ПВХ: виды, свойства, технологии переработки

Полихлорвинил (ПВХ) – жёсткий, прочный полимер, широко применяющийся в производстве, строительстве и в быту. Сортамент ПВХ составляют преимущественно трубы и трубки, поскольку вследствие своих эксплуатационных характеристик он используется для изоляции кабелей и прочих подземных коммуникаций. Со временем на поверхности таких труб образуются трещины, пластик теряет свои потребительские качества и подлежит утилизации.

Виды

Внешне ПВХ предствляет собой белый малопластичный материал белого или светло-серого цвета. Исходным сырьём для изготовления продукции из данного полимера служат гранулы или порошок. Различают:

Пластифицированный (более гибкий) ПВХ, плотность которого составляет от 1,10 до 1,35 г/см³. Такая разновидность поливинилхлориды получается, если к основному сырью добавить пластификаторы – органические вещества, которые понижают размер и количество кристаллов. Эти пластификаторы являются своего рода смазками: они обесцвечивают полимер и придают ему повышенную гибкость.
Непластифицированный, более жёсткий ПВХ, обладающий плотностью в пределах 1,35…1,45 г/см³. Он хуже поддаётся механической обработке, зато имеет повышенную устойчивость к ударным воздействиям и изменениям погодных условий, а также стоек к влаге, неагрессивным химическим веществам и растворам.
Хлорированный поливинилхлорид или перхлорвинил, считающийся разновидностью ПВХ, поскольку получается хлорированием ПВХ-содержащих смол. Повышенное содержание хлора (до 65…66%) в исходной полимерной цепочке определяет высокую прочность, химическую стабильность и огнестойкость. Кроме того, перхлорвинил значительно менее чувствителен к температурным изменениям.
Молекулярно-ориентированный ПВХ, который образуется путём рекомбинации исходно аморфной структуры первичного ПВХ в многослойную структуру. Ориентировка происходит одновременно по двум осям; как следствие такой вид полимера отличается более высокими повышенными физическими показателями – жёсткостью, сопротивлением знакопеременным нагрузкам, а также меньшей плотностью.
Модифицированный ПВХ, образуемый в результате ввода в расплав специальных модифицирующих добавок. Они увеличивают ударную вязкость и стойкость конечного продукта от динамических воздействий.

Технические требования к сортам ПВХ отечественного производства регламентируются нормами ГОСТ 14039-78 (для полимера, получаемого эмульсионным способом) и ГОСТ 14332-78 (для ПВХ, получаемого суспензированием).

Свойства

Благодаря разнообразию своих свойств, таким как легкий вес, долговечность, низкая стоимость и простота обработки, ПВХ является успешным заменителем таких дефицитных строительных материалов, как древесина, металл, бетон, резина, керамика и т. д.

Среди положительных характеристик жёстких сортов ПВХ:

Низкая стоимость;
Повышенная огнестойкость;
Прозрачность;
Стойкость от внешних химических воздействий;
Хорошие электроизоляционные и пароизоляционные свойства
Высокая размерная стабильность при комнатных температурах.

Вместе с тем непластифицированный ПВХ отличается и рядом ограничений, среди которых:

Более сложный технологический процесс получения исходного расплава;
Повышенная хрупкость, которая возрастает в присутствии растворителей и при низких (менее 5⁰С) температурах;
Потеря размерной стабильности при температурах, превышающих 50…55⁰С.

Для устранения этих ограничений в жёсткий ПВХ при изготовлении приходится дополнительно вводить модификаторы ударопрочности и иные добавки.

Положительные особенности гибкого ПВХ:

Повышенная механическая обрабатываемость;
Низкая себестоимость производства;
Высокая ударопрочность;
Стойкость к воздействию ультрафиолетового излучения;
Нейтральность к кислотам, щелочам, маслам и большинству химически агрессивных веществ неорганического происхождения;
Хорошие электроизоляционные показатели.

Гибкий ПВХ не воспламеняется и не горит.

Недостатки:

Свойства полимера со временем часто изменяются вследствие миграции пластификатора. Особенно страдает стойкость: изделия из гибкого ПВХ легко деформируются в некоторых веществах. Особую агрессивность проявляют хлорированные и ароматические углеводороды, сложные и некоторые ароматические эфиры, большинство нитросоединений;
Малая стабильность при высоких температурах;
Пластифицированный ПВХ нельзя применять в случаях постоянного контакта с пищевыми продуктами

Технологии производства

Первичным продуктом суспензированного ПВХ является мономер винилхлорида, который получают путём хлорирования этилена. Образующийся в результате реакции дихлорид этилена при высоких температурах (более 70…750С) пиролизуется в крекинг-установке. При этом образуется стеклообразная масса, куда, при необходимости, можно добавлять хлор и пластификаторы. Окончательная химическая формула ПВХ – (С₂Н₃Cl)n.

Для полимеризации в герметичный реактор вводят мономер с инициатором полимеризации и другими добавками. Содержимое реакционного сосуда непрерывно перемешивают, что является обязательным условием поддержания механической стабильности суспензии и обеспечения однородного размера частиц вещества. Средний размер таких частиц составляет 100…150 мкм при возможном разбросе значений от 50 до 250 мкм.
По достижении заданных характеристик текучесть порошка/гранул достаточна для того, чтобы в дальнейшем обеспечить экструзию, вытяжку, каландрирование или формовку полимера. На долю суспензионной полимеризации приходится до 75…80% мирового производства ПВХ.

Объёмный или эмульсионный процесс заключается в следующем:

В присутствии водлорастворимых поверхностно-активных веществ (мыл) происходит диспергирование мономера винилхлорида в воде;
Образующиеся частицы в виде твёрдые сфер с гладкой поверхностью группируются в образования неправильной формы со средним размером частиц 40…50 мкм (допустимый диапазон 0,1…100 мкм).
Полученный порошок ПВХ смешивают с пластификаторами для получения пасты, которая в дальнейшем используется для покрытий, окунания или распыления.

Эмульсионный процесс достаточно длителен и отличается более высокой стоимостью, чем суспензионный.

Переработка ПВХ

Изделия из ПВХ на 100 % подлежат вторичной переработке, что имеет как экономическую ценность, так и экологическую выгоду. Существуют 2 способа утилизации – механический и химический.

При механической переработке отходы ПВХ обрабатываются путем измельчения, просеивания и измельчения. В зависимости от состава качество утилизированного продукта может сильно различаться. После механической сепарации, измельчения, промывки и очистки от примесей полуфабрикаты гранулируются или измельчаются, после чего повторно используются в производстве. Высококачественные продукты могут быть повторно использованы в тех же областях применения, тогда как переработанные материалы более низкого качества применяют только в качестве добавок.

При химической переработке ПВХ происходит расщепление полимера на мономеры или другие вещества, которые используются в качестве исходных материалов для различных химических процессов. Переработка сырья обычно включает термическую обработку потока отходов ПВХ с выделением хлористого водорода, который затем может быть возвращен в процесс производства ПВХ или использован в других процессах.

Стабилизаторы, содержащие соли тяжёлых металлов, в основном попадают в твёрдые остатки, которые подлежат захоронению.

Переработанный ПВХ можно использовать для производства упаковки, плёнки и листов, скоросшивателей, труб, подложки для ковров, электрических коробок, кабелей и т.п.

Утилизация ПВХ в России

Объём применения первичного ПВХ в стране превышает 1 млн. тонн (4-е место среди применяемых полимеров). В связи с этим объёмы переработки постоянно наращиваются. Среди лидеров – объединение СИБУР, располагающее мощностями по переработке 700 тыс. тонн ПВХ в год.

Конечной продукцией рециклированного по технологии СИБУР ПВХ являются трубы. Планируется, что к 2023 году до 7…10% пластиковых труб будет производиться из рециклированного ПВХ.

Разумеется, эти показатели весьма малы и уступают аналогичным для других стран, в частности, США. Ограничение состоит в недостаточном уровне импортозамещения для некоторых стадий и техники процесса переработки.