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      聚氯乙烯生產(chǎn)工藝及復(fù)合材料研究進(jìn)展

      2020-12-10 09:02:22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
      化工管理 2020年33期
      關(guān)鍵詞:電石氯乙烯聚氯乙烯

      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(jiàn)的PVC材料,由于其來(lái)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(guò)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(kāi)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(jiàn)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(shù)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(guò)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的電石殘?jiān)?,同時(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)全部聚合反應(yīng)后,反應(yīng)物經(jīng)過(guò)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(guò)干燥后,即所需的聚氯乙烯。

      2.2.4 溶液聚合

      通過(guò)溶液聚合制備聚氯乙烯大致需要經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō),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(guò)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(shuō)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(mén)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(guò)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(yǔ)

      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(guò)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(guò)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(guò)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。

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