ПВХ повсюду. Он есть в трубах под раковиной, в напольном покрытии под ногами и в изоляции, которой обмотаны электрические кабели. При мировом производстве в 60 миллионов метрических тонн в год ПВХ занимает третье место в мире по объему производства пластика.
Большинство людей, не задумываясь, покупают изделия из ПВХ. Им неинтересно, как этот материал превращается из сырья в белый порошок, из которого производители изготавливают трубы, оконные рамы и медицинские трубки.
Какие сырьевые материалы используются для производства ПВХ-смолы?
Сама ПВХ-смола представляет собой сыпучий белый порошок с частицами суспензионного класса диаметром 50-200 микрометров. Марки смолы сортируются по значению K, индексу вязкости, который варьируется примерно от K55 до K72 — смолы с высоким значением K используются для производства жестких труб и непластифицированных ПВХ-профилей, смолы с низким значением K — для производства гибкой пленки и кабеля. На мировом рынке существует три производственных процесса: суспензионная полимеризация составляет около 80%, эмульсионная — 12%, а насыпная — 8%, каждый из которых дает разные марки ПВХ-смолы с различными свойствами компаундирования. В итоге получается именно этот порошок. А теперь посмотрим, что входит в состав.
ПВХ изготавливается всего из двух основных компонентов: хлора и углерода.
- Хлор (57% ПВХ) получают из обычной поваренной соли. Производители пропускают электричество через соленую воду в процессе, называемом электролизом, получая чистый газообразный хлор, готовый к химическим реакциям.
- Углерод (43% ПВХ) получают из нефти или природного газа. На нефтеперерабатывающих заводах этилен, основной углеводород, извлекают путем термического крекинга сырой нефти или сжиженного природного газа.
Представьте, что вы печете хлеб. Вам нужна мука и вода в определенных пропорциях. Для ПВХ необходимы хлор и углерод в точном соотношении 57-43.
Такой двухкомпонентный подход делает ПВХ уникальным среди пластмасс. В то время как полиэтилен и полипропилен полностью зависят от нефти, ПВХ получает более половины своего веса из соли. Это каменная соль — та самая, которую используют для посыпки обледенелых тротуаров.
Как шаг за шагом изготавливается ПВХ-смола?
Производство ПВХ-смолы, также называемое производством поливинилхлорида, проходит пять различных этапов. В процессе производства ПВХ на каждом этапе сырье подвергается дальнейшей обработке, пока не будет получен знакомый белый порошок. Производство ПВХ сводится к соединению пяти реакций, каждая из которых передает свой продукт следующей.
Шаг 1: Производство дихлорида этилена (ДЭХ)
Дихлорид этилена является первым строительным блоком. Производители получают его путем соединения хлора с этиленом в больших реакторах.
Для достижения этой цели используются два метода. Прямое хлорирование предполагает смешивание чистого газообразного хлора с этиленом при умеренных температурах. Оксихлорирование предполагает рециркуляцию хлористого водорода (побочного продукта последующих стадий) с этиленом и кислородом.
Большинство предприятий используют оба метода параллельно. Оксихлорирование позволяет улавливать и повторно использовать материалы, которые в противном случае были бы выброшены. Хорошо спроектированное предприятие практически ничего не теряет.
Получающийся EDC представляет собой бесцветную жидкость. На вид он невзрачен, но содержит все атомы, необходимые для построения цепей ПВХ.
Шаг 2: Создание мономера винилхлорида (VCM)
Термический крекинг превращает EDC в мономер винилхлорида, основной строительный блок ПВХ.
Представьте, что вы разбиваете яйцо, чтобы достать то, что внутри. Разбивание EDC происходит аналогично. Производители нагревают EDC до экстремальных температур — от 480°C до 510°C — под давлением 20-22 бар. В этих условиях молекулы EDC расщепляются.
Каждая молекула EDC распадается на одну молекулу винилхлорида и одну молекулу хлористого водорода. Винилхлорид переходит в ПВХ. Хлористый водород возвращается к этапу 1 для оксихлорирования. Ничего не пропадает зря.
В крекинговой печи за каждый проход преобразуется лишь около 50% EDC. Непрореагировавший EDC повторно проходит через печь.
Сам по себе VCM представляет собой бесцветный газ со слегка сладковатым запахом. Это мономер — единственная единица, которая будет соединяться тысячами раз, образуя полимерные цепи ПВХ.
Шаг 3: Полимеризация VCM в ПВХ-смолу
Вся магия происходит в процессе полимеризации. Отдельные молекулы VCM соединяются в длинные цепочки, образуя собственно полимер ПВХ.
Примерно 80% мирового производства ПВХ осуществляется методом суспензионной полимеризации. Это наиболее распространенный метод.
Процесс начинается с того, что операторы закачивают сжиженный VCM в большой реактор, заполненный водой. Они добавляют суспендирующие агенты и химические инициаторы. Затем они герметизируют реактор и нагревают его до 40-60°C под давлением в несколько бар.
Внутри реактора крошечные капли VCM плавают в воде, подобно каплям масла в заправке для салата. Инициаторы запускают цепную реакцию. Молекулы VCM начинают соединяться друг с другом, образуя все более длинные полимерные цепи. Каждая капля превращается в крошечную частицу ПВХ.
Вот как образуются цепи ПВХ: каждая молекула VCM прикрепляется к растущей цепи, как кубик LEGO, создавая нечто гораздо большее, чем ее отдельные части. Одна цепь ПВХ может содержать тысячи связанных между собой мономерных звеньев.
Реакция длится несколько часов. Когда степень превращения достигает примерно 90%, операторы останавливают процесс. Теперь реактор содержит суспензию частиц ПВХ, взвешенных в воде.
На долю эмульсионной полимеризации приходится еще 12% производства. Она позволяет получать гораздо более мелкие частицы для специализированных применений, таких как покрытия и синтетическая кожа. На долю объемной полимеризации приходится оставшиеся 8%, что позволяет получать высокочистую смолу без воды.
Шаг 4: Восстановление и очистка
Не весь винилхлорид превращается в ПВХ. Около 10% остается непрореагировавшим, и его переработка важна для безопасности и экономики.
Операторы перекачивают полимерную суспензию в продувочный резервуар под более низким давлением. Большая часть непрореагировавшего VCM испаряется в виде газа и улавливается для повторного использования. Затем суспензия проходит через дополнительные отгонные колонны, которые удаляют оставшиеся следы VCM.
Извлеченный VCM возвращается в реактор полимеризации. Очищенная суспензия поступает на сушку.
Шаг 5: Сушка и отделка
На заключительном этапе влажная ПВХ-суспензия превращается в сухой белый порошок, который покупают клиенты. Производство ПВХ осуществляется по пятиступенчатой схеме, где на каждом этапе происходит дальнейшая обработка сырья.
Центрифуги вращают суспензию на высокой скорости, отделяя большую часть воды от частиц ПВХ. В результате влажный осадок все еще содержит некоторое количество влаги.
В сушилках мгновенного действия и циклонных сушилках влажный осадок обдувается горячим воздухом. Влага быстро испаряется. Целевое содержание влаги составляет 0.2-0.3%. Более высокое содержание влаги приведет к проблемам в процессе обработки смолы. Более низкое содержание влаги – это пустая трата энергии.
На ситах высушенный порошок сортируют по размеру частиц. Частицы ПВХ в суспензии обычно имеют диаметр 50-200 микрометров — примерно толщину человеческого волоса.
В результате получается сыпучий белый порошок без запаха. Он выглядит почти как мука. Это ПВХ-смола, готовая к компаундированию и переработке в изделия из ПВХ-пластика.
Что происходит после производства ПВХ-смолы?
Сама по себе ПВХ-смола хрупкая и нестабильная. Ей требуется дополнительная обработка, прежде чем она станет пригодным для использования материалом.
- В состав компаунда входят стабилизаторы, смазочные материалы и другие добавки. Термостабилизаторы предотвращают деградацию в процессе обработки. Пластификаторы придают жесткому ПВХ гибкость. Пигменты добавляют цвет.
- Обработка придает компаунду форму готового изделия. Процесс производства ПВХ от смолы до готового продукта включает три этапа: компаундирование, обработка (экструзия / литье под давлением / каландрирование) и контроль качества. Экструзия проталкивает материал через фильеры для создания труб, профилей и листов. Литье под давлением заполняет формы для изготовления фитингов и соединителей. Каландрирование позволяет производить тонкие пленки и напольные покрытия.
- Контроль качества гарантирует соответствие конечной продукции техническим требованиям. Стандарты ASTM регулируют все аспекты, от прочности на разрыв до огнестойкости.
Этап компаундирования демонстрирует универсальность ПВХ. Из одной и той же базовой смолы можно изготовить жесткие водосточные трубы или мягкие медицинские трубки, в зависимости от выбранных добавок.