Список тематических статей

ПВХ (PVC)

Что такое поливинилхлорид

Поливинилхлорид (ПВХ, PVC) – это синтетический полимер, мономерным звеном которого служит молекула хлорида этилена (винилхлорид, хло́ристый вини́л, хлорвини́л, хлорэтиле́н, хлорэте́н, этиленхлори́д), имеющий химическую формулу CH2=CCl. Соответственно поливинилхлорид, как цепной полимер винилхлорида обладает формулой (-CH2-CCl-)n, где n – степень полимеризации.

Полимер на современных производствах синтезируют по механизму радикально-цепной полимеризации, проходящей в блоке или в суспензии. По методу синтеза поливинилхлорид делится на эмульсионный ПВХ-Э и суспензионный ПВХ-С. Также виды поливинилхлоридных материалов (композиций ПВХ) условно делят на две группы:

— непластифицированный или жесткий материал (обозначения в разных источниках – винипласт, PVC-R, PVC-U, RPVC);

— пластифицированный, или мягкий ПВХ, или пластикат (обозначается PVC-F, PVC-P, FPVC).

Поливинилхлорид по своей природе при нормальных условиях является аморфным полярным термопластичным полимером, ценным высокомолекулярным сырьем. В РФ этот полимер синтезируют в Европейской части страны компанией «Русвинил», в Башкирии – БСК, в Сибири – «Саянскхимпластом». В Москве и С-Петербурге ПВХ не производится.

Свойства ПВХ

Основными свойствами поливинилхлорида считаются негорючесть, стойкость к окислению, довольно простое совмещение с другими материалами, в тоже время низкая теплостойкость. Плотность чистого ПВХ составляет 1350-1430 кг/куб.м. При этом насыпная плотность материала составляет 400-700 кг/куб.м. Рассмотрим характеристики ПВХ как чистого полимера подробнее.

Физическо-механические свойства ПВХ:

- белый (или серовато-белый) порошкообразный материал;

- не обладает запахом и вкусом;

- обладает хорошими диэлектрическими характеристиками;

- высокая прочность, водостойкость, стойкость к кислотам, основаниям, маслам, спиртам;

- невысокая стойкость к действию эфиров, ацетонов, хлорированных углеводородов, ароматики;

- в основном хорошо смешивается с пластификаторами, модификаторами и другими химикатами.

Химические характеристики при нормальных условиях:

- горение не поддерживает;

- в случае сильного нагрева деградирует;

- самовоспламенение происходит при резком нагреве до 1100 градусов С;

- температура стеклования — 70-80 градусов С.

Экологические характеристики ПВХ:

Чистый поливинилхлорид в своей основе практически нетоксичен. В некоторых источниках описаны такие действия на организм, как раздражение слизистых оболочек. ПДК материала в воздухе рабочей зоны равна 6 мг/м3. 

Рис.1. Смола ПВХ без добавок

Мелкие частицы ПВХ, взвешенные в воздухе взрывоопасны, а в качестве осевшей пыли этот пластик пожароопасен. При нагревании до температуры выше 150 градусов в воздушной среде поливинилхлорид начинает разлагаться на хлороводород и оксиды углерода (углекислый либо угарный газ), приобретая грязно-желтый цвет. При работе с нагретым до таких температур ПВХ необходимо использовать средства защиты.

Особенности различных подвидов ПВХ:

Суспензионный поливинилхлорид обладает узким ММР (молекулярно-массовым распределением), его макромолекулы почти не разветвляются. ПВХ-С обладает более низким водопоглощением, хорошей светостойкостью и термостойкостью, более высокими диэлектрическими характеристиками. По диэлектрическим свойствам ПВХ-С уступает только полипропилену, полистиролу и полиэтилену.

Соответственно эмульсионный ПВХ имеет широкое ММР, больше посторонних примесей. Его диэлектрические свойства несколько слабее, выше водопоглощение и соответственно хуже светостойкость и термостойкость.

По химическим свойствам серьезно отличаются не пластифицированный материал и пластикат. У первого имеется хорошая химическая инертность. Он стоек к бензинам, маслам и смазкам, щелочами и кислотами. Растворяют поливинилхлорид только сильные полярные органические растворители, такие как хлорбензол, дихлорэтан или тетрагидрофуран. ПВХ-пластикат обладает физико-химическими данными значительно худшими.

История поливинилхлорида

Поливинилхлорид существует уже почти два столетия и впервые стал известен науке уже в 1830-х годах. Химик Виктор Реньо, изучавший винилхлорид (ВХ) случайно допустил его полимеризацию и получил неизвестный белый порошок. Однако, по данным ученых, никаких последствий это ранее открытие не имело.

Промышленный ПВХ впервые получили в 1912 году, когда химик Фриц Клатте воздействуя на ацетилен хлороводородом. В 1913 году новый материал был запатентован. Массовое производство поливинилхлорида различными компаниями было налажено с конца 1920-х годов, когда в мире нашлось достаточное количество хлора для этого. Новый негорючий пластик был призван заменить пожароопасный целлулоид и благодаря массовому производству стал обладать привлекательной ценой.

Переработка ПВХ

Главная сложность в получении изделий из поливинилхлорида – это его термическая нестабильность, то есть склонность к разложению при повышенных температурах. Недостаток усугубляется большой вязкостью расплава чистого полимера. Кроме того, чистый ПВХ материал – порошкообразный полимер. Это накладывает дополнительные ограничения на его упаковку, хранение, доставку, растарку, а также по выбору производственного оборудования. Также это требует использовать при переработке ПВХ различные добавки. 

Отметим, что эмульсионный поливинилхлорид (ПВХ-Э) утрачивает популярность, т.к. из-за своих описанных выше свойств он уже на считается в современных реалиях высококачественным материалом. ПХВ-Э широко используют для изготовления изделий из пластизоля, для других целей всё больше применяют суспензионный ПВХ. На последний по свежим данным приходится порядка 80 процентов потребления полимера.

В современной индустрии поливинилхлорид перерабатывают в основном методом экструзии, гораздо меньше литьем под давлением и небольшие количества (в основном ПВХ-пластизоли) ротационным формованием, выдувным формованием и вальцеванием. Полученные экструзией ПВХ-пленки и листы затем обрабатывают другими методами, в основном термоформованием для производства различных видов упаковки.

 Методом экструзии, как из жестких поливинилхлоридных композиций, так и из пластиката, делают разнообразнейшие профили, в том числе большое количество всевозможных труб и материалов отделки. Среди профилей стоит отметить оконный профиль, подоконник, стеновые панели, сайдинг, водостоки, электротехнические профили и т.д.

Рис.2. Цех по производству экструзионных профилей

Экструзия ПВХ подробно описана в специализированных материалах. Она происходит на экструзионных линиях, особенностями которых являются двушнековый экструдер для переработки порошкообразной смеси ПВХ с добавками и четкий контроль температурного режима экструдера с возможностью принудительного охлаждения каждой зоны. За экструдером в составе линии следует стандартный набор из формующей головки (одно- или несколькоручьевой), калибраторов, охлаждающих ванн, тянущего устройства, маркиратора и отрезной пилы. Смесь для экструзии жесткого поливинилхлорида приготавливают в двухстадийных смесителях различной степени автоматизации, из которых происходит доставка смеси непосредственно в экструдер. Отметим, что некоторые экструзионные профили, например производящиеся современными компаниями на высокопроизводительных линиях панели ПВХ, являются достаточно технологичными тонкостенными изделиями. В подавляющем большинстве случаев ПВХ-пластик для экструзии окрашивают в белый цвет в массе. Следует отметить, что применение минеральных наполнителей с поливинилхлоридом, как и компаундирование с каучуком используются очень редко. Также не очень хорошо удается армировать ПВХ стекловолокном. 

Огромное количество полимера идет также на производство пленок ПВХ. Он может быть использован для выпуска разнообразных пленок, обладающих спектром ценных свойств, варьирующихся при помощи изменения состава композиции, и таких условий как оси и степень ориентации. Как правило, пленки выпускаются методом плоскощелевой экструзии, который отличается от описанной выше экструзии профиля видом формующей головки и последующих устройств в линии, а также наличием в ее составе устройства для ориентирования. Пленочные материалы могут быть как непластифицированные так и пластифицированные. Их свойства зависят от типа и количества пластификатора. Увеличение его количества ведет к росту прозрачности, при этом пленка получается более мягкой, и в том числе не теряет качества мягкости и остается прозрачной при отрицательных температурах.

Литьем под давлением поливинилхлорид перерабатывают как в самостоятельные изделия, например в различные изоляторы контактов, так и большей степени в комплектующие к профильным продуктам из того же материала. К последним относятся трубные фитинги различных размеров, элементы водосточных систем, детали крепления ПВХ-панелей, электротехнические комплектующие и т.д. Литьевые изделия из пластифицированного поливинилхлорида, являющегося эластомером, используются повсеместно, как альтернатива более дорогим термоэластопластам и более сложной в производстве резины. Однако, литье, особенно жесткого ПВХ, также непростой процесс, учитывая высокую вязкость полимера и его склонность к термодеструкции с выделением агрессивного хлороводорода (HCl). Как правило, жесткий поливинилхлорид льют на специальных термопластавтоматах с дополнительным охлаждением материального цилиндра и защитой металла, контактирующего с расплавленным ПВХ хромированной либо нержавеющей парой шнек-цилиндр. В составе полимерной композиции должно быть большое количество смазок.  

Рис.3. Литьевой фитинг для водостока

Ротационным формованием или ротоформованием перерабатывают специальный вид ПВХ-композиций – пластизоли, которые представляют собой дисперсии частиц поливинилхрорида в большом количестве жидкого пластификатора. ПВХ пластизоли обычно выпускают в виде паст. Ротационные изделия, полые внутри, производятся на специальных ротационных машинах. Пластизоль загружается в форму, которая приводится во вращение в разных плоскостях, одновременно получая термическое воздействие. Пластизоль проходит желатинизацию и затвердевание, образуя полое внутри изделие.  В отличие от литья под давлением, где покраска ПВХ несколько затруднена, пластизоли краситься практически в любой цвет от серо-серебристого до ярко-кровавого или темно-оранжевого. 

Применение ПВХ

Поливинилхлорид стал один из самых широко используемым пластиков в мире (находится в тройке по популярности вместе с полиэтиленом и полипропиленом, превосходит полистирол, поликарбонат, полиамид, полиэтилентерефталат и другие полиэфирные материалы, фторопласты и т.д.). Это произошло в том числе из-за его низкой цены и высоких характеристик, а также вариативностью свойств. Рассмотрим основные направления, и группы товаров, в которых применяются ПВХ изделия.

Применение в строительстве

ПВХ является наиболее строительным из всех полимеров. В развитых странах этот пластик составляет более половины от применяемых стройматериалов. Помимо известных преимуществ, таких как хорошие прочностные данные, устойчивость к износу, малый вес, антикоррозионность, стойкость к атмосферным и погодным перепадам, огнеупорность, долговечность, ПВХ еще и экономически очень эффективен. Низкая цена материала - это факт, который уже более 100 лет ценят компании по всему миру. Благодаря электрической стойкости и негорючести ПВХ оказался очень востребован в электротехнике, практически заменив устаревшие термореактивные смолы. 

 Из поливинилхлорида выпускают, как уже было сказано ранее, разнообразные строительные профили: окна, двери, отделочные материалы, например панели. ПВХ трубы для водопровода и канализации незаменимы при наружных работах. 

Отметим, что если ПП водопроводные трубы производятся как правило белого или очень светлого цвета, то трубы из ПВХ цветные (оранжевые, серые и т.д.), тогда как водостоки имеют свои цвета белый, коричневый, зеленый, иногда красный и синий.. Как правило, экструзионные товары ПВХ представляют собой достаточно длинномерные изделия, для доставки которых требуется грузовые средства.

Медицинское применение

В области медицины ПВХ применяется с середины 20 века и сфера его использования становится все больше. Изделия из полимера нашли применение для замещения стеклянных и резиновых материалов, подлежащих стерилизации, на одноразовые полимерные. ПВХ подошел для производства медицинской продукции лучше других материалов, из-за своей химстойкости и безопасности даже для применения внутри организма, возможности переработки в изделия разных конструкций. 

Рис.4. Поливинилхлоридные медицинские изделия

Поливинилхлорид применяют для изготовления таких медицинских изделий, как разнообразные сосуды; трубки и катетеры; лицевые маски, перчатки, шины; компоненты одноразовых шприцев; упаковки лекарств; детали медицинской техники и т.п.

Применение ПВХ в других отраслях

Поливинилхлорид нашел большое применение в автомобильной отрасли, где является вместе с полипропиленом самым используемым полимером. Компании автоиндустрии производят из него уплотнения, покрытия, шумоизоляционные детали, провода и изоляция контактов, делают детали интерьера и подкапотного пространства. 

Из поливинилхлорида также выпускают ассортимент товаров для детей, в том числе новорожденных. Больше всего полимер применяется для изготовления игрушек, например куклы, мячи, бассейны, мягкие игрушки.

ПВХ применяется во многих товарах для дома, таких как мебели, линолеуме, присосках, ручках, а также при производстве спорттоваров, пластиковых карт, одежды, сумок и т.д.

Широкое применение получил полимер в производстве упаковки. Помимо пластифицированной и непластифицированной пленки тысячи компаний изготавливают из ПВХ бутылки, в том числе пищевые для напитков, а также для технических жидкостей, прочую тару. Широко распространена блистерная поливинилхлоридная упаковка. 

В последние годы набирает силу движение за ограничение применения ПВХ якобы из-за его (а точнее применяющихся совместно с ним добавок) вредности для здоровья. Однако, несмотря на все подобные попытки, большинство материалов, особенно в строительстве по-прежнему имеют при сравнении с поливинилхлоридом бледный вид.