм. Он определяется интенсивностью помешивания и температурным режимом на первом этапе. Винилхлорид, который не прореагировал, подлежит удалению. На заключительной стадии материал продувают азотом и фильтруют. 

Преимуществом метода является отсутствие необходимости в выделении с просушиванием ПВХ, что позволяет снизить затраты на производство. Но этот способ используют ввиду ряда недостатков:

• Низкое качество продукции за счет неоднородной молекулярной массы и высокого содержания остаточного сырья;
• Низкая устойчивость к воздействию температур;
• Затрудненный отвод выделяемого тепла.

Дальнейшая переработка материала

Производство поливинилхлорида продолжается переработкой полученной массы в винипласт (мягкий ПВХ) и пластикат (жесткий ПВХ). В первом случае полимер смешивают со следующими компонентами:

• Красителями или пигментными веществами;
• Смазками;
• Стабилизаторами для защиты от атмосферных воздействий;
• Термостабилизаторами;
• Минеральными наполнителями;
• Эластомерами. 

Все вещества смешиваются в двухстадийных смесителях и подлежат переработке на экструзионном оборудовании. Готовый непластифицированный материал чаще всего выпускается в гранулах, из которого получают изделия нужной формы методом литья под давлением или экструзии. 

В производстве пластиката к указанным выше компонентам добавляются пластификаторы. Они уменьшают температуру стеклования, что значительно упрощает переработку полимерной композиции, повышает относительное удлинение и делает продукт менее хрупким. Но после того, как ПВХ пластифицируют, снижается его прочность и диэлектрические свойства, стойкость к химическим воздействиям. Винипласт тоже обычно выпускается в виде гранул. 

Виды поливинилхлорида

ПВХ классифицируют по способу получения и степени пластификации.

• По пластификации: непластифицированный (винипласт) и пластифицированный ПВХ (пластикат). Первый вид жёсткий и без пластификаторов. Он сохраняет прочность и диэлектрические свойства. Применяется для труб, оконных профилей, химической аппаратуры. Пластикат с пластификаторами отличается гибкостью, но менее прочный. Используют для кабелей, плёнки, медицинских трубок.
• По методу полимеризации. Суспензионный ПВХ (≈80 % производства) получают суспензионным методом — суспензионной полимеризацией винилхлорида в воде. Отличается чистотой, низкой гигроскопичностью, хорошей технологичностью. Эмульсионный ПВХ производят с эмульгаторами и водорастворимыми инициаторами. Содержит примеси, имеет высокую электропроводность и гигроскопичность. ПВХ в массе (блочный) получают в результате двухступенчатого процесса без водной фазы.

Экологические аспекты

Получение поливинилхлорида — энергоемкий процесс. Реакция полимеризации мономера винилхлорида отличается сложностью.

Основные риски:

• Выбросы винилхлорида (токсичен, канцерогенен);
• Выделение HCl при перегреве или горении (кислотные дожди, коррозия);
• Отходы производства (фильтраты, катализаторы);
• Долговечность изделий (разлагаются десятилетиями);
• Сжигание ПВХ (образование диоксинов при неполном сгорании).

Меры снижения воздействия:

• Герметизация оборудования при синтезе ПВХ;
• Улавливание мономера;
• Переработка отходов (механическая, химическая, энергетическая);
• Замена токсичных пластификаторов на биоразлагаемые;
• Разработка биополимеров‑заменителей.

Вторичная переработка осложнена разнообразием композиций и загрязнением изделий.

Законодательные ограничения регулируют:

• ПДК винилхлорида в воздухе и воде;
• Содержание тяжелых металлов в стабилизаторах;
• Маркировку и сбор отходов ПВХ.

Получение и использование поливинилхлорида требуют строгого контроля. Развитие рециклинга и «зелёных» технологий снижает экологическую нагрузку. Что делают из ПВХ: трубы, окна, кабели, медицинские изделия, игрушки, упаковка. Свойства поливинилхлорида позволяют широко применяться в строительстве, медицине, автомобилестроении.

Область применения поливинилхлорида

Практически каждый знает, что делают из ПВХ. Полимер — третий по распространенности в мире пластик после полиэтилена и полипропилена. Высокий спрос во многом обусловлен превосходными свойствами, относительно низкой ценой на материал и наличием различных вариаций. Далее рассмотрим основные направления, где используют изделия из поливинилхлорида. 

Медицина

В сфере здравоохранения полимер применяют еще с середины XX века. Это связано с острой потребностью в замене хрупких стеклянных приспособлений, требующих стерилизации. Поливинилхлорид решил эту проблему. Он используется для производства материалов и одноразовых изделий. Он отличается прочностью, химической инертностью и безопасностью даже при внутреннем применении. При необходимости, материал легко подлежит стерилизации. 

ПВХ используют в изготовлении:

• Упаковок для лекарственных препаратов;
• Катетеров;
• Манометров;
• Трубок для кормления пациентов;
• Приспособлений и емкостей для забора и хранения крови, а также внутренних органов для трансплантации;
• Средств защиты;
• Грелок и прочих изделий. 

Выбор ТЭП для вашего производства

Материалы для обуви, уплотнителей, посуды, техники и других отраслей

Выбрать ТЭП

Автомобилестроение

ПВХ заменил комплектующие из металла, сделав транспортные средства более легкими и менее энергозатратными. Широкое применение поливинилхлорид нашел в производстве:

• Изделий для отделки салона;
• Уплотнителей;
• Подушек безопасности;
• Противоскользящих и защитных накладок;
• Изоляционных материалов. 

Строительство

Поливинилхлорид отлично подходит для изготовления:

• Оконных и дверных рам;
• Напольных покрытий;
• Перегородок;
• Труб;
• Мебельных аксессуаров. 

Другие отрасли

Полимер хорошо зарекомендовал себя в производстве детских игрушек, бутылок и крышечек для них, пленок. Большим спросом пользуются корпусы для смартфонов, упаковки косметики и средств личной гигиены.