P-2500型高聚合度PVC樹脂的低溫法工業化生產及其性能評價

尹建平,汪海位,韓忠良

(天偉化工有限公司，新疆 石河子 832000)

“十二五”期間，國內氯堿行業發展迅速，PVC樹脂產能和產量穩居世界第一，2016年底全國PVC產能達到2 414萬t/a，其中80%左右為電石法。隨著2008年國際金融危機和國內經濟增速放緩，我國PVC產能出現嚴重過剩。在國家供給側結構性改革的政策引導下，部分電石法通用型PVC樹脂生產企業開始轉型升級，發展特種樹脂。

高聚合度PVC樹脂具有耐低溫、耐高溫、回彈性良好、永久變形小、機械強度高等特點，可廣泛應用于醫療器械、彈性體、薄膜、線纜、汽車配件等領域。新疆天業股份有限公司下屬天偉化工有限公司(以下簡稱天偉化工)于2014年建成20萬t/a特種PVC樹脂裝置，并成功地在70 m3聚合釜上實現了高聚合度PVC樹脂的全天候工業化生產，其中平均聚合度2 500的高聚合度PVC樹脂(P-2500)得到用戶的高度認可。

1 聚合工藝路線的選擇

1.1 低溫合成法

一般情況下，PVC分子質量的大小僅取決于聚合溫度，與其他條件關系不大[1]。聚合溫度越低，PVC樹脂的分子質量越高。低溫合成法完全依靠冷卻水控制聚合反應溫度。表1為聚合反應溫度與PVC平均聚合度的對應關系。

低溫法生產的難點在于反應熱的移除和引發劑的選擇。反應溫度與冷卻水溫差較小，反應熱不能快速移除，反應時間長，產能受限；另外，低溫下須選擇高效引發劑引發反應。低溫合成法的優點是高聚合度PVC分子鏈中不正常的弱結構及鏈端基結構較少，白度好，增塑劑吸收量高，加工制品晶點少。

表1 聚合反應溫度與PVC平均聚合度的對應關系

1.2 擴鏈劑合成法

擴鏈劑的活性中心將反應中的兩個長鏈PVC自由基連接起來，形成一個更長鏈的PVC大分子，從而得到高聚合度PVC樹脂。引入擴鏈劑可以將反應溫度提高至接近正常料型的反應溫度。擴鏈劑法的優點是可避免低溫法撤熱困難、反應時間長、引發劑選擇困難的問題，但擴鏈劑法生產的高聚合度PVC分子質量分布過寬，且不正常的弱結構及鏈端基結構相應增加，白度低，增塑劑吸收量低，加工時制品產生晶點的概率高。

在綜合考慮生產工藝特點和產品性能后，天偉化工決定以5 ℃冷卻水為降溫介質,采用低溫法合成高聚合度PVC，以確保高聚合度PVC能夠在醫療軟管、薄膜、線纜、彈性體等領域具有良好的性能，且具備不受季節氣溫因素影響的全天候生產能力。

2 生產工藝參數的確定

2.1 注水量計算

采用低溫法生產高聚合度PVC樹脂撤熱慢，反應時間長，為避免發生滿釜事故，應保證適當的注水量和注水流量，適當的注水量不僅可以填補體積收縮的空間，有利于熱量移除，還可以吸收部分反應熱。

氯乙烯密度比PVC小，由氯乙烯聚合成PVC時，由于兩者的密度發生變化，隨著反應的進行，釜內物料的體積收縮，按照單釜生產PVC樹脂20 t計算，體積收縮量ΔV計算如下：

式中：ΔV為體積收縮量；m為物料質量；ρVCM為氯乙烯的密度，反應溫度為38 ℃時取0.876 kg/dm3；ρPVC為PVC的密度，取1.40 kg/dm3。

計算得到ΔV=8.545(m3)。

在保證釜內物料體積不發生變化的條件下，理論注水量應為8.545 t，預計反應時間11 h，軸封水流量設定為400 kg/h，計算得到中途注水流量為300 kg/h。

2.2 反應熱

氯乙烯聚合為放熱反應，反應熱為1 532 kJ/kg，則生產20 t PVC樹脂的反應熱為3.064×107kJ，這些熱量由循環冷卻水移除和中途注水吸收。

中途注水采用注低溫水工藝，若注水溫度為10 ℃，則注水吸收熱量Q注水=cmΔT=4.2×8.545×103×(38-10)=1.005×106(kJ)。

熱負荷分布指數R按照1.6計算，夾套最大熱量移除速率Qmax=2.695×106×1.6=4.311×106(kJ/h)，單臺聚合釜需配套的循環水的最大冷量應不小于此值。

2.3 引發劑的選擇

在P-2500的聚合溫度下，最好選用半衰期為2～3 h的引發劑[2]。單一引發劑隨著反應的進行逐漸消耗，后期會出現聚合速率下降、轉化率不高的情況，因此宜選擇至少兩種引發劑復合使用，原則上是選擇1種半衰期小于2 h的高活性引發劑與1種半衰期大于2 h的中低活性引發劑配合。為此決定選擇活性較高且易于采購的EHP與CNP復合使用。EHP與CNP的半衰期與反應溫度見表2。

表2 EHP與CNP的半衰期與反應溫度對照表

2.4 70 m3聚合釜生產配方的確定

高聚合度PVC樹脂反應溫度低，在低溫條件下反應體系的表面張力大，相對于PVC-SG5型樹脂不僅需要加大分散劑的總量，同時分散劑種類和用量也需要進行調整，以確保單體液滴能夠均勻分散，盡可能不發生聚并和黏結，為此增加保膠能力強的醇解度為88%的PVA和分散能力強的HPMC的用量；同時調整了輔助分散劑的用量，以提高高聚合度PVC的增塑劑吸收量。

2014年9月，天偉化工共生產了60批次P-2500型高聚合度PVC樹脂，完成了生產配方的定型，生產配方見表3，產品檢測結果見表4。

表3 P-2500型高聚合度PVC樹脂生產配方

注：分散劑、引發劑用量為與單體的質量比。

表4 P-2500型高聚合度PVC樹脂質量檢測結果

3 高聚合度PVC樹脂的性能評價

高聚合度PVC樹脂是特種樹脂，如果按照懸浮法通用型PVC樹脂國家標準要求進行檢測，則不能全面反映樹脂的性能，為此天偉化工針對其應用領域建立了完善的評價體系。

3.1 加工試驗

利用Haake擠出機，對PVC樹脂進行模擬拉絲造粒、擠出片材等加工試驗，通過加工制品的性能來評價PVC樹脂的性能。

在高速混合機中按照比例加入PVC樹脂、增塑劑、熱穩定劑，將物料充分混合均勻后備用，利用Haake單螺桿擠出機擠出造粒，采用粒料進行片材加工。加工配方及擠出機運行參數見表5和表6。

表5 加工配方

3.1.1 光學性能評價

PVC透明材料要求樹脂盡可能完全塑化，在加工時往往預先擠出造粒，再進行擠出加工成型；或經過開煉機煉塑，再進行壓延成型。

表6 擠出機運行參數

通過加工透明材料可以考量PVC樹脂在復雜的加工條件下的塑化性能和受熱的黃變性。試驗結果表明：提高加工溫度，透明材料的透光率增加， 霧度下降， 黃度指數增大。這是因為加工溫度越高， 樹脂塑化越好， 樣品內部混合的均勻性、添加劑與樹脂的反應或吸收及 PVC大分子狀態的一致性越好，材料內部對光的吸收和散射越少，因而透光率增加, 霧度下降；但溫度過高， 會由于 PVC熱降解而使黃度指數增大[3]。表7是高聚合度PVC樹脂光學性能評價的結果,測試樣品通過擠出機平模擠出，設定厚度為0.40 mm。

3.1.2 晶點

高聚合度PVC在加工軟管、薄片、薄膜等材料時，在制品表面上會出現難以塑化的晶點或疵點，用肉眼就可以明顯分辨，不僅影響制品的外觀，還會造成該處力學性能下降、印刷時難以附著油墨等問題。可通過擠出類似輸液軟管的實心PVC拉絲，計量拉絲表面晶點或疵點數，結合拉絲表面的光滑程度(手感)，評價其產生晶點的可能性。擠出機口模直徑為3.0 mm，截取單位長度的PVC拉絲條統計表面晶點數，以接近于加工條件的方法評價高聚合度PVC樹脂中的真“魚眼”數，結果見表8。

表7 高聚合度PVC樹脂光學性能評價結果

表8 高聚合度PVC拉絲晶點數檢測結果

注：拉絲樣條每根長度40 cm，截取5根檢測晶點數，取平均值。

3.1.3 危害性物質測定

為保障高聚合度PVC能夠在食品、藥品包裝，醫療器械材料上的應用，須對PVC樹脂進行危害性物質的測定，防止有害物質直接或間接導致食品、藥品污染變質，或因溶出物導致侵害發生，天偉化工對高聚合度PVC加工材料進行了重金屬、還原性物質含量、水溶出物酸堿度等項目的監控檢測，并與GB 15593—1995《輸血(液)器具用軟聚氯乙烯塑料的化學性能》指標進行了對比。水溶出物重金屬總含量按照GB/T 14233.1—2008中5.6進行測定，水溶出物還原性物質含量按照GB/T 14233.1—2008中5.2進行測定，水溶出物酸堿度按照GB/T 14233.1—2008中5.4進行測定。隨機選取4個批次P-2500加工成軟質粒料，檢測結果見表9。

表9 危害性物質檢測結果

①0.02 mol/L KMnO4消耗量；②與空白對照液pH值之差。

由表9可見：P-2500樹脂符合GB 15593—1995的規定。

4 結語

天偉化工對低溫法高聚合度PVC生產工藝進行了創新設計，克服了低溫法在大型聚合釜上生產的難點，實現了全天候生產高聚合度PVC樹脂的能力。該工藝實現了電石法PVC樹脂的無害化生產，產品順利通過了SGS檢測。P-2500型PVC樹脂在70 m3聚合釜上的成功開發，豐富了天偉化工特種樹脂的產品品種，取得了良好的經濟效益，產品性能優良，受到下游用戶的廣泛認可。伴隨特種樹脂的開發，針對特種樹脂的性能評價技術也得到很大程度提升，評價方法更接近實際加工條件。