聚氯乙烯生產工藝及復合材料研究進展

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

聚氯乙烯即生產中隨處可見的PVC材料，由于其來源廣泛，同時制備成本相對較低、質量較輕，同時在施工與保養工作中相對方便，除了這些聚氯乙烯材料本身的屬性以外，聚氯乙烯在實際的化工生產過程中還具備高強度、高耐油性、高耐藥性、強電氣性等特點，由于聚氯乙烯具備上述諸多優點，因此聚氯乙烯被廣泛應用于板材、日常用品的制備。雖然聚氯乙烯具備諸多的優點，但是聚氯乙烯卻存在韌性、耐熱性差，使用壽命短等缺點，這對于聚氯乙烯的進一步推廣造成嚴重阻礙。因此本次研究中將對聚氯乙烯的生產工藝及其復合材料的研究展開分析。

1 聚氯乙烯的屬性及應用

聚氯乙烯即日常中人們常見的PVC材料，由引發劑作用于單體氯乙烯發生聚合反應形成的一種熱塑性高聚物，聚氯乙烯具有較強的耐熱性、耐磨性、耐腐蝕性、耐火性、絕緣性等理化特性，以及材料易得、成本低廉等經濟特性，由于聚氯乙烯具備諸多的優點，因此在實際的化工生產當中，聚氯乙烯的實際生產產量僅次于聚乙烯，在全球范圍內的樹脂材料消費當中，聚氯乙烯的消費占據約1/3[1]。圖1、圖2為我國聚氯乙烯的生產集中地，其中蒙、新、魯、青為聚氯乙烯重點生產地區，占全國范圍內聚氯乙烯產能的1/2。

圖1 我國聚氯乙烯生產情況

圖2 我國聚氯乙烯主要生產地區

2 聚氯乙烯生產技術

2.1 氯乙烯制備

2.1.1 電石乙炔

運用電石乙炔制作聚氯乙烯需要經過以下階段：

(1)石灰石與煤炭反應制備電石：CaCo3+C→CaC2

(2)電石與水反應制備乙炔：CaC2+H2O→C2H2

(3)乙炔與鹽酸反應制備氯乙烯：C2H2+HCL→CH2CHCL

電石乙炔制備氯乙烯的方式在工藝與設備方面具備操作簡單的優勢，并且投資較少、具有較高的收益；同時消耗較大、原料成本較高，在反應過程中會產生大量的電石殘渣，同時反應需要運用汞鹽作為催化劑，而汞鹽具有較大的毒性，同時汞化物具有較強污染性[2]。

2.1.2 乙烯氧氯化

運用乙烯氧化法制備單體氯乙烯需要已乙烯作為原料，需要經過以下步驟：

(1)乙烯與氯氣反應制備二氯乙烷：

(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、低排放的優勢，不過設備工藝復雜，對原材料具有較強的依賴性[3]。

2.2 聚氯乙烯制備

引發劑與氯乙烯配合，通過以下方法進一步制備聚氯乙烯：

2.2.1 懸浮聚合

運用懸浮聚合制備聚氯乙烯的原理是，使分散的液態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，溶于單體的引發劑分解成為自由基，在此條件下氯乙烯單體發生聚合反應，經過鏈引發、鏈增長、鏈終止、鏈轉移等一系列基元反應后，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器皿當中加入單體氯乙烯，單體氯乙烯在引發劑作用下發生聚合反應。本體氯乙烯發生聚合反應的過程中，反應物的狀態發生一系列變化，即低黏態→黏稠態→粉態，從而整個聚合反應可以分為“預聚合”、“后聚合”兩個階段，在經過全部聚合反應后，反應物經過液相低黏度→糊狀→粉末態，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，運用單體氯乙烯、脫離子水、乳化劑、溶油性引發劑等，按比例進行混合配備反應劑，將氯乙烯與引發劑的混合劑均化為小液珠，隨即置于反應器，調整溫度至反應所需溫度[5]。當達到預期的反應速率時中支反應，將未進行充分反應的氯乙烯單體進行回收，全部反應完成后，所得到的乳膠經噴霧經過干燥后，即所需的聚氯乙烯。

2.2.4 溶液聚合

通過溶液聚合制備聚氯乙烯大致需要經過以下步驟：

(1)溶解：向有機溶劑當中置入聚乙烯單體，通常情況下選擇正丁烷、環己烷、乙酸丁酯、丙酮作為有機溶劑，經過攪拌后充分溶解；

(2)預聚合：預聚合需要使用氧化物引發劑，通常選擇偶氮二一丁腈(AIBN)、過氧化二碳酸(EHP)作為引發劑，一邊攪拌一邊加熱，直至40℃的聚合溫度條件；

(3)沉淀分離：氯乙烯在聚合反應的過程中所形成的聚合物不溶于溶劑，所以在反應體系內形成了沉淀，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缺點分析對比如表1所示。

表1 氯乙烯聚合方法優缺點分析對比

3 聚氯乙烯相關復合材料的制備與應用

聚氯乙烯在燃燒時會產生大量黑煙，黑煙中伴有苯、甲苯等毒性化合物，而在生產聚氯乙烯復合材料的過程中使用阻燃劑對于防止聚氯乙烯發生燃燒具有實際的意義。

3.1 阻燃劑的應用機理

對于聚氯乙烯來說，聚氯乙烯具備高聚合物的性質，其中包括易燃性。因此在聚氯乙烯復合材料在實際使用過程中需要結合其易燃性特點防止其發生燃燒，防止聚氯乙烯復合材料發生燃燒對于實際生產與生活均具有實際意義。物體實現燃燒需要一下條件：溫度、可燃物、助燃劑，以上條件缺一不可，所以說要阻止聚氯乙烯復合材料發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分解出大量不燃性氣體，除此之外阻燃劑受熱以后，會形成致密保護層，包裹在復合材料表面，進而實現阻止燃燒。

3.2 鹵系與銻系阻燃劑

鹵系阻燃劑是目前業內研究最熱門的一種阻燃劑，因為鹵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。鹵系阻燃劑實現阻燃的原理是通過自由基對燃燒因素進行捕捉，從而實現阻燃[6]。鹵系阻燃劑需要配合銻元素阻燃劑共同使用，從而強化阻燃效果。

鹵系阻燃劑與銻元素阻燃劑配合使用實現阻燃強化的原理如下：銻元素阻燃劑與鹵系阻燃劑配合使用下，形成氯氧化物，氯氧化物還會進一步與分解為氣態的三氯化銻。由于捕捉反應當中的自由基形成的三氯化銻具有較高的蒸氣密度進而可以覆蓋在高分子材料的表面，最終實現阻燃。

4 結語

本次研究中對聚氯乙烯生產工藝以及復合材料的研究進行分析。首先本文中對聚氯乙烯的屬性及應用進行論述，隨即對聚氯乙烯生產技術主要從兩方面進行介紹，包括通過電石乙炔、乙烯氧氯化的方法首先進行氯乙烯制備，隨即通過懸浮聚合、本體聚合、乳液聚合、溶液聚合的方式進行聚氯乙烯制備。由于聚氯乙烯屬于高分子材料，因此其具有易燃的特性，因此本次研究中對阻燃劑及其應用機理進行介紹，隨即介紹了目前阻燃效率最高的鹵系與銻系阻燃劑，實現聚氯乙烯復合材料的高效阻燃。通過本次研究，意在為聚氯乙烯生產工藝與復合材料的相關應用于研究提供一定的參考價值。