ПВХ

Поливинилхлорид (сокращённо ПВХ) — синтетический термопластичный полимер, получаемый полимеризацией винилхлорида. Относится к группе виниловых полимеров и является одним из наиболее распространённых в мире видов пластмасс. Благодаря сочетанию механической прочности, химической стойкости, негорючести и низкой стоимости ПВХ широко используется в производстве строительных материалов, электроизоляции, упаковки, искусственной кожи и множества других изделий.

История

Первые упоминания о полимеризации винилхлорида относятся к 1835 году, когда французский химик Анри Виктор Реньо получил белое твёрдое вещество, подвергая винилхлорид воздействию солнечного света. Однако практического значения этому открытию не придали из-за сложности переработки полученного материала.

В 1912 году немецкий химик Фриц Клатте разработал первый промышленный способ полимеризации винилхлорида в водной эмульсии. В 1926 году американский химик Уолдо Симон предложил использовать фталаты в качестве пластификаторов для ПВХ, что позволило превратить хрупкий полимер в гибкий и эластичный материал. Это открытие стало ключевым моментом в коммерциализации ПВХ.

Массовое промышленное производство началось в 1930-х годах в Германии (компания I.G. Farben) и в США (компания B.F. Goodrich). В СССР выпуск ПВХ был освоен в 1941 году на химическом заводе в городе Дзержинске (Нижегородская область). Во время Второй мировой войны ПВХ применялся для изоляции проводов, производства дождевых плащей и заменителей кожи.

Во второй половине XX века ПВХ стал одним из самых массовых полимеров из-за своей универсальности и дешевизны. К 2000-м годам глобальное производство ПВХ достигло около 40 млн тонн в год, причём значительная часть приходится на Китай, который является крупнейшим производителем и потребителем этого полимера.

Сырьё и производство

Сырьё

Основным сырьём для производства ПВХ являются этилен (получаемый из нефти или природного газа) и хлор (получаемый электролизом раствора поваренной соли). Сначала из этилена и хлора получают дихлорэтан, который затем термически крекируют до винилхлорида. Сам винилхлорид является токсичным и легковоспламеняющимся газом.

Методы полимеризации

Процесс полимеризации винилхлорида осуществляется тремя основными методами:

• Суспензионная полимеризация (S-ПВХ): наиболее распространённый метод (около 80 % производства). Винилхлорид диспергируется в воде с помощью стабилизаторов суспензии, после чего добавляется инициатор полимеризации. В результате образуются гранулы полимера размером 50—200 мкм. Этот метод даёт ПВХ с наиболее чистой поверхностью.
• Эмульсионная полимеризация (E-ПВХ): в водной эмульсии с эмульгатором. Позволяет получить мелкодисперсный порошок (средний размер частиц 1—20 мкм). Используется для производства пластизолей и паст.
• Массовая (блочная) полимеризация: винилхлорид полимеризуется в массе без растворителя. Даёт высокочистый продукт, но технология сложнее из-за проблем с теплоотводом.

Добавки

Чистый ПВХ — хрупкий и термочувствительный материал. Для придания требуемых свойств в него вводят различные добавки:

• Пластификаторы (фталаты, фосфаты, эфиры жирных кислот) — снижают хрупкость, повышают эластичность.
• Стабилизаторы (соли свинца, бария, кадмия, цинка, кальция; современные — на основе кальция и цинка) — защищают от термической и фотохимической деструкции при переработке и эксплуатации.
• Модификаторы ударной вязкости (хлорированный полиэтилен, акриловые сополимеры) — улучшают прочность на удар.
• Наполнители (мел, тальк, каолин) — снижают стоимость и улучшают некоторые свойства.
• Пигменты и красители.
• Смазки и антистатики.

Классификация и виды

По типу получаемого полимера и технологии переработки ПВХ подразделяют на три основные категории:

• Непластифицированный (жёсткий) ПВХ (PVC-U, UPVC): не содержит или содержит минимальное количество пластификатора. Обладает высокой жёсткостью, прочностью, химической стойкостью. Температура плавления — около 200 °C.
• Пластифицированный (мягкий) ПВХ (PVC-P): содержит от 15 до 50 % пластификатора. Эластичный, резиноподобный материал. Используется для изготовления плёнок, искусственной кожи, шлангов, изоляции.
• Хлорированный (C-PVC): получается дополнительным хлорированием ПВХ. Имеет повышенную термостойкость (до 110 °C) и улучшенную огнестойкость. Химически инертен.

Свойства

Физические и механические

• Плотность: 1,30—1,58 г/см³ (в зависимости от добавок).
• Предел прочности при растяжении: 10—60 МПа (для разных марок).
• Относительное удлинение при разрыве: 2—400 %.
• Твёрдость по Шору: от 45 A (мягкие) до 90 D (жёсткие).
• Диапазон рабочих температур: от −15 °C до +60 °C (максимум до 80 °C для жёстких марок).
• Низкая морозостойкость — при отрицательных температурах пластифицированный ПВХ становится хрупким.

Химические

• Стоек к действию кислот (за исключением окисляющих), щелочей, растворов солей, масел, жиров, спиртов (кроме метанола).
• Растворяется в ароматических и хлорсодержащих углеводородах, кетонах, сложных эфирах.
• Не подвержен разложению микроорганизмами и плесенью.

Электрические

• Высокое удельное объёмное сопротивление (10¹²—10¹⁴ Ом·м).
• Диэлектрическая проницаемость: 3,0—5,0 при 50 Гц.
• Обладает умеренными электроизоляционными свойствами, часто используется для изоляции проводов.

Эксплуатационные

• Самозатухающий — при удалении источника пламени ПВХ перестаёт гореть (кислородный индекс 45—50 %).
• При горении выделяет хлористый водород, токсичную смесь газов и сажу.
• Обладает хорошими адгезионными свойствами к многим материалам.
• Устойчив к атмосферным воздействиям (особенно при введении стабилизаторов УФ-излучения).

Применение

Строительство (около 60 % всего потребления)

• Профили для окон и дверей (жёсткий ПВХ).
• Трубы для водоснабжения, канализации, дренажа (ПВХ трубы выдерживают давление до 25 атм).
• Напольные покрытия (линолеум, плитка).
• Стеновые панели, сайдинг, подоконники.
• Кровельные мембраны (Plumbum, PVC-P).

Электротехника и кабельная промышленность

• Изоляция и оболочка проводов и кабелей (ПВХ пластикат).
• Производство штепсельных вилок, корпусов приборов (жёсткий ПВХ).
• Монтажные провода в низковольтных цепях.

Упаковка

• Плёнки для упаковки пищевых продуктов (в виде термоусадочной и стрейч-плёнки).
• Блистеры для лекарств и мелких товаров.
• Бутылки для бытовой химии (из непластифицированного ПВХ).
• Жёсткая тара (канистры, вёдра).

Медицина

• Капельницы (наборы для инфузионных растворов — до 80 % в мире), катетеры.
• Пакеты для крови и биологических жидкостей.
• Мягкие контейнеры и оболочки для медицинских приборов.

Автомобильная промышленность и транспорт

• Искусственная кожа для салонов автомобилей и сидений.
• Трубки, шланги для топлива и охлаждающей жидкости (пластифицированный ПВХ).
• Декоративные накладки на кузов (эластичные бамперы).

Прочие применения

• Одежда и обувь (плащи, сапоги, перчатки, искусственная кожа).
• Канцелярские товары (обложки, папки, пластиковые карты).
• Игрушки, мячи.
• Спортивное оборудование (скакалки, гантели с ПВХ-покрытием).

Экологические аспекты и критика

Проблема утилизации

ПВХ является одним из самых сложных для переработки видов пластика. Многие заводы по сжиганию отходов избегают переработки ПВХ из-за образования высокотоксичного хлористого водорода при горении, который разрушает оборудование и требует дорогостоящих систем газоочистки. На свалках ПВХ практически не разлагается.

Выделение хлора при горении

При горении или термической деструкции ПВХ выделяет хлористый водород (HCl), который при соединении с влагой образует соляную кислоту. При горении также могут выделяться диоксины (полихлорированные дибензо-п-диоксины и фураны) — одни из наиболее токсичных известных соединений. Диоксины образуются при неполном сгорании хлорорганических соединений, особенно в присутствии ароматических углеводородов. В России обращение с отходами ПВХ регламентируется Федеральным законом № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» и СанПиН 2.1.7.1322-03.

Фталаты

Наибольшую озабоченность вызывает содержание в пластифицированном ПВХ фталатов (эфиров фталевой кислоты). Многие фталаты обладают свойствами эндокринных разрушителей и нейротоксинов. В связи с этим в Евросоюзе и ряде других стран (включая Россию с 2016 года) в гигиенических нормативах для детских игрушек и пищевой упаковки ограничено содержание некоторых фталатов (например, ДЭГФ, ДБФ, ББФ). В России действует Технический регламент Таможенного союза 008/2011 «О безопасности игрушек».

Переработка (рециклинг)

ПВХ технологически перерабатывается более сложно, чем ПЭТ или полиэтилен. Основные способы:

• Механическая переработка: дробление, сепарирование, гранулирование. Требует сортировки по типу (жёсткий/мягкий) и очистки от посторонних примесей. Получаемый регранулят из мягкого ПВХ чаще используется для менее ответственных изделий (шумоизоляция, подложки, коврики).
• Химическая переработка (деполимеризация): разлагает полимер до мономеров (винилхлорида) или низкомолекулярных продуктов, которые можно повторно использовать. Пока мало распространена из-за высокой стоимости.
• Переработка на электротехнических установках: сжигание с утилизацией энергии и нейтрализацией хлора (например, на цементных заводах).

По данным Ассоциации производителей ПВХ (VinylPlus, Европа), в 2023 году уровень рециклинга ПВХ в ЕС достиг около 30 %. В России уровень переработки ПВХ ниже и оценивается экспертными организациями на уровне 5—10 % от общего объёма образования отходов этого полимера.

Интересные факты

• ПВХ — единственный массовый термопласт, содержащий в своей молекуле атомы хлора (около 57 % по массе).
• Изделия из мягкого ПВХ могут выдерживать тысячи циклов изгиба без разрушения, поэтому из него делают навесные потолки и растяжимые конструкции.
• ПВХ используется в производстве «жидкой кожи» (составов для ремонта мебели) — он смешивается с пластификатором, наполнителем и растворителями.
• В 1970-х годах ПВХ-трубы стали одним из символов борьбы с канализационными засорами: благодаря гладкой внутренней поверхности они значительно реже заиливаются по сравнению с чугунными трубами.

Источники

• Энциклопедия полимеров: в 3 т. — М.: Советская энциклопедия, 1972–1977.
• ГОСТ 53601-2009 «Пластмассы. Поливинилхлорид непластифицированный. Технические условия».
• ГОСТ 10354-82 «Пленка полиэтиленовая. Технические условия» (раздел «Пленка поливинилхлоридная»).
• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995 (статья «Поливинилхлорид»).
• Федеральный закон № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления».
• Технический регламент Таможенного союза 008/2011 «О безопасности игрушек».
• Отчёт VinylPlus Sustainability Progress Report 2024.