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聚氯乙烯的制造工藝
點擊次數(shù):506 發(fā)布時間:2014-1-23
聚氯乙烯
電解鹽水提供了幾乎等量的氯和燒堿,而后氯與乙烯反應(yīng)生成二氯乙烷,轉(zhuǎn)而脫氯化氫生成氯乙烯單體。
目前,多數(shù)氯乙烯是由氧氯化工藝過程生產(chǎn)的,氯乙烯在通常環(huán)境條件下是氣體,在壓力下變?yōu)闊o色透明的液體。
制造
目前PVC樹脂的估計生產(chǎn)能力111億磅,大部分是均聚物和少量的共聚物。約占總量90%的是由懸浮法生一的,其余為本體聚合和乳液法制備的,王有部分糊狀樹脂。但少量的溶液共聚物還未包括在里面。
這些產(chǎn)品的廣泛潛在應(yīng)用范圍,是在聚合的過程中,加入少量的聚合添加劑,從而影響了樹脂顆粒的結(jié)構(gòu)和性能。如在懸浮法生產(chǎn)樹脂中,添加若干水溶性高聚物用作主分散劑或輔助分散劑,而乳液樹脂采用表面活性劑組合物。
其它的通用添加劑有螫合劑、抗氧劑、緩沖劑、或簡單的堿。國產(chǎn)樹脂預(yù)期會有適度增長,未來將在很大程度上依賴于經(jīng)濟發(fā)展周期和美元的力量。
所有商業(yè)用PVC都是由加成聚合反應(yīng)生產(chǎn)的。聚合過程中,引發(fā)劑分子分解生成自由基.并與周圍的綠乙烯單體一起形成一個活性中心。反應(yīng)持續(xù)下去一直到鏈終止。在試種條件下,一個單獨的PVC分子完成鏈增長幾乎只需要完成轉(zhuǎn)移所需時間的很小部分。這個反應(yīng)是自催化反應(yīng),所得到的高聚物分子量幾乎與引發(fā)劑的濃度和鏈轉(zhuǎn)移的程度無關(guān)。由于整個反應(yīng)過程是在等溫條件下進行的,所形成窄的分子量分布(MWD是很典型的。在這種反應(yīng)中,鏈中分子的平均數(shù)估計是在950(聚合溫度為122°F)和480(聚合溫度為158°F)之間。
聚合反應(yīng)完成時,高聚物分子主要按頭一尾順序排列。高聚物是部分結(jié)晶(間規(guī)),隨著溫度的升高,結(jié)構(gòu)運動的無規(guī)則性也在增加。約60%的高聚物分子會存在不飽和的鏈端,這主要取決于鏈終止的方式,同時支化作用可能發(fā)生在4%的鏈分子中。上述這些因素對樹脂的熱穩(wěn)定性會產(chǎn)生很大影響,當(dāng)反應(yīng)溫度升高時,這些因素是與鏈轉(zhuǎn)移比鏈增長需要更高的信有關(guān)。
要特別注意的是,硬質(zhì)PVC首先在里近212°F處發(fā)生熱分解,這主要取決于分子量和加熱條件。在釋放出氯化氫時,樹脂將變色、變脆,zui后因交聯(lián)而變?yōu)椴蝗菪缘奈镔|(zhì)。樹脂變色是由于熱敏性烯可基和叔氯原子的形成,分子鏈斷裂,從而引起多烯結(jié)構(gòu)形成產(chǎn)生的。
可用穩(wěn)定劑來改善混配料和zui終制品的熱穩(wěn)定性,若干材料可用作穩(wěn)定劑如金屬有機化合物、金屬鹽和金屬皂)。抗氧化劑、自由基抑制劑。
能與主要穩(wěn)定劑起協(xié)同作用的輔助穩(wěn)定劑同樣也是有效的。另外的物理性能方面,PVC的玻璃化溫度(Tg)可認為5鏈段開始活動的溫度,硬PVC樹脂的Tg一般認為是180°F。
隨著增塑劑的逐步增加,Tg的值在降低。雖然熔化熱在一個增塑系統(tǒng)中是以測量的,但由于熱穩(wěn)定性的原因,這種樹脂的熔點是不能直接測量的。
因為PVC高聚物與有效范圍的增塑具有相互混溶性,在糊樹脂中經(jīng)常添加塑劑,其用量可以從非常低的水平到很的水平,因此PVC可以制備各種各樣產(chǎn)品。這些化合物降低了分子間的束力,并使產(chǎn)品變得更柔軟。
增塑劑通常分為主增塑劑、輔助增塑劑或增量劑,主要取決于與高聚物的相容性水平,相容的比率為1:1稱為主增塑劑,輔助增塑劑的相容比率在1:3以內(nèi)。
這些材料的滲出傾向較小,揮發(fā)性較低。同樣許多增塑劑是能抗降解,不易燃,在化學(xué)上是惰性的。
市場
PVC與增塑劑、穩(wěn)定劑和其它添加劑混合的容量很大,使得它成為在所在塑料中應(yīng)用zui廣泛的一種。值得注意的是PVC制造的產(chǎn)品可從厚壁壓力管到薄的、晶瑩透明的食品包裝材料,或從房屋壁板到外科用手套等。
在1990年,只有低密度PE銷售量超過了PVC,到了1992年P(guān)VC就降低到高密度PE之后處于第三的位置。也許在一個相當(dāng)長的時期,PVC的發(fā)展還會更慢。管材、管道、房屋壁板和門窗型材約占PVC需求量的60%,包裝材料。電工器材和生活消費品各占總量的5-6%。在過去的5年間,大容量的管材和管道以年增長率超過2%的速度持續(xù)增長,同時房屋壁板年增長率為8%,建設(shè)和建筑用產(chǎn)品的增長率預(yù)期會超過1993和1994年的水平。
雖然有各種各樣的輔助設(shè)備,但幾乎PVC總量的85%是在三種基本加工設(shè)備上加工成型的。zui大量的加工是在擠出機上進行的,其次是壓延機和注塑機。然而,過去三年中,注塑成型的產(chǎn)品在明顯增長,因為人們關(guān)注的是在新型低壓設(shè)備上有效地生產(chǎn)精密的部件。
新型和改性的產(chǎn)品一直受到人們的注意,但由于保密和經(jīng)濟的原因,也許花費了大部分開發(fā)費用。人們感興趣的一個方面是不斷努力提高管材樹脂的體積密度,但并不增加氯乙烯單體的殘留量或樹脂的生產(chǎn)成本。
擠出型成膜級樹脂也存在著一個相似的情況是這種樹脂顆??紫兑部捎行У匚赵鏊軇?,但可用一個更好的壓實系數(shù)(體密度與真密度之比)來提高擠出的產(chǎn)量。
在低分子量樹脂中,顆粒內(nèi)部的孔隙度是一個關(guān)鍵因素,因為食品及藥物管理局正在研究對與食品接觸的材料提出允許zui低的單體殘留量標準的可行性。
繼續(xù)關(guān)注的另一方面是降低樹脂起始顏色和長時間受熱時的熱穩(wěn)定性,這些對包裝和醫(yī)學(xué)的應(yīng)用都是非常重要的。懸浮、分散和氯化PVC樹脂在以后的篇章中還要詳細論述。
電解鹽水提供了幾乎等量的氯和燒堿,而后氯與乙烯反應(yīng)生成二氯乙烷,轉(zhuǎn)而脫氯化氫生成氯乙烯單體。
目前,多數(shù)氯乙烯是由氧氯化工藝過程生產(chǎn)的,氯乙烯在通常環(huán)境條件下是氣體,在壓力下變?yōu)闊o色透明的液體。
制造
目前PVC樹脂的估計生產(chǎn)能力111億磅,大部分是均聚物和少量的共聚物。約占總量90%的是由懸浮法生一的,其余為本體聚合和乳液法制備的,王有部分糊狀樹脂。但少量的溶液共聚物還未包括在里面。
這些產(chǎn)品的廣泛潛在應(yīng)用范圍,是在聚合的過程中,加入少量的聚合添加劑,從而影響了樹脂顆粒的結(jié)構(gòu)和性能。如在懸浮法生產(chǎn)樹脂中,添加若干水溶性高聚物用作主分散劑或輔助分散劑,而乳液樹脂采用表面活性劑組合物。
其它的通用添加劑有螫合劑、抗氧劑、緩沖劑、或簡單的堿。國產(chǎn)樹脂預(yù)期會有適度增長,未來將在很大程度上依賴于經(jīng)濟發(fā)展周期和美元的力量。
所有商業(yè)用PVC都是由加成聚合反應(yīng)生產(chǎn)的。聚合過程中,引發(fā)劑分子分解生成自由基.并與周圍的綠乙烯單體一起形成一個活性中心。反應(yīng)持續(xù)下去一直到鏈終止。在試種條件下,一個單獨的PVC分子完成鏈增長幾乎只需要完成轉(zhuǎn)移所需時間的很小部分。這個反應(yīng)是自催化反應(yīng),所得到的高聚物分子量幾乎與引發(fā)劑的濃度和鏈轉(zhuǎn)移的程度無關(guān)。由于整個反應(yīng)過程是在等溫條件下進行的,所形成窄的分子量分布(MWD是很典型的。在這種反應(yīng)中,鏈中分子的平均數(shù)估計是在950(聚合溫度為122°F)和480(聚合溫度為158°F)之間。
聚合反應(yīng)完成時,高聚物分子主要按頭一尾順序排列。高聚物是部分結(jié)晶(間規(guī)),隨著溫度的升高,結(jié)構(gòu)運動的無規(guī)則性也在增加。約60%的高聚物分子會存在不飽和的鏈端,這主要取決于鏈終止的方式,同時支化作用可能發(fā)生在4%的鏈分子中。上述這些因素對樹脂的熱穩(wěn)定性會產(chǎn)生很大影響,當(dāng)反應(yīng)溫度升高時,這些因素是與鏈轉(zhuǎn)移比鏈增長需要更高的信有關(guān)。
要特別注意的是,硬質(zhì)PVC首先在里近212°F處發(fā)生熱分解,這主要取決于分子量和加熱條件。在釋放出氯化氫時,樹脂將變色、變脆,zui后因交聯(lián)而變?yōu)椴蝗菪缘奈镔|(zhì)。樹脂變色是由于熱敏性烯可基和叔氯原子的形成,分子鏈斷裂,從而引起多烯結(jié)構(gòu)形成產(chǎn)生的。
可用穩(wěn)定劑來改善混配料和zui終制品的熱穩(wěn)定性,若干材料可用作穩(wěn)定劑如金屬有機化合物、金屬鹽和金屬皂)。抗氧化劑、自由基抑制劑。
能與主要穩(wěn)定劑起協(xié)同作用的輔助穩(wěn)定劑同樣也是有效的。另外的物理性能方面,PVC的玻璃化溫度(Tg)可認為5鏈段開始活動的溫度,硬PVC樹脂的Tg一般認為是180°F。
隨著增塑劑的逐步增加,Tg的值在降低。雖然熔化熱在一個增塑系統(tǒng)中是以測量的,但由于熱穩(wěn)定性的原因,這種樹脂的熔點是不能直接測量的。
因為PVC高聚物與有效范圍的增塑具有相互混溶性,在糊樹脂中經(jīng)常添加塑劑,其用量可以從非常低的水平到很的水平,因此PVC可以制備各種各樣產(chǎn)品。這些化合物降低了分子間的束力,并使產(chǎn)品變得更柔軟。
增塑劑通常分為主增塑劑、輔助增塑劑或增量劑,主要取決于與高聚物的相容性水平,相容的比率為1:1稱為主增塑劑,輔助增塑劑的相容比率在1:3以內(nèi)。
這些材料的滲出傾向較小,揮發(fā)性較低。同樣許多增塑劑是能抗降解,不易燃,在化學(xué)上是惰性的。
市場
PVC與增塑劑、穩(wěn)定劑和其它添加劑混合的容量很大,使得它成為在所在塑料中應(yīng)用zui廣泛的一種。值得注意的是PVC制造的產(chǎn)品可從厚壁壓力管到薄的、晶瑩透明的食品包裝材料,或從房屋壁板到外科用手套等。
在1990年,只有低密度PE銷售量超過了PVC,到了1992年P(guān)VC就降低到高密度PE之后處于第三的位置。也許在一個相當(dāng)長的時期,PVC的發(fā)展還會更慢。管材、管道、房屋壁板和門窗型材約占PVC需求量的60%,包裝材料。電工器材和生活消費品各占總量的5-6%。在過去的5年間,大容量的管材和管道以年增長率超過2%的速度持續(xù)增長,同時房屋壁板年增長率為8%,建設(shè)和建筑用產(chǎn)品的增長率預(yù)期會超過1993和1994年的水平。
雖然有各種各樣的輔助設(shè)備,但幾乎PVC總量的85%是在三種基本加工設(shè)備上加工成型的。zui大量的加工是在擠出機上進行的,其次是壓延機和注塑機。然而,過去三年中,注塑成型的產(chǎn)品在明顯增長,因為人們關(guān)注的是在新型低壓設(shè)備上有效地生產(chǎn)精密的部件。
新型和改性的產(chǎn)品一直受到人們的注意,但由于保密和經(jīng)濟的原因,也許花費了大部分開發(fā)費用。人們感興趣的一個方面是不斷努力提高管材樹脂的體積密度,但并不增加氯乙烯單體的殘留量或樹脂的生產(chǎn)成本。
擠出型成膜級樹脂也存在著一個相似的情況是這種樹脂顆??紫兑部捎行У匚赵鏊軇?,但可用一個更好的壓實系數(shù)(體密度與真密度之比)來提高擠出的產(chǎn)量。
在低分子量樹脂中,顆粒內(nèi)部的孔隙度是一個關(guān)鍵因素,因為食品及藥物管理局正在研究對與食品接觸的材料提出允許zui低的單體殘留量標準的可行性。
繼續(xù)關(guān)注的另一方面是降低樹脂起始顏色和長時間受熱時的熱穩(wěn)定性,這些對包裝和醫(yī)學(xué)的應(yīng)用都是非常重要的。懸浮、分散和氯化PVC樹脂在以后的篇章中還要詳細論述。


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