Что такое ПВХ, плюсы и минусы материала PVC

ПВХ (поливинилхлорид) — это один из наиболее распространенных полимеров, который используется в разных областях. Он нашел свое применение в строительстве, медицине, автомобильной промышленности и многих других сферах. В этой статье мы подробно рассмотрим, что такое ПВХ, его ключевые преимущества и недостатки. Это поможет лучше понять, почему этот материал так популярен и в каких случаях его использование может быть наиболее эффективным.

Общие сведения о ПВХ

Аббревиатура ПВХ имеет простую расшифровку — поливинилхлорид. Это синтетический полимер, который получают из бесцветного газа винилхлорида. Он состоит из углерода, водорода и хлора. Его химическая формула — (C2H3Cl)n. Поливинилхлорид получают в процессе полимеризации, он может принимать разные формы в зависимости от обработки и назначения. Визуально ПВХ может быть непрозрачным или полупрозрачным, белого или серого цвета, хотя его можно окрашивать в разные цвета с помощью пигментов. В зависимости от применения ПВХ может быть твердым или гибким и эластичным.

Для повышения гибкости и эластичности добавляют пластификаторы. Они уменьшают жесткость ПВХ, делая его мягким для таких применений, как виниловые обои или кабели. Стабилизаторы защищают полимер от разложения при воздействии высоких температур, увеличивают срок службы. Разные наполнители улучшают механические свойства поливинилхлорида, делают его более прочным и жестким.

История получения материала

Как и многие химические открытия, поливинилхлорид появился случайно. В 1835 году французский химик Анри Виктор Реньо заметил, что винилхлорид, оставленный на солнце, самопроизвольно полимеризовался, образуя твердую белую массу. Реньо, однако, не нашел применения этому материалу и не развил его производство.

Следующим важным шагом в истории ПВХ стало открытие немецкого химика Фрица Клатте в 1913 году. Он запатентовал метод синтеза винилхлорида с использованием ацетилена и хлористого водорода. Несмотря на это, коммерческое использование ПВХ по-прежнему не было налажено. Проблемой оставалась хрупкость материала — в чистом виде поливинилхлорид был слишком жестким и неэластичным для практического применения.

К 1920-м годам ученые начали активно работать над улучшением свойств поливинилхлорида. Одним из новаторов стал химик Уолдо Семон из компании B.F. Goodrich в США. В 1926 году он открыл способ пластизации ПВХ, добавив к нему специальные добавки — пластификаторы. Это сделало материал более гибким, пригодным для широкого промышленного использования. Именно с этого момента началось активное развитие производства ПВХ.

После Второй мировой войны полимер приобрел популярность как недорогой, прочный и водонепроницаемый материал. Он быстро нашел применение в строительстве, медицине, автомобильной и электротехнической промышленности. ПВХ стал использоваться для производства оконных профилей, труб, кабелей, упаковки и множества других изделий.

Сейчас аббревиатура ПВХ встречается в составе многих изделий. По объемам производства и потребления материал занимает третье место после полиэтилена и полипропилена. Количество выпускаемого продукта оценивания в 61 млн тонн в год. Крупные заводы по производству ПВХ расположены по всему миру, однако одним из лидеров остается Азиатский регион.

Способы и особенности изготовления ПВХ

Производство поливинилхлорида осуществляется с помощью полимеризации. Процесс может протекать в разных условиях, что имеет влияние на свойства конечного продукта и его область применения в дальнейшем.

Суспензионный способ

Суспензионный метод является самым распространенным способом производства поливинилхлорида, на него приходится около 80% всего объема производства. В этом процессе винилхлорид полимеризуется в воде с добавлением эмульгаторов и инициаторов полимеризации. В ходе реакции молекулы винилхлорида превращаются в полимерные цепочки ПВХ, которые образуют частицы суспензии (взвесь).

Газообразный винилхлорид вводится в реактор, заполненный водой. Затем добавляются инициаторы полимеризации (например, органический пероксид), которые активируют реакцию. Полимеризация происходит в контролируемых условиях температуры и давления. В ходе реакции образуются микрогранулы ПВХ, которые затем фильтруются и сушатся.

Получаемый полимер состоит из гранул, обладает хорошей механической устойчивостью. Поэтому он используется для производства жестких изделий: трубы, оконные профили, панели.

Эмульсионный способ

Эмульсионный способ полимеризации заключается в том, что винилхлорид полимеризуется в присутствии воды, эмульгатора (ПАВ, в основном мыло) и инициаторов (растворимые в воде соли, перекись водорода и другие вещества) в виде мелкодисперсной эмульсии. Это приводит к образованию частиц ПВХ с гораздо меньшим размером по сравнению с суспензионным методом.

Винилхлорид вводится в воду, содержащую эмульгаторы и инициаторы. Полимеризация происходит в виде микроскопических капель винилхлорида, которые превращаются в частицы ПВХ. Полученная эмульсия стабилизируется, затем поливинил выделяется, фильтруется и сушится. Он имеет мелкодисперсную структуру, что делает его подходящим для создания тонких пленок, кожзаменителей, покрытия кабелей и других гибких изделий. Материал, полученный эмульсионным путем, используется в текстильной промышленности, а также для производства напольных покрытий. Полимер обладает высокой пластичностью и прозрачностью.

Полимеризация в массе

Полимеризация в массе — это процесс, при котором винил полимеризуется без использования воды, в чистом мономере. Реакция протекает в закрытых реакторах под давлением. В процессе используется минимальное количество добавок, что делает этот метод одним из самых экологически чистых.

Газообразный винилхлорид полимеризуется в контролируемых условиях (температура и давление) с добавлением инициаторов реакции (ди-(2-этилгексанол)пероксид, 3,5,5-триметилгексанолпероксид и другие). Этот метод позволяет получать высокочистый ПВХ, так как в процессе не используются эмульгаторы и растворители.

Интересно, что в чистом виде винилхлорид очень токсичный и огнеопасный. До середины 1970 года этот газ использовался в качестве хладагента, пропеллента для баллонов.

Отличие ПВХ от других материалов

Если сравнивать полимер с металлом или деревом, то винил более легкий, устойчив к коррозии, процессам гниения, химической агрессии большинства щелочей и кислот. Сравним ПВХ с другими лидерами среди полимеров — полиэтилен (PE) и полипропилен (PP).

Каждый из материалов обладает уникальными характеристиками, которые делают его подходящим для определенных условий и областей применения. Выбор того или иного полимера зависит от множества факторов. Например, ПВХ предпочтителен в строительстве и для изготовления труб благодаря своей высокой жесткости и прочности, но его уязвимость к ультрафиолету и необходимость стабилизации ограничивают использование на открытом воздухе без специальных добавок. В то же время полиэтилен часто выбирают для упаковки и одноразовых изделий благодаря его низкой стоимости, гибкости и легкости. Полипропилен же, с его отличной устойчивостью к химическим веществам и высоким температурам, востребован в автомобилестроении, текстильной и пищевой промышленности, хотя его прочность и жесткость уступает ПВХ. Однако нужно учитывать модификацию каждого материала. Например, изделия из полипропилена низкого давления прочнее виниловых.

Характеристики материала ПВХ

В таблице выше мы уже отметили некоторые характеристики:

• высокая механическая прочность;
• устойчивость к воздействию кислот, щелочей и большинству растворителей;
• сохранение свойств при низких температурах;
• не впитывает влагу и не подвержен коррозии.

Однако есть еще некоторые особенности этого полимера, которые обуславливают его широкое использование:

• обладает хорошими диэлектрическими свойствами, что делает его идеальным для использования в качестве изоляционного материала в электрических проводах и кабелях;
• достигает предела прочности: при растяжении — 40–50 МПа, при изгибе — 80–120 МПа;
• обладает высокой огнестойкостью, самозатухающий, плохо воспламеняется.

Благодаря своим характеристикам, этот полимер широко распространен в разных областях производства, используются во всех сферах.

Виды ПВХ

В зависимости от способа полимеризации ПВХ может быть на выходе в виде пластиката или винипласта.

Пластикат — это мягкий, гибкий материал, который получают путем добавления в поливинилхлорид пластификаторов. Эти добавки изменяют структуру полимера, делая его эластичным и менее хрупким. Он устойчив к механическим повреждениям, разрыву и истиранию. Используется для производства шлангов, проводов и кабелей, изоляционных материалов, напольных покрытий, искусственной кожи, упаковочных пленок, а также в автомобильной и медицинской промышленности.

Винипласт — это жесткий, непластифицированный поливинилхлорид (uPVC), который характеризуется высокой прочностью и устойчивостью к воздействию химических веществ и воды. Он не содержит пластификаторов, поэтому он значительно тверже, прочнее, чем пластикат. Материал устойчив к механическим повреждениям, обладает высокой ударной вязкостью. Используется для изготовления труб, фитингов, профилей для окон и дверей, облицовочных панелей, резервуаров для химической промышленности и оборудования, работающего в агрессивных средах.

Преимущества и недостатки ПВХ

О преимуществах уже много сказано в характеристиках и сравнении с другими полимерами. ПВХ устойчив к ударам, истиранию, имеет долгий срок службы без потери свойств. Он не вступает в химические реакции с агрессивными средами, биологически инертен. Среди минусов можно отметить разрушаемость под ультрафиолетом, что ограничивает его использование на открытом воздухе. При возгорании может выделять токсичные газы, что усложняет его процесс утилизации.

Основные области применения ПВХ

Перечислить все сферы использования поливинила очень сложно. Он встречается в разных изделиях и материалах. Рассмотрим самые основные.

Строительство

Поливинил часто используется в производстве гладких и гофрированных труб для прокладки электропроводки, кабелей. Это связано с его высокой устойчивостью к влаге, химическим веществам, отличными диэлектрическими свойствами, что позволяет обеспечить надежную защиту кабелей от внешних воздействий. ПВХ-трубы используются для водоснабжения, канализации и систем дренажа. Полимер также активно применяется для создания профилей для оконных и дверных рам благодаря своей долговечности и устойчивости к внешним условиям.

Транспортные средства

В автомобильной и авиационной промышленности ПВХ используется для изготовления обивок сидений, дверных панелей, уплотнителей, ковриков и покрытий багажников. Благодаря своей гибкости, устойчивости к износу, материал позволяет создать долговечные и стойкие детали салона.

Медицина

Материал биосовместим, легко стерилизуется и сохраняет гибкость, что делает его незаменимым в медицине. Из него изготавливают разные медицинские изделия: трубки для внутривенных вливаний, катетеры, кровяные мешки, шприцы и другие одноразовые инструменты.

Это лишь некоторые ключевые области применения поливинилхлорида, но его использование гораздо шире. Материал активно применяется в бытовой технике, производстве мебели, упаковке, производстве кабельных изделий и многих других отраслях. Благодаря новым технологиям, добавкам свойства ПВХ постоянно улучшаются — он становится более экологичным, устойчивым к износу и расширяет свои возможности в эксплуатации.

Причины популярности материала

ПВХ — универсальный, прочный материал, который можно применить в разных сферах. Возможность изменять свойства полимера с помощью добавок позволяет адаптировать винил под конкретные потребности, будь то создание жестких конструкций, гибких шлангов или защитных покрытий. Производственные процессы его изготовления относительно просты, а стоимость исходных материалов невысока. Это делает ПВХ доступным для массового использования, способным конкурировать с другими материалами по цене и качеству. Технологические инновации и постоянные улучшения свойств также способствуют его популярности, расширяя его возможности и улучшая эксплуатационные характеристики.

Влияние на экологию

Одна из главных проблем — производство и утилизация этого материала. Во время производства ПВХ используется хлор и другие химические вещества, которые могут выделять токсичные побочные продукты, такие как диоксины, особенно если процесс нарушен. Эти вещества могут негативно воздействовать на окружающую среду и здоровье человека.

Несмотря на то, что материал поддается переработке, этот процесс сложен и требует специальных технологий. ПВХ часто не перерабатывается должным образом, что приводит к его накоплению на свалках. При сжигании ПВХ выделяются токсичные газы, что также вредит окружающей среде и здоровью человека.

Источник фото: ru.freepik.com, gofrotruba.com