Поливинилхлорид (ПВХ)

Сокращения и другие названия: ПВХ, РVC, полихлорвинил, хосталит, луковил, норвик, ПВХ пластикат, Polyvinyl Chloride, PVC-HD (Поливинилхлорид с высокой плотностью), PVC-LD (Поливинилхлорид с низкой плотностью)

Тип полимера: термопласт

Мономер: винилхлорид (VCM)

Что такое ПВХ?

Поливинилхлорид - это бесцветная, прозрачная пластмасса, термопластичный полимер винилхлорида; элементарные звенья в его макромолекуле соединены по типу «голова к хвосту». Имеет молекулярную формулу (С₂Н₃Cl)_n.

Структурная формула ПВХ представлена следующим образом:

Международный знак вторичной переработки:

Такое обозначение ПВХ указывает на то, что его запрещено использовать для пищевого применения: может содержать бисфенол А, винилхлорид, фталаты, ртуть или кадмий.

Данный полимер представляет собой белый порошок с молекулярной массой 30000-150000 (в зависимости от промышленных марок продукта). В CAS представлены следующие физические свойства поливинилхлорида:

Отмечается, что ПВХ трудногорюч, а при температурах выше 110-120°C склонен к разложению с выделением хлористого водорода HCl.

Следует добавить, что хосталит растворяется в циклогексане, тетрагидрофуране (ТГФ), диметилформамиде (ДМФА), дихлорэтане и ограниченно – в бензоле и ацетоне (набухает).

Поливинилхлорид не подвергается растворению в воде, спиртах, углеводородах (в том числе в бензине и керосине). Также он устойчив к действию кислот, щелочей, растворов солей, жиров и спиртов.

Что касается получения ПВХ, выделяют радикальную полимеризацию винилхлорида в массе, суспензии, эмульсии и растворе. Наибольшее распространение в промышленности на данный момент времени имеет суспензионный метод.

Для начала рассмотрим процесс производства поливинилхлорида с помощью полимеризации в массе.

В данном способе получения ПВХ в промышленности отмечается сложность отвода теплоты реакции. Условия теплоотвода ухудшаются вследствие того, что при увеличении степени превращения мономера постепенно исчезает жидкая фаза и образуются крупные агрегаты полимера. Это приводит к местным перегревам и получению неоднородного мономера. При таком условии полимеризацию винилхлорида можно осуществлять до степени конверсии мономера не выше 20 – 25%.

1 – автоклав предварительной полимеризации

2 – емкость винилхлорида

3 – автоклав – полимеризатор

4 – фильтр

5 – конденсатор регенерированного винилхлорида

6 – бункер-циклон

7, 11 – грохот

8,12, 14, 18 – приемники поливинилхлорида

9 –емкость

10 – дробилка

13 – автоматические весы

15 – мельница

16 – воздушный фильтр

17 – барабанный питатель

В реактор – автоклав 1 подают инициатор (0,05 – 0,1% от массы мономера) и из емкости 2 через счетчик или весовой мерник загружают жидкий винилхлорид.

В рубашку реактора подают горячую воду для разогрева реакционной массы в течение 1 – 1,5 ч, затем при интенсивном перемешивании и отводе теплоты реакции проводят полимеризацию винилхлорида до 10%-ой степени конверсии при давлении 0,9-1,1Мпа. Образующуюся суспензию полимера в мономере сливают в реактор – автоклав 3, в котором ее смешивают с новой порцией мономера, инициатором, акцептором, акцептором хлористого водорода и другими добавками.

В реакторе – автоклаве, снабженном перемешивающим устройством с переменной частотой вращения, полимеризация продолжается до 60 – 85%-ой конверсии. Температура и давление поддерживаются регулированием температуры циркулирующей в рубашке воды. Продолжительность полимеризации 8 – 11ч. Незаполимеризовавшийся винилхлорид сдувается через фильтр 4 в конденсатор 5. Сконденсировавшийся винилхлорид стекает в емкость 2. Из автоклавов 1 и 3 перед их загрузкой тщательно удаляют воздух вакуумированием или продувкой азотом. Полученный ПВХ при помощи воздуха выгружается из реактора в виде пылевоздушной смеси в бункер – циклон 6, в котором он отделяется от воздуха и направляется на рассев. Порошкообразный поливинилхлорид проходит через грохот 7 и бункер – приемник 8, просеивается на сите 11, собирается в бункер – приемник 12 и поступает на упаковку.

Крупная фракция продукта из грохота 7 поступает в дробилку 10, в бункер – приемник 14, порошок с нестандартным размером частиц подается в мельницу 15. Просеянный продукт собирается в бункере – приемнике 18, откуда поступает непосредственно на упаковку.

При суспензионной полимеризации получают около 70% количества поливинилхлорида. Различают периодический процесс и полунепрерывный, их отличие состоит в аппаратурном оформлении.

Ниже представлена схема периодического процесса производства поливинилхлорида полимеризацией в суспензии:

1 – реактор – полимеризатор

2 – емкость для раствора стабилизатора

3 – фильтр

4 – коркоотделитель

5 – дегазатор суспензии

6 сборник – усреднитель суспензии

7 –центрифуга

8 – сушилка

9 – бункер

10 – узел рассева порошка

В реактор – полимеризатор 1 загружают через счетчик и весовой мерник деминерализованную воду, раствор стабилизатора из емкости 2 (через фильтр 3) и раствор инициатора. Затем его продувают азотом и подают жидкий винилхлорид. После загрузки компонентов в рубашку реактора подают горячую воду для нагрева реакционной смеси. Полимеризация продолжается около 5 – 10 часов, конверсия мономера 80 – 90%. Не вступивший в реакцию винилхлорид сдувают, потом удаляют из реактора в газгольдер с последующей регенерацией. Суспензия ПВХ через коркоотделитель 4 поступает в аппарат 5 на дегазацию не вступившего в реакцию винилхлорида, хлороводорода и других примесей. Винилхлорид после регенерации возвращается на полимеризацию. Далее суспензию передают в сборник – усреднитель 6, там суспензию смешивают с суспензией после других операций и подают в центрифугу 7 для отделения полимера от водной фазы. Фильтрат поступает в систему очистки сточных вод. Порошкообразный полимер с влажностью 20 – 30 % подается в сушилку 8. При сушке в кипящем слое температура поступающего в камеру воздуха в камеру 115-120, температура в разных точках кипящего слоя 35 - 65°C. После сушки содержание влаги в полимере не должно превышать 0,3 – 0,5%. Затем порошкообразный ПВХ сжатым воздухом передается в бункер 9, а из него в узел 10. Готовый поливинилхлорид в виде порошка упаковывается в тару, а крупнозернистые фракции подвергаются размолу.

Суспензионный ПВХ обычно выпускается в виде однородного порошка белого или светло – желтого цвета с насыпной плотностью 450 – 600 кг/м³.

Рассматривая эмульсионную полимеризацию поливинилхлорида, можно отметить одну особенность: в данном способе используется инициатор, растворимый в воде, но нерастворимый в мономере. Этот факт обуславливает отличие механизма эмульсионной полимеризации от полимеризации в суспензии.

Технологический процесс получения эмульсионного поливинилхлорида по непрерывному способу состоит из стадий подготовки исходных компонентов, полимеризации винилхлорида, дегазации латекса, нейтрализации и стабилизации латекса, выделения ПВХ из латекса, расфасовки и упаковки материала.

На рисунке представлена схема процесса производства поливинилхлорида полимеризацией в эмульсии:

1 – аппарат для растворения эмульгатора; 2, 5, 12 – фильтры; 3 – сборник водной фазы; 4 – полимеризатор; 6 – дегазатор латекса; 7 – сборник латекса; 8 – растворитель соды; 9 – сборник раствора соды; 10 – емкость для стабилизации латекса; 11 – вакуум – насос.

В реактор 1 непрерывно поступают жидкий винилхлорид и водный раствор эмульгатора, инициатора и регулятора рН среды. В верхней секции реактора с помощью коротколопастной мешалки создается эмульсия мономера в воде. По мере движения эмульсии при температуре 40 - 60°C происходит полимеризация винилхлорида на 92-95%. Отвод тепла реакции осуществляется через рубашку, а отношение винилхлорида к водной фазе колеблется в пределах от 1 : 1 до 1 : 2.

Процесс полимеризации контролируется по плотности эмульсии и температуре реакционной смеси в автоклаве. При нормальной работе плотность равна 1120 кг/м³.

Латекс направляют через фильтр 5 в аппарат 6 на дегазацию. Остатки мономера из латекса удаляют путем вакуумирования.

Из дегазатора 6 латекс поступает в сборник 7, откуда перекачивается насосом в емкость 1- для стабилизации раствором соды. Стабилизированный латекс направляют на сушку в распылительный сушильный агрегат. Сухой продукт, содержащий не более 0,35% влаги, расфасовывают и упаковывают на специальной машине.

Следует отметить, что существенным недостатком эмульсионного ПВХ является высокое содержание примесей в полимере, что ограничивает его области применения.

Последний способ - получение ПВХ в растворе. Его проводят в среде органических растворителей в присутствии органических пероксидных и гидропероксидных инициаторов.

Такой вид полимеризации в промышленности применяют редко, ввиду продолжительности процесса, большого расхода растворителей и необходимости их регенерации.

Естественно, в зависимости от способа получения поливинилхлорида различают различные маркировки этого материала. Так, марки поливинилхлорида, полученного суспензионным методом, обозначаются как ПВХ-С, эмульсионным – ПВХ-Е, массовым – ПВХ-М. Последующие цифры для каждого способа производства имеют свое значение. Последняя буква, которая находится после цифр, указывает на возможное применение поливинилхлорида данной марки (буква М – мягкие изделия, Ж – жесткие изделия, П – пасты).

Рассмотрим несколько примеров маркировок для суспензионного ПВХ:

Смола ПВХ-С-7059-М – поливинилхлорид суспензионный, применяется для производства следующих пластифицированных изделий: светотермостойкий кабельный пластикат, медицинский пластикат, пленочные материалы, искусственная кожа, высокопрочные трубы, специальный линолеум.

Смола ПВХ-С-6359-М – поливинилхлорид суспензионный, используется для производства пластифицированных и полужестких изделий общего назначения (искусственная кожа, пленка, линолеум) и листов спец. назначения.

Смола ПВХ-С-6768-М – поливинилхлорид суспензионный, применяется для производства труб, профильно-погонажных изделий и прочих пластифицированных материалов (в основном это оконные конструкции).

Смола ПВХ-С-7058-М – поливинилхлорид суспензионный, применяется для производства следующих пластифицированных изделий: светотермостойкий кабельный пластикат, медицинский пластикат, пленочные материалы, искусственная кожа, высокопрочные трубы, специальный линолеум.

Смола ПВХ-СИ-67 – поливинилхлорид суспензионный, используется для изготовления следующих изделий: жесткие и гибкие прессования, канализационные напорные и дренажные трубы, строительные и оконные профили, фитинги, тара, упаковка, подоконники.

Применение поливинилхлорида, изделия из пвх

Поливинилхлорид стал одним из самых широко используемым пластиков в мире (находится в тройке по популярности вместе с полиэтиленом и полипропиленом). Это обусловлено как его низкой ценой, так и высокими техническими характеристиками.

ПВХ-изделия нашли свое применение в строительстве. Так, в развитых странах они составляют больше половины от всех применяемых стройматериалов и встречается в обычной жизни как материал для производства окон, дверей, водостоков и различных отделочных материалов.

Не исключено применение поливинилхлорида и в области медицины, так как материал возможно использовать разово, что позволило исключить использование стеклянных и резиновых изделий, требующих стерилизации. ПВХ можно встретить в виде сосудов, трубок и катетеров, перчаток, шин, упаковки лекарство и др.

Также поливинилхлорид используют как уплотнитель в бытовых и профессиональных холодильниках. Это дало возможность применить магнитные затворы в виде намагниченных эластичных вставок, помещаемых в баллоне уплотнителя, вместо относительно сложных механических затворов.

Вдобавок ко всему, материал широко применяется в рекламе: для оформления витрин магазинов и торговых точек, создания рекламных баннеров и плакатов. Служит сырьём для производства различного рода продукции от грампластинок и плакатов до наклеек.

Из ПВХ изготавливают одежду (искусственная кожа и резина) спортивный инвентарь (экипировка, мячи и пр.), мебель, садовые шланги, кредитные и телефонные карты, надувные лодки, рюкзаки, игрушки надувные и мягкие. ПВХ является основой для изготовления всевозможных упаковок для продуктов питания и вещей быта.

Повторное использование ПВХ

У искусственного материала ПВХ множество преимуществ, однако один его яркий минус - это его искусственность, то есть он не может перерабатываться в природе естественным путем, что приводит к загрязнению окружающей среды. Но есть отличное решение этой проблемы.

Переработка отходов поливинилхлорида позволяет избежать негативного влияния на окружающую среду и вторично использовать эти отходы для производства новой продукции. Процесс переработки производится в несколько этапов: мусор сортируется, измельчается, прессуется, проходит переработку, затем под воздействием определенной температуры превращается в единую массу второсортного ПВХ.

Фото заимствовано с сайта p-z-o.com

Отсортированные отходы ПВХ перерабатывают двумя способами - механическим и химическим.

Механическая переработка

Отходы ПВХ измельчают в порошок, пригодный для получения новых изделий из пластмассы. Для механической переработки подходят оконные профили и аналогичные конструкции.

Химическая переработка

Этот способ является дополнительным. Преимущество химической переработки заключается в том, что количество опасных добавок в отходах заметно сокращается, чего нельзя добиться при механической переработке.

ГОСТ 14332-78 Поливинилхлорид суспензионный

Пластмассы на основе поливинилхлорида: винипласт, пластикат, пластизоль.