Поливинилхлорид

Поливинилхлорид (ПВХ, ПВХ, сокр. от англ. polyvinyl chloride) — это термопластичный синтетический полимер, получаемый полимеризацией винилхлорида. Относится к группе виниловых полимеров. ПВХ является одним из наиболее распространённых в мире пластиков, уступая по объёму производства только полиэтилену и полипропилену. Благодаря сочетанию таких свойств, как низкая стоимость, химическая стойкость, огнестойкость и возможность модификации для получения как жёстких, так и эластичных материалов, ПВХ нашёл широкое применение в строительстве, электротехнике, медицине, производстве товаров народного потребления и упаковке.

История

Впервые поливинилхлорид был получен случайно в 1835 году французским химиком Анри Виктором Реньо (Henri Victor Regnault). Он обнаружил белое твёрдое вещество, образующееся в пробирке с винилхлоридом, оставленной на солнечном свету. Однако практическое значение этого открытия не было оценено, и полимер оставался лабораторным курьёзом на протяжении почти ста лет.

Промышленная разработка ПВХ началась в 1920-х годах. Важный вклад внесли немецкие химики из компании IG Farbenindustrie. В 1926 году Вальтер Зиммер (Walter Semon) из компании B.F. Goodrich (США) разработал метод пластификации ПВХ, добавив к нему различные пластификаторы, что позволило получить гибкий и эластичный материал, пригодный для замены резины. Это открытие положило начало массовому производству ПВХ.

В 1930-х годах в Германии и США были запущены первые промышленные установки по производству ПВХ. Материал активно использовался во время Второй мировой войны для изоляции проводов, изготовления плащей и других изделий военного назначения. После войны производство ПВХ быстро росло, и к 1960-м годам он стал одним из основных конструкционных и изоляционных материалов. В СССР промышленное производство ПВХ было освоено в 1940-х годах, а крупные заводы (например, в Стерлитамаке, Волгограде, Саянске) были построены в 1960–1980-х годах.

Строение и получение

Химическая структура

Поливинилхлорид представляет собой линейный полимер, макромолекула которого состоит из повторяющихся звеньев —CH₂—CHCl—. Полимер получают по реакции радикальной полимеризации винилхлорида (CH₂=CHCl). В зависимости от условий полимеризации, ПВХ может иметь различное молекулярно-массовое распределение и степень кристалличности (обычно невысокую — 5–15 %), что влияет на его физико-механические свойства.

Сырьё и мономер

Основным сырьём для производства ПВХ является винилхлорид (хлорвинил, хлорэтен). Его получают двумя основными способами:

1. Этиленовый способ (сбалансированный процесс): Этан (или этилен) хлорируют, затем полученный 1,2-дихлорэтан подвергают пиролизу при 500–550 °C. Образующийся хлороводород возвращается в процесс оксихлорирования этилена.
2. Ацетиленовый способ (карбидный): Ацетилен, полученный из карбида кальция, реагирует с хлороводородом в присутствии катализатора (хлорида ртути). Этот метод, исторически первый, в настоящее время используется в основном в Китае и странах с дешёвым углём, так как он более энергоёмок и экологически опасен.

Методы полимеризации

Полимеризацию винилхлорида проводят по радикальному механизму. Основные промышленные методы:

• Суспензионная полимеризация: Мономер диспергируют в воде в присутствии стабилизатора суспензии и инициатора. Наиболее распространённый метод (около 80 % мирового производства), позволяет получать ПВХ с узким распределением частиц по размерам.
• Эмульсионная полимеризация: Мономер эмульгируют в воде с помощью эмульгаторов. Получают ПВХ в виде мелкодисперсного порошка (латексный ПВХ), используемого для производства паст (пластизолей) и искусственной кожи.
• Массовая (блочная) полимеризация: Полимеризация проводится в жидком мономере без растворителя или воды. Процесс сложнее в управлении, но даёт продукт высокой чистоты.

Классификация и марки

Поливинилхлорид классифицируют по нескольким признакам.

По типу пластификации

1. Непластифицированный (жёсткий) ПВХ (PVC-U, uPVC): Не содержит пластификаторов или содержит их в минимальном количестве (менее 5 %). Отличается высокой жёсткостью, прочностью, химической стойкостью и огнестойкостью. Применяется для оконных и дверных профилей, труб, сайдинга, листовых материалов.
2. Пластифицированный (мягкий) ПВХ (PVC-P): Содержит 20–50 % пластификаторов (обычно фталаты, например, диоктилфталат). Становится эластичным, мягким, напоминает резину. Используется для изоляции проводов и кабелей, плёнок, линолеума, искусственной кожи, герметиков, игрушек.

По молекулярной массе

Марки ПВХ различают по значению числа вязкости (K-значение, по Фикентшеру). Чем выше K-значение, тем больше молекулярная масса и выше вязкость расплава:

• Низковязкие (K 50–57): Для производства жёстких профилей, труб, литьевых изделий.
• Средневязкие (K 58–65): Универсальные марки для кабельной изоляции, плёнок.
• Высоковязкие (K 66–75): Для пластифицированных изделий, паст, искусственной кожи.

По типу сополимеров

Для улучшения свойств ПВХ часто используют сополимеры винилхлорида с другими мономерами:

• Сополимеры с винилацетатом (VC-VA): Более низкая температура переработки, лучше растворимость в органических растворителях. Используются для грампластинок, лаков, клеёв.
• Хлорированный ПВХ (CPVC): Получают дополнительным хлорированием ПВХ. Обладает повышенной термостойкостью (до 100–110 °C) и химической стойкостью. Применяется для труб горячего водоснабжения.

Свойства

Физико-механические свойства

• Плотность: 1,35–1,45 г/см³ (жёсткий ПВХ), 1,16–1,35 г/см³ (пластифицированный).
• Температура стеклования (Tg): Около 80 °C для жёсткого ПВХ, снижается до -30 °C при введении пластификаторов.
• Температура плавления: 150–220 °C (разрушается при 200–210 °C без стабилизаторов).
• Прочность на растяжение: 40–60 МПа (жёсткий), 10–25 МПа (пластифицированный).
• Относительное удлинение при разрыве: 10–50 % (жёсткий), до 300–400 % (пластифицированный).
• Модуль упругости: 2–4 ГПа (жёсткий).
• Твёрдость по Шору: D 70–90 (жёсткий), A 60–95 (пластифицированный).
• Ударная вязкость: 2–10 кДж/м² (жёсткий, без модификаторов).

Химические свойства

ПВХ стоек к действию большинства кислот, щелочей, масел, жиров, спиртов и углеводородов. Он нерастворим в воде, но может набухать в некоторых органических растворителях (кетонах, сложных эфирах, ароматических углеводородах). При длительном воздействии концентрированных кислот (серной, азотной) может разрушаться.

Термические свойства

Чистый ПВХ термически нестабилен. При нагреве выше 150 °C он начинает разлагаться с выделением хлороводорода (HCl), что приводит к окрашиванию (пожелтению, почернению) и потере механических свойств. Для предотвращения деструкции в состав ПВХ обязательно вводят термостабилизаторы (соли свинца, кальция, цинка, бария, кадмия, олова, а также эпоксидированные масла).

Электроизоляционные свойства

ПВХ является хорошим диэлектриком. Его электрическая прочность составляет 20–40 кВ/мм, удельное объёмное сопротивление — 10¹²–10¹⁴ Ом·см. Благодаря этому он широко используется для изоляции электрических проводов и кабелей.

Экологические аспекты

ПВХ вызывает споры с точки зрения экологии и безопасности. При горении он выделяет хлороводород, диоксины и другие токсичные вещества. Пластификаторы (фталаты) могут мигрировать из материала, вызывая опасения по поводу их влияния на здоровье человека. В ряде стран (например, в ЕС) ограничено использование некоторых фталатов в игрушках и медицинских изделиях. ПВХ трудно поддаётся биологическому разложению. Существуют технологии механического и химического рециклинга ПВХ, однако перерабатывается лишь небольшая часть отходов.

Применение

Поливинилхлорид используется практически во всех отраслях промышленности.

Строительство (около 60 % мирового потребления)

• Трубы и фитинги: Водопроводные, канализационные, дренажные, газовые (жёсткий ПВХ).
• Оконные и дверные профили: Изготовление оконных рам, подоконников, откосов.
• Сайдинг и фасадные панели: Облицовка зданий.
• Линолеум (ПВХ-покрытия): Напольные покрытия.
• Кровельные мембраны и гидроизоляция: Плёнки для плоских кровель.
• Профили для мебели: Кромки, плинтусы, карнизы.

Электротехника

• Изоляция проводов и кабелей: Пластифицированный ПВХ используется для изоляции силовых, контрольных, монтажных кабелей.
• Трубы для электропроводки: Гофрированные и гладкие трубы из жёсткого ПВХ.

Упаковка

• Плёнки и листы: Термоусадочная плёнка, блистерная упаковка, упаковка для пищевых продуктов (с ограничениями по миграции).
• Банки и контейнеры: Для технических жидкостей, бытовой химии.

Медицина

• Мешки для крови и инфузионных растворов: Пластифицированный ПВХ.
• Трубки, катетеры, дренажи: Медицинские изделия одноразового применения.
• Перчатки: Хирургические и диагностические (часто из ПВХ-паст).

Автомобильная промышленность

• Обивка салона, панели приборов: Искусственная кожа.
• Уплотнители, прокладки: Эластичные профили.
• Антикоррозийные покрытия: Для днища автомобиля.

Товары народного потребления

• Игрушки: Куклы, мячи, надувные изделия.
• Обувь: Подошвы, сапоги, галоши.
• Канцелярские товары: Папки, обложки, линейки.
• Искусственная кожа: Для сумок, одежды, обивки мебели.
• Грампластинки: Исторически изготавливались из сополимеров ПВХ.

Крупнейшие производители и рынок

Мировое производство ПВХ составляет около 50–55 млн тонн в год (данные на 2023 год). Крупнейшими производителями являются Китай (более 40 % мирового объёма), США, Германия, Япония, Южная Корея, Россия. Основные мировые компании: Xinjiang Zhongtai Chemical (Китай), Westlake Chemical (США), Shin-Etsu Chemical (Япония), Formosa Plastics (Тайвань), INEOS (Великобритания), Solvay (Бельгия). В России крупнейшие производители: «РусВинил» (Кстово), «Саянскхимпласт» (Саянск), «Башкирская химия» (Уфа), «Волгоградский завод технического углерода» (Волгоград).

Источники

1. Энциклопедия полимеров. Том 2. — М.: Советская энциклопедия, 1974.
2. Крыжановский В. К., Бурлов В. В. Полимерные материалы: свойства и применение. — СПб.: Профессия, 2015.
3. Браун Д., Шервуд М. Промышленные полимеры: справочник. — М.: Химия, 1985.
4. PlasticsEurope. Polyvinyl Chloride (PVC) — Market Data. 2020.
5. ГОСТ 14332-78. Поливинилхлорид суспензионный. Технические условия.
6. ГОСТ 5960-72. Пластикат поливинилхлоридный для изоляции и защитных оболочек проводов и кабелей.