Поливинилхлорид (ПВХ)

Поливинилхлорид (ПВХ): как изготавливают и где используют

ПВХ, или поливинилхлорид, — синтетический полимер из группы термопластов, который относится к одному из наиболее популярных соединений в мире. Особенность этого полимера в том, что его нельзя перерабатывать в чистом виде. По этой причине ПВХ модифицируют: смешивают с различными добавками и получают композиции для производства материалов с заданными свойствами.

Из чего состоит композиция на базе поливинилхлорида

Чистый поливинилхлорид невозможно перерабатывать в готовые изделия. Чтобы полимер стал пригодным для производства, его смешивают с технологическими компонентами. Добавки задают материалу необходимую жесткость, эластичность, цвет, а также обеспечивают стойкость к нагреву и ударам.

Компоненты ПВХ-смесей по группам

1. Базовая смола.

   • Поливинилхлорид (основа) — главный полимер, определяющий каркас будущего изделия.

2. Пластификаторы и растворители.

   • Пластификаторы (фталаты, адипаты) — снижают жесткость, придают эластичность и гибкость.

   • Растворители и разжижители — регулируют вязкость и текучесть жидких паст (пластизолей).

3. Стабилизаторы и смазки.

   • Термостабилизаторы — соединения на основе кальция, цинка или бария. Защищают ПВХ от термического разрушения при переработке и от УФ-лучей.

   • Технологические смазки — предотвращают прилипание расплава к оборудованию и улучшают текучесть.

4. Модификаторы свойств.

   • Модификаторы перерабатываемости — ускоряют плавление и делают массу однородной.

   • Модификаторы ударопрочности — повышают устойчивость готового жесткого пластика к растрескиванию и механическим ударам.

5. Наполнители и пигменты.

   • Наполнители — инертные минеральные вещества, например, мел. Корректируют физические свойства и снижают себестоимость материала.

   • Пигменты — органические и неорганические красители для придания цвета и защиты от выцветания.

6. Специальные и функциональные добавки.

   • Вспениватели (порофоры) — создают пористую, мелкоячеистую структуру пластика.

   • Антипирены — снижают горючесть и дымовыделение материала.

   • Усилители адгезии — обеспечивают прочное сцепление ПВХ-покрытия с тканевой или синтетической основой.

   • Реологические и биоактивные добавки — деаэраторы удаляют пузырьки воздуха, диспергаторы помогают равномерно распределять компоненты в пасте, биоциды защищают от бактерий и плесени.

В зависимости от способа производства и назначения, ПВХ-композиции выпускают в двух видах:

• Драйбленд (пластикат) — сухая порошковая смесь или гранулы на базе суспензионного ПВХ.

• Пластизоль (паста) — жидкая или пастообразная дисперсия на базе эмульсионного или микросуспензионного ПВХ. При нагревании она необратимо превращается в монолитный пластик.

Преимущества и ограничения ПВХ

Поливинилхлорид обладает особым набором физико-химических свойств, которые делают его одним из самых востребованных полимеров в промышленности. При этом специфика его молекулярной структуры накладывает жесткие ограничения на условия эксплуатации и утилизации.  

Достоинства

• Высокая механическая прочность. ПВХ отлично выдерживает нагрузки на растяжение и сжатие, обладает низкой истираемостью.

• Химическая и биологическая стойкость. Полимер инертен к воздействию большинства кислот, щелочей, минеральных масел, а также не подвержен гниению, воздействию грибка и бактерий.

• Пожаробезопасность. Из-за высокого содержания связанного хлора чистый ПВХ является самозатухающим материалом. Материал не поддерживает горение на воздухе без внешнего источника пламени.

• Отличные диэлектрические свойства. Обладает высокой электроизоляционной способностью.

• Долговечность и климатическая стойкость. Изделия со специальными стабилизаторами устойчивы к ультрафиолету и перепадам температур, а срок их службы, например, у труб и оконных профилей, превышает 50 лет.

• Потенциал вторичной переработки. ПВХ — термопласт, который без критической потери базовых качеств способен выдерживать до 10 циклов повторного переплавления и переработки.

Уязвимости

• Низкая термостойкость. Эксплуатационные свойства материала резко снижаются при нагреве. Большинство стандартных изделий сохраняют физическую форму и прочность только при температуре до +65…+70 °C.

• Чувствительность к органическим растворителям. Материал неустойчив к воздействию кетонов, например, ацетона, сложных эфиров, ароматических и хлорированных углеводородов.

• Низкая морозостойкость. При низких температурах без добавления специальных морозостойких модификаторов ПВХ теряет ударную вязкость, становится хрупким и склонным к растрескиванию.

Безопасен ли ПВХ

Базовый полимер ПВХ в чистом и твердом состоянии химически стабилен и абсолютно инертен. Влияние материала на здоровье и экологию зависит от типа ПВХ-композиции и условий, в которых его используют.

• Зависимость от рецептуры. Степень экологичности жесткого ПВХ (винипласта) и мягкого (пластиката/пластизоля) кардинально отличается. В жестких конструкциях вроде окон или труб вредные вещества заблокированы внутри матрицы полимера и не выделяются в окружающую среду.

• Фактор пластификаторов. В мягких композициях, например, дешевых игрушках, старом линолеуме, могут использоваться фталаты. Со временем вещество медленно мигрирует на поверхность изделия. Современные экологичные марки ПВХ производятся с применением безопасных бесфталатных пластификаторов.

• Поведение при комнатной температуре. При стандартных условиях эксплуатации +15…+30 °C качественные изделия из ПВХ ничего не выделяют в воздух, не имеют запаха и разрешены в детских и медицинских учреждениях.

• Опасность при критическом нагреве. Проблемы с безопасностью начинаются при термическом разложении ПВХ выше +150 °C и в случае пожара. При горении материал выделяет опасный для человека едкий хлористый водород и высокотоксичные соединения — диоксины.

• Сложность экологичной утилизации. ПВХ безопасен в быту, но агрессивен к экологии при неправильной утилизации. Его нельзя сжигать вместе с бытовым мусором из-за выброса газов хлора. Безопасным решением является исключительно специализированная переработка.

Способ получения поливинилхлорида

Поливинилхлорид получают методом радикальной полимеризации мономера винилхлорида C₂H₃Cl, который изначально представляет собой бесцветный газ. В промышленной практике используют три основных метода производства: суспензионный, эмульсионный, включая микросуспензионный, и полимеризацию в массе. Выбор метода определяет физическую форму полимера, его чистоту и дальнейшие свойства композиции.

Суспензионный метод (основной)

• Как происходит процесс: полимеризация жидкого мономера винилхлорида проходит в водной среде внутри реактора. Процесс идет в присутствии инициатора, который растворим в мономере. Постоянное перемешивание не дает каплям винилхлорида слипаться.
• Получают: суспензионный ПВХ (ПВХ-С) в виде относительно крупных пористых гранул. Это самый чистый и популярный тип смолы.
• Применение: производство жестких изделий методом экструзии и литья — оконные профили, трубы, сайдинг, жесткие пленки, а также кабельная изоляция.

Эмульсионный и микросуспензионный метод

• Как происходит процесс: мономер полимеризуется в воде с добавлением эмульгаторов и водорастворимых инициаторов. В микросуспензионном методе малый размер частиц достигается за счет дополнительной механической стадии гомогенизации смеси.
• Получают: эмульсионный ПВХ (ПВХ-Э) в виде мелкодисперсного порошка с высоким содержанием остаточных эмульгаторов. При смешивании с пластификаторами он образует жидкие пасты — пластизоли.
• Применение: переработка в жидком виде — производство линолеума, виниловых обоев, искусственной кожи, перчаток, защитных покрытий и детских игрушек методом ротационного формования.

Полимеризация в массе (блочный метод)

• Как происходит процесс: метод термической полимеризации в сухой среде без использования воды, эмульгаторов или растворителей. Мономер под давлением переходит в жидкую фазу и полимеризуется непосредственно в собственном объеме.
• Получают: блочный ПВХ (ПВХ-М) в виде чистейшего порошка. По физико-механическим свойствам материал близок к суспензионному ПВХ, но полностью избавлен от следов влаги и сторонних примесей.
• Применение: изготовление высокопрозрачных пленок, светопрозрачных листов, бутылок и специальных конструкционных деталей с повышенными требованиями к оптической чистоте.

Полимеризация в массе

Здесь для получения ПВХ используют метод термической полимеризации. Под воздействием высокой температуры и давления мономер винилхлорида переходит в жидкое состояние, а затем полимеризуется в массе из неполимеризованного мономера и полимера.

Таким методом получают ПВХ, аналогичный по свойствам суспензии

Микросуспензионный метод производства отличается от эмульсионного типом инициатора и наличием дополнительной стадии для получения частиц малого размера

Эмульсионный и микросуспензионный метод

Способ предусматривает полимеризацию мономера винилхлорида в водной среде с использованием эмульгаторов и растворимых в воде инициаторов.

Характерной особенностью полимеризации винилхлорида в эмульсии является применение инициатора, растворимого в воде, но нерастворимого в мономере

Суспензионный метод

Полимер получают из водной суспензии с содержанием мономера винилхлорида в присутствии инициатора, растворимого в мономере. Готовую суспензию полимеризуют в реакторе с добавлением ингибиторов и регуляторов.

В зависимости от способа производства получают два основных вида поливинилхлорида: суспензию и пастообразующий ПВХ (эмульсию или микросуспензию). Каждый из них делится на несколько марок в зависимости от свойств и области применения.

Свойства и особенности изделий из ПВХ

ПВХ устойчив к воздействию масел, щелочей и кислот, однако при контакте с некоторыми веществами и под воздействием высоких температур может распадаться на отдельные компоненты. Материал невосприимчив к коррозии и гниению, обладает высокими показателями водонепроницаемости.

ПВХ прост в обработке, поэтому подходит для изготовления изделий как геометрической, так и сложной криволинейной формы. Устойчив к температурным перепадам, а также многократному размораживанию и оттаиванию. Поливинилхлорид, как и некоторые другие крупнотоннажные полимеры, способен выдержать до 10 циклов вторичной переработки.

У ПВХ низкий коэффициент теплопередачи и истираемости. Он отлично справляется с механическими нагрузками, работает на растяжение и сжатие, благодаря чему из него создают материалы с широким диапазоном твердости.

Особенности ПВХ в различных условиях:

• сохраняет физические свойства при температуре до +65 °C;

• не становится хрупким при охлаждении до −60 °C и ниже благодаря специальным модификаторам;

• выдерживает многократные циклы замораживания/размораживания без потери качества;

• обладает высокой электроизоляционной способностью.

Поливинилхлорид без труда поддается формовке, резке, сварке, что позволяет использовать материал для производства различных изделий.

Где применяют поливинилхлорид

Поливинилхлорид относят к универсальным полимерам. Его используют для производства оконных рам, дверных конструкций, каркасов остекления, а также мягкой и гибкой упаковки.

Что еще производят на основе ПВХ:

• строительные и отделочные материалы — виниловые обои, напольную плитку, линолеум, кровельные покрытия, натяжные потолки, изоляционные элементы, фасадные панели;

• транспортные средства — лодки, яхты, водные мотоциклы, части интерьера салонов автомобилей, радиаторные решетки, материалы для обшивки салона;

• изделия медицинского назначения — жгуты, капельницы, перевязочные материалы, катетеры, кровоостанавливающие системы;

• упаковочные материалы — воздушно-пузырьковую пленку, пакеты, мягкие контейнеры, эластичную пленку;

• электропроводка и изоляция — кабельную продукцию, изоляционные покрытия, корпусные части инженерных блоков;

• потребительские товары — детские игрушки, обувную подошву;

• мебельное производство — наполнители, элементы каркаса, обивку, декор.

Из ПВХ делают пластиковые бутылки и пищевые контейнеры, блистеры. Благодаря водостойкости материал подходит для изготовления непромокаемых покрытий.

Виды пластмасс на основе ПВХ

На практике ПВХ чаще делят на жесткий и мягкий. Основное различие — наличие и количество пластификатора. Жесткие пластмассы служат прочной конструкционной основой, тогда как мягкие обладают высокой эластичностью и устойчивостью к многократным деформациям.

Жесткие пластмассы (винипласт)

Жесткий конструкционный материал на основе непластифицированного или частично пластифицированного поливинилхлорида. Помимо смолы, содержит термо- и фотостабилизаторы, антиоксиданты и смазки. Выпускается в виде листов, труб, прутков и плотных гранул.

Применение: окна, трубы, профили, панели, фитинги, фасадные панели и жесткие инженерные конструкции.

Мягкие пластмассы (пластикат)

Мягкая при обычных температурах пластмасса, которую получают путем введения большого количества пластификаторов. Материал обладает высокой гибкостью, устойчив к климатическим перепадам температур и мгновенно восстанавливает первоначальную форму при деформации. Выпускается в формате гранул, лент, пластин или гибких пленок.

Применение: кабельная изоляция, гибкие пленки, искусственная кожа, шланги, медицинские трубки и уплотнители.

Пластизоли (пастообразные композиции)

Жидкие или пастообразные дисперсии мельчайших частиц эмульсионного ПВХ в пластификаторах. При комнатной температуре они остаются текучими, но при нагревании необратимо желатинизируются. В результате превращаются в монолитный эластичный пластикат с высоким электрическим сопротивлением и химической стойкостью.

Применение: пастообразные композиции для защитных и декоративных покрытий, перчаток, искусственных кож, обоев, герметиков и литых детских игрушек.

Как выбирают марку ПВХ для производства

Выбор конкретной марки ПВХ зависит от требуемых свойств конечного изделия и технологии его переработки. Основным ориентиром для технологов является константа Фикентчера (K-значение). Параметр отражает среднюю молекулярную массу и длину полимерной цепи.

• Низковязкие марки (K = 55–58). Легко плавятся и обладают высокой текучестью. Применяются для литья под давлением сложных тонкостенных изделий, фитингов и производства жестких пленок.

• Средневязкие марки (K = 63–68). Самый универсальный и массовый сегмент. Используются для экструзии оконных профилей, подоконников, сайдинга, а также напорных и канализационных труб.

• Высоковязкие марки (K = 70–75 и выше). Обладают повышенной прочностью и эластичностью, но требуют высоких температур для переработки. Из них производят кабельный пластикат, шланги, медицинские трубки и гибкие уплотнители.

Помимо K-значения, производители учитывают насыпную плотность порошка, которая влияет на производительность оборудования, и его способность поглощать пластификатор, что критично для получения однородных мягких композиций.

Инновационные разработки в области полимеров

Тема развития полимерной отрасли актуальна для многих производственных компаний и крупных промышленных предприятий. Именно поэтому научно-исследовательский центр «СИБУР Полилаб» реализует проекты в сфере полимерной продукции и предлагает партнерам инновационные решения.

В экосистему «СИБУР Полилаб» входит семь научных центров по переработке и исследованию полимеров, где каждый день испытывают готовые изделия и генерируют идеи. Эксперты центров разрабатывают и тестируют новые рецептуры. Концептуальные разработки появляются на основе анализа текущего спроса: все происходит с учетом современных рыночных тенденций.

Исследовательские центры «СИБУР Полилаб» постоянно совершенствуют свою деятельность:

• совместно с производством оптимизируют способы получения поливинилхлорида и проверяют гипотезы;

• применяют технологии искусственного интеллекта для тестирования и экономии ресурсов;

• предлагают безопасные и эффективные методы переработки и применения вторичного полимерного сырья;

• оценивают готовые изделия на соответствие актуальным стандартам и требованиям.

• оптимизируют технологические процессы производства для снижения энергопотребления;

• разрабатывают новые методы вторичной переработки ПВХ.

Специалисты «СИБУР Полилаб» оказывают техническую поддержку представителям производственных предприятий. Реализуют проекты по вовлечению полимерных отходов в производство продукции, продвигая концепцию устойчивого развития.