聚氯乙烯生產(chǎn)工藝及復(fù)合材料研究進(jìn)展

郗素敬 馬春水 牛永成 方紅林(寧夏英力特化工股份有限公司，寧夏 石嘴山 753202)

0 引言

聚氯乙烯即生產(chǎn)中隨處可見的PVC材料，由于其來源廣泛，同時(shí)制備成本相對(duì)較低、質(zhì)量較輕，同時(shí)在施工與保養(yǎng)工作中相對(duì)方便，除了這些聚氯乙烯材料本身的屬性以外，聚氯乙烯在實(shí)際的化工生產(chǎn)過程中還具備高強(qiáng)度、高耐油性、高耐藥性、強(qiáng)電氣性等特點(diǎn)，由于聚氯乙烯具備上述諸多優(yōu)點(diǎn)，因此聚氯乙烯被廣泛應(yīng)用于板材、日常用品的制備。雖然聚氯乙烯具備諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是聚氯乙烯卻存在韌性、耐熱性差，使用壽命短等缺點(diǎn)，這對(duì)于聚氯乙烯的進(jìn)一步推廣造成嚴(yán)重阻礙。因此本次研究中將對(duì)聚氯乙烯的生產(chǎn)工藝及其復(fù)合材料的研究展開分析。

1 聚氯乙烯的屬性及應(yīng)用

聚氯乙烯即日常中人們常見的PVC材料，由引發(fā)劑作用于單體氯乙烯發(fā)生聚合反應(yīng)形成的一種熱塑性高聚物，聚氯乙烯具有較強(qiáng)的耐熱性、耐磨性、耐腐蝕性、耐火性、絕緣性等理化特性，以及材料易得、成本低廉等經(jīng)濟(jì)特性，由于聚氯乙烯具備諸多的優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際的化工生產(chǎn)當(dāng)中，聚氯乙烯的實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)量?jī)H次于聚乙烯，在全球范圍內(nèi)的樹脂材料消費(fèi)當(dāng)中，聚氯乙烯的消費(fèi)占據(jù)約1/3[1]。圖1、圖2為我國(guó)聚氯乙烯的生產(chǎn)集中地，其中蒙、新、魯、青為聚氯乙烯重點(diǎn)生產(chǎn)地區(qū)，占全國(guó)范圍內(nèi)聚氯乙烯產(chǎn)能的1/2。

圖1 我國(guó)聚氯乙烯生產(chǎn)情況

圖2 我國(guó)聚氯乙烯主要生產(chǎn)地區(qū)

2 聚氯乙烯生產(chǎn)技術(shù)

2.1 氯乙烯制備

2.1.1 電石乙炔

運(yùn)用電石乙炔制作聚氯乙烯需要經(jīng)過以下階段：

(1)石灰石與煤炭反應(yīng)制備電石：CaCo3+C→CaC2

(2)電石與水反應(yīng)制備乙炔：CaC2+H2O→C2H2

(3)乙炔與鹽酸反應(yīng)制備氯乙烯：C2H2+HCL→CH2CHCL

電石乙炔制備氯乙烯的方式在工藝與設(shè)備方面具備操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，并且投資較少、具有較高的收益；同時(shí)消耗較大、原料成本較高，在反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的電石殘?jiān)瑫r(shí)反應(yīng)需要運(yùn)用汞鹽作為催化劑，而汞鹽具有較大的毒性，同時(shí)汞化物具有較強(qiáng)污染性[2]。

2.1.2 乙烯氧氯化

運(yùn)用乙烯氧化法制備單體氯乙烯需要已乙烯作為原料，需要經(jīng)過以下步驟：

(1)乙烯與氯氣反應(yīng)制備二氯乙烷：

(2)熱解二氯乙烷制備氯乙烯：

乙烯氧化制備氯乙烯具備低消耗、低排放的優(yōu)勢(shì)，不過設(shè)備工藝復(fù)雜，對(duì)原材料具有較強(qiáng)的依賴性[3]。

2.2 聚氯乙烯制備

引發(fā)劑與氯乙烯配合，通過以下方法進(jìn)一步制備聚氯乙烯：

2.2.1 懸浮聚合

運(yùn)用懸浮聚合制備聚氯乙烯的原理是，使分散的液態(tài)氯乙烯懸浮在容有融合劑的水溶液中，在聚合溫度的條件下，溶于單體的引發(fā)劑分解成為自由基，在此條件下氯乙烯單體發(fā)生聚合反應(yīng)，經(jīng)過鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)、鏈終止、鏈轉(zhuǎn)移等一系列基元反應(yīng)后，聚氯乙烯由此形成[4]。

2.2.2 本體聚合

本體聚合法制備聚氯乙烯的原理是只需要在反應(yīng)器皿當(dāng)中加入單體氯乙烯，單體氯乙烯在引發(fā)劑作用下發(fā)生聚合反應(yīng)。本體氯乙烯發(fā)生聚合反應(yīng)的過程中，反應(yīng)物的狀態(tài)發(fā)生一系列變化，即低黏態(tài)→黏稠態(tài)→粉態(tài)，從而整個(gè)聚合反應(yīng)可以分為“預(yù)聚合”、“后聚合”兩個(gè)階段，在經(jīng)過全部聚合反應(yīng)后，反應(yīng)物經(jīng)過液相低黏度→糊狀→粉末態(tài)，最終得出粉體聚氯乙烯。

2.2.3 乳液聚合

乳液聚合法制備聚氯乙烯的原理是，運(yùn)用單體氯乙烯、脫離子水、乳化劑、溶油性引發(fā)劑等，按比例進(jìn)行混合配備反應(yīng)劑，將氯乙烯與引發(fā)劑的混合劑均化為小液珠，隨即置于反應(yīng)器，調(diào)整溫度至反應(yīng)所需溫度[5]。當(dāng)達(dá)到預(yù)期的反應(yīng)速率時(shí)中支反應(yīng)，將未進(jìn)行充分反應(yīng)的氯乙烯單體進(jìn)行回收，全部反應(yīng)完成后，所得到的乳膠經(jīng)噴霧經(jīng)過干燥后，即所需的聚氯乙烯。

2.2.4 溶液聚合

通過溶液聚合制備聚氯乙烯大致需要經(jīng)過以下步驟：

(1)溶解：向有機(jī)溶劑當(dāng)中置入聚乙烯單體，通常情況下選擇正丁烷、環(huán)己烷、乙酸丁酯、丙酮作為有機(jī)溶劑，經(jīng)過攪拌后充分溶解；

(2)預(yù)聚合：預(yù)聚合需要使用氧化物引發(fā)劑，通常選擇偶氮二一丁腈(AIBN)、過氧化二碳酸(EHP)作為引發(fā)劑，一邊攪拌一邊加熱，直至40℃的聚合溫度條件；

(3)沉淀分離：氯乙烯在聚合反應(yīng)的過程中所形成的聚合物不溶于溶劑，所以在反應(yīng)體系內(nèi)形成了沉淀，將懸浮液去除，從而得到均一的聚氯乙烯。

多種氯乙烯聚合方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析對(duì)比如表1所示。

表1 氯乙烯聚合方法優(yōu)缺點(diǎn)分析對(duì)比

3 聚氯乙烯相關(guān)復(fù)合材料的制備與應(yīng)用

聚氯乙烯在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量黑煙，黑煙中伴有苯、甲苯等毒性化合物，而在生產(chǎn)聚氯乙烯復(fù)合材料的過程中使用阻燃劑對(duì)于防止聚氯乙烯發(fā)生燃燒具有實(shí)際的意義。

3.1 阻燃劑的應(yīng)用機(jī)理

對(duì)于聚氯乙烯來說，聚氯乙烯具備高聚合物的性質(zhì)，其中包括易燃性。因此在聚氯乙烯復(fù)合材料在實(shí)際使用過程中需要結(jié)合其易燃性特點(diǎn)防止其發(fā)生燃燒，防止聚氯乙烯復(fù)合材料發(fā)生燃燒對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)與生活均具有實(shí)際意義。物體實(shí)現(xiàn)燃燒需要一下條件：溫度、可燃物、助燃劑，以上條件缺一不可，所以說要阻止聚氯乙烯復(fù)合材料發(fā)生燃燒只需要材料的燃燒條件得不到滿足即可。阻燃劑在受熱條件下會(huì)分解出大量不燃性氣體，除此之外阻燃劑受熱以后，會(huì)形成致密保護(hù)層，包裹在復(fù)合材料表面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)阻止燃燒。

3.2 鹵系與銻系阻燃劑

鹵系阻燃劑是目前業(yè)內(nèi)研究最熱門的一種阻燃劑，因?yàn)辂u系阻燃劑具備制備成本低、添加量較少、具有較高的阻燃效率。鹵系阻燃劑實(shí)現(xiàn)阻燃的原理是通過自由基對(duì)燃燒因素進(jìn)行捕捉，從而實(shí)現(xiàn)阻燃[6]。鹵系阻燃劑需要配合銻元素阻燃劑共同使用，從而強(qiáng)化阻燃效果。

鹵系阻燃劑與銻元素阻燃劑配合使用實(shí)現(xiàn)阻燃強(qiáng)化的原理如下：銻元素阻燃劑與鹵系阻燃劑配合使用下，形成氯氧化物，氯氧化物還會(huì)進(jìn)一步與分解為氣態(tài)的三氯化銻。由于捕捉反應(yīng)當(dāng)中的自由基形成的三氯化銻具有較高的蒸氣密度進(jìn)而可以覆蓋在高分子材料的表面，最終實(shí)現(xiàn)阻燃。

4 結(jié)語

本次研究中對(duì)聚氯乙烯生產(chǎn)工藝以及復(fù)合材料的研究進(jìn)行分析。首先本文中對(duì)聚氯乙烯的屬性及應(yīng)用進(jìn)行論述，隨即對(duì)聚氯乙烯生產(chǎn)技術(shù)主要從兩方面進(jìn)行介紹，包括通過電石乙炔、乙烯氧氯化的方法首先進(jìn)行氯乙烯制備，隨即通過懸浮聚合、本體聚合、乳液聚合、溶液聚合的方式進(jìn)行聚氯乙烯制備。由于聚氯乙烯屬于高分子材料，因此其具有易燃的特性，因此本次研究中對(duì)阻燃劑及其應(yīng)用機(jī)理進(jìn)行介紹，隨即介紹了目前阻燃效率最高的鹵系與銻系阻燃劑，實(shí)現(xiàn)聚氯乙烯復(fù)合材料的高效阻燃。通過本次研究，意在為聚氯乙烯生產(chǎn)工藝與復(fù)合材料的相關(guān)應(yīng)用于研究提供一定的參考價(jià)值。