bahan PVC

Bahan PVC: plastik serba boleh dengan sifat unik, kaedah pengeluaran, dan aplikasi yang pelbagai

Polivinil Klorida (PVC) ialah bahan polimer termoplastik yang disintesis melalui tindak balas politambah daripada monomer vinil klorida (VCM). Sebagai salah satu daripada lima plastik tujuan am utama, PVC telah menjadi salah satu jenis plastik yang paling banyak dihasilkan di seluruh dunia sejak pengindustriannya pada tahun 1930-an, berkat prestasi komprehensif yang sangat baik, kos rendah dan kebolehgunaan yang meluas. Daripada paip pembinaan kepada bahan pembungkusan, daripada bekalan perubatan kepada keperluan harian, PVC telah menembusi pelbagai bidang pengeluaran dan kehidupan dengan keplastikan dan fungsinya yang unik, sambil juga terus meneroka laluan pembangunan mampan dalam inovasi teknologi perlindungan alam sekitar.

1. Struktur molekul dan ciri teras

Struktur molekul PVC adalah penentu asas sifatnya. Unit berulang ialah -CH₂-CHCl-, dan terdapat satu atom klorin untuk setiap dua atom karbon dalam rantai molekul (dengan nisbah jisim kira-kira 56%). Struktur kandungan klorin yang tinggi ini memberikan PVC dengan satu siri ciri yang berbeza.

Dari segi sifat mekanikal, prestasi PVC boleh dikawal secara fleksibel melalui kandungan plasticizer. PVC tidak berplastik (PVC tegar, UPVC) mempamerkan ketegaran yang kuat dan kekerasan yang tinggi, dengan kekuatan tegangan sehingga 40-60 MPa dan modulus lentur 1500-3000 MPa, menjadikannya sesuai untuk membuat komponen struktur. PVC lembut, dengan tambahan pemplastik, mempamerkan fleksibiliti yang sangat baik, dengan pemanjangan putus sehingga 200%-400%, dan boleh dijadikan produk elastik seperti filem dan hos. Walau bagaimanapun, PVC tulen agak rapuh dan mempunyai kekuatan hentaman yang rendah (kekuatan hentaman berlekuk PVC tegar ialah kira-kira 2-5 kJ/m²), memerlukan penambahan pengubah impak (seperti ACR, CPE) untuk meningkatkan keliatan.

Dari segi sifat terma, suhu peralihan kaca (Tg) PVC adalah lebih kurang 80-85 ℃. Suhu penggunaan berterusan PVC tegar boleh mencapai 60-70 ℃, manakala rintangan haba PVC lembut sedikit lebih rendah (40-60 ℃) disebabkan oleh penghijrahan plasticizer. PVC berklorin (CPVC), diubah suai melalui pengklorinan, mempunyai Tg meningkat kepada 90-110 ℃, dan suhu penggunaan berterusannya boleh mencapai melebihi 90 ℃, mengembangkan penggunaannya dalam senario suhu tinggi. PVC mempamerkan kalis api yang luar biasa, dengan indeks oksigen 24-28 (lebih tinggi daripada kebanyakan plastik), memenuhi keperluan asas perlindungan kebakaran tanpa memerlukan kalis api tambahan. Ciri ini menjadikannya sangat berfaedah dalam bidang pembinaan.

Kestabilan kimia ialah kelebihan teras PVC, yang mempamerkan ketahanan yang sangat baik terhadap bahan kimia bukan organik seperti asid, alkali, dan garam, dan tidak terhakis oleh kebanyakan pelarut organik pada suhu bilik (kecuali pelarut kuat seperti keton dan ester). Rintangan kakisan ini menjadikan PVC tegar sebagai bahan ideal untuk saluran paip kimia dan tangki simpanan, membolehkan ia mengangkut cecair menghakis untuk tempoh yang lama tanpa penuaan.

Dari segi prestasi pemprosesan, PVC sendiri mempunyai kestabilan terma yang lemah, dengan suhu lebur (160-200 ℃) hampir dengan suhu penguraiannya (melebihi 200 ℃, ia terdedah kepada melepaskan gas HCl). Oleh itu, penstabil haba (seperti penstabil kalsium-zink dan penstabil timah organik) mesti ditambah semasa pemprosesan. Melalui proses seperti penyemperitan, pengacuan suntikan, kalender dan pengacuan tamparan, PVC boleh dijadikan pelbagai bentuk produk seperti paip, plat, filem dan profil, dengan keplastikan yang sangat kuat, mampu memenuhi keperluan pengacuan bentuk kompleks.

Di samping itu, PVC mempunyai sifat penebat elektrik yang baik dan boleh digunakan sebagai lapisan penebat wayar dan kabel. Permukaannya mudah dicetak, dilukis dan dikimpal, memudahkan pemprosesan sekunder untuk meningkatkan penampilan dan kefungsian. Ia mempunyai kelebihan kos yang ketara, dengan sumber bahan mentah yang banyak, dan nisbah prestasi kos yang lebih tinggi daripada kebanyakan plastik kejuruteraan.

II. Proses Pengeluaran dan Sumber Bahan Mentah

Pengeluaran industri PVC menggunakan monomer vinil klorida (VCM) sebagai bahan mentah teras, dengan proses pengeluaran matang yang merangkumi keseluruhan rantai daripada sintesis monomer, tindak balas pempolimeran, hingga pemprosesan produk. Teras terletak pada mengawal sifat produk melalui kawalan tepat proses pempolimeran.

Pengeluaran monomer vinil klorida (VCM) berfungsi sebagai asas rantai industri PVC, terutamanya melibatkan dua laluan proses: laluan asetilena dan laluan etilena. Laluan asetilena menggunakan kalsium karbida sebagai bahan mentah. Kalsium karbida bertindak balas dengan air untuk menghasilkan asetilena, yang kemudiannya mengalami penambahan dengan hidrogen klorida dengan kehadiran pemangkin untuk menghasilkan VCM. Proses ini sesuai untuk kawasan yang banyak dengan sumber arang batu, tetapi ia memerlukan penggunaan tenaga yang tinggi. Laluan etilena menggunakan etilena yang dihasilkan melalui keretakan petroleum sebagai bahan mentah. Etilena bertindak balas dengan klorin melalui oksiklorinasi untuk menghasilkan VCM. Proses ini lebih mesra alam dan menggunakan kurang tenaga, menjadikannya proses arus perdana semasa. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penemuan telah dibuat dalam penyelidikan dan pembangunan vinil klorida berasaskan bio, yang melibatkan penghasilan prekursor etilena melalui penapaian biojisim, menawarkan kemungkinan baharu untuk penghijauan PVC.

Proses pempolimeran PVC terutamanya termasuk pempolimeran ampaian, pempolimeran emulsi, pempolimeran pukal, dan pempolimeran larutan, antaranya pempolimeran ampaian dan pempolimeran emulsi merupakan kaedah arus perdana dalam pengeluaran perindustrian.

Pempolimeran suspensi ialah proses utama untuk menghasilkan PVC tujuan umum, menyumbang lebih 80% daripada pengeluaran PVC global. Proses ini melibatkan penyebaran monomer vinil klorida dalam air untuk membentuk ampaian, menambah pemula (seperti dicetyl peroxydicarbonate) dan dispersan (seperti polivinil alkohol), dan kemudian mempolimerkan campuran di bawah pengadukan pada 50-70 ℃. Penyebar menstabilkan titisan monomer dalam penggantungan, dan selepas pempolimeran, zarah putih (serbuk resin PVC) dengan saiz zarah 0.1-2mm terbentuk. Pempolimeran suspensi mudah dikawal, menghasilkan produk ketulenan tinggi dengan saiz zarah seragam, dan sesuai untuk menghasilkan produk PVC tegar seperti paip dan kepingan.

Pempolimeran emulsi digunakan untuk menghasilkan PVC seperti tampal (resin tampal PVC), di mana monomer VCM disebarkan ke dalam titisan bersaiz mikron di bawah tindakan pengemulsi, dan dimulakan oleh pemula larut air (seperti kalium persulfat) untuk membentuk zarah lateks dengan saiz zarah 0.1-1μm. Produk pempolimeran emulsi adalah koloid dan boleh digunakan secara langsung dalam proses salutan, impregnasi, atau slush untuk menghasilkan produk lembut seperti kulit tiruan, sarung tangan dan mainan.

Selepas pempolimeran, serbuk resin PVC perlu menjalani rawatan selepas (penyahhidratan, pengeringan), dan kemudian bahan tambahan (plasticizer, penstabil, pelincir, pengisi, dll.) ditambah mengikut keperluan produk. Ia kemudian dicampur, disemperit, dan berbutir untuk menghasilkan bahan mentah berbutir. Bahan tambahan adalah kunci untuk mengawal sifat PVC: pemplastik (seperti phthalates, ester sitrat) meningkatkan fleksibiliti, dan lebih tinggi kandungan, lebih lembut produk; penstabil haba menghalang penguraian semasa pemprosesan; pelincir meningkatkan kecairan pemprosesan; pengisi (seperti kalsium karbonat) mengurangkan kos dan meningkatkan ketegaran.

III. Teknologi pengelasan dan pengubahsuaian

PVC boleh dikelaskan dalam pelbagai cara. Mengikut kandungan plasticizers, ia boleh dibahagikan kepada PVC tegar dan PVC lembut; mengikut proses pempolimeran, ia boleh dikelaskan kepada penggantungan PVC, emulsi PVC, dan lain-lain; mengikut pengubahsuaian prestasi, ia boleh dikelaskan kepada PVC berklorin (CPVC), PVC diubah suai tahan hentaman, dan lain-lain. Pengelasan yang pelbagai menjadikannya sesuai untuk senario yang berbeza.

PVC keras (UPVC) mempunyai kandungan plasticizer kurang daripada 5%, atau bahkan tiada plasticizer, dan mempunyai ketegaran tinggi, kekuatan tinggi, dan kestabilan dimensi yang baik. Dengan kekuatan tegangan 40-60MPa dan modulus lentur 2000-3000MPa, ia sesuai untuk membuat komponen struktur. PVC keras mempamerkan rintangan kimia dan rintangan cuaca yang sangat baik, menjadikannya bahan teras dalam industri pembinaan dan kimia, seperti bekalan air dan paip saliran, profil pintu dan tingkap, dan tangki simpanan kimia.

PVC lembut mempunyai kandungan plasticizer antara 10% hingga 40%. Fleksibilitinya meningkat dengan peningkatan kandungan plasticizer, dan pemanjangannya semasa pecah boleh mencapai 200% hingga 400%. Kekerasan Shorenya adalah antara 50-90A. PVC lembut mempamerkan rintangan suhu rendah yang baik (kekal fleksibel walaupun pada -30 ℃), dan mudah diproses menjadi filem, hos, kulit tiruan, dll. Ia digunakan secara meluas dalam bidang pembungkusan, perubatan dan keperluan harian.

PVC yang diubah suai mengoptimumkan prestasinya melalui kaedah kimia atau fizikal. PVC berklorin (CPVC) ialah varieti diubah suai yang penting, dihasilkan dengan menundukkan PVC kepada tindak balas pengklorinan, yang meningkatkan kandungan klorin kepada 63%-68%. Ini meningkatkan dengan ketara rintangan habanya (suhu penggunaan berterusan 90-100°C), dan rintangan tekanan dan rintangan kimia adalah lebih tinggi daripada PVC tegar, menjadikannya sesuai untuk paip air panas dan saluran paip kimia. PVC diubah suai tahan hentaman menggabungkan pengubah impak seperti ACR dan CPE, meningkatkan kekuatan impaknya sebanyak 3-5 kali ganda, menjadikannya sesuai untuk produk luaran dan komponen struktur. PVC berpaut silang membentuk struktur rangkaian melalui pemautan silang kimia atau sinaran, meningkatkan rintangan haba dan rintangan pelarut, menjadikannya sesuai untuk lapisan penebat kabel.

IV. Medan Aplikasi Pelbagai

PVC, dengan sifat boleh laras dan fleksibiliti pemprosesannya, telah menemui aplikasi yang meluas dalam pelbagai bidang seperti pembinaan, pembungkusan, penjagaan kesihatan, keperluan harian dan industri, menjadikannya bahan yang sangat diperlukan dalam masyarakat moden.

Sektor pembinaan mewakili pasaran aplikasi terbesar untuk PVC, menyumbang lebih 60% daripada penggunaannya. Disebabkan rintangannya terhadap kakisan kimia, rintangan cecair yang rendah, dan kemudahan pemasangan, paip PVC tegar telah menggantikan paip logam tradisional dalam bekalan air dan saliran perbandaran, paip air hujan dan paip kimia, dengan hayat perkhidmatan sehingga 50 tahun atau lebih. Profil pintu dan tingkap PVC digunakan secara meluas dalam bangunan kediaman dan komersial kerana sifat penebat haba dan penebat bunyi yang baik, serta sifat bebas penyelenggaraan dan kos rendah. Lantai PVC (gegelung dan kepingan) tahan haus, anti-gelincir, dan mudah dibersihkan, menjadikannya sesuai digunakan di pusat membeli-belah, hospital dan rumah. Membran kalis air PVC sangat tahan cuaca dan digunakan untuk projek kalis air di atas bumbung dan ruang bawah tanah.

Dalam bidang pembungkusan, filem PVC mempamerkan sifat ketelusan dan penghalang yang sangat baik, menjadikannya sesuai untuk filem susut yang digunakan dalam label botol minuman dan bir, yang melekat dengan ketat selepas dipanaskan. Filem PVC lembut digunakan untuk pembungkusan makanan dan kosmetik, menawarkan fleksibiliti unggul dan keupayaan pengedap. Botol dan tin PVC menunjukkan rintangan kimia yang baik dan digunakan untuk mengandungi cecair seperti detergen dan kosmetik, pada kos yang lebih rendah berbanding dengan botol PET.

Dalam bidang perubatan, PVC lembut, kerana fleksibiliti, sifat pengedapnya, dan kos rendah, digunakan untuk mengeluarkan bekalan perubatan pakai buang seperti tiub infusi, beg darah dan penutup picagari. Bahan tambahan gred perubatan (bebas daripada pemplastis phthalate dan penstabil ketoksikan rendah) diperlukan. Produk perubatan PVC boleh disterilkan dengan wap, dan ketelusannya memudahkan pemerhatian status cecair, tetapi perhatian harus diberikan kepada penghijrahan plasticizer.

Dalam keperluan harian dan bidang perindustrian, PVC lembut digunakan untuk membuat kulit tiruan, but hujan, sarung tangan, alas meja, dan lain-lain, yang tahan haus dan tahan kotoran; Sebatian kabel PVC digunakan untuk sarung wayar dan kabel kerana sifat penebat dan kalis apinya; Papan PVC dipotong untuk membuat papan iklan dan tempat paparan; PVC yang diubah suai juga digunakan dalam bahagian dalam automotif (seperti kulit papan pemuka), mainan (proses pengacuan lumpur), filem rumah hijau pertanian, dsb.

V. Perlindungan Alam Sekitar dan Trend Pembangunan

Kemesraan alam sekitar PVC telah lama menjadi kontroversi, tetapi melalui inovasi teknologi dan pengurusan piawai, ia secara beransur-ansur bergerak ke arah pembangunan mampan.

Cabaran alam sekitar PVC terutamanya terletak pada dua aspek: Pertama, monomer vinil klorida (VCM) yang digunakan dalam proses pengeluaran adalah toksik, dan jumlah bakinya perlu dikawal ketat (kandungan VCM dalam produk siap mestilah di bawah 1ppm). Kedua, terdapat kebimbangan mengenai keselamatan pemplastis dan penstabil. Pemplastis berasaskan phthalate tradisional mungkin mengganggu sistem endokrin, manakala penstabil garam plumbum mengandungi logam berat, mendatangkan bahaya kepada manusia dan alam sekitar. Tambahan pula, apabila PVC dibakar pada suhu yang tidak mencukupi (di bawah 800°C), bahan berbahaya seperti dioksin dibebaskan, memerlukan kemudahan pembakaran profesional untuk dilupuskan.

Untuk menangani isu alam sekitar, industri telah melaksanakan satu siri langkah penambahbaikan: dari segi bahan tambahan, pembangunan pemplastis bukan phthalate (seperti ester sitrat, minyak kacang soya terepoksida), penstabil tanpa plumbum (penstabil kalsium-zink, penstabil timah organik), dan PVC gred perubatan telah mengharamkan sepenuhnya pemplastis phthalate; dalam pengeluaran, menggalakkan proses pengeluaran bersih untuk mengurangkan pelepasan VCM dan penggunaan tenaga; dalam kitar semula, teknologi kitar semula PVC adalah matang, dengan kitar semula fizikal yang melibatkan pengasingan, pembersihan, pencairan, dan pembentukan semula sisa PVC untuk menghasilkan paip, papan, dsb.; kitar semula kimia melibatkan penguraian PVC kepada monomer VCM melalui pirolisis untuk mencapai kitar semula gelung tertutup.

Kadar kitar semula PVC global semakin meningkat secara beransur-ansur. Kesatuan Eropah menggalakkan kitar semula PVC melalui "Circular Economy Action Plan", dan kadar kitar semula paip PVC dalam sektor pembinaan boleh mencapai lebih 90%. Sementara itu, kemajuan telah dicapai dalam penyelidikan dan pembangunan PVC boleh terurai, yang boleh secara beransur-ansur terdegradasi dalam persekitaran tertentu dengan memperkenalkan kumpulan hidrolisis atau menambah komponen biodegradasi.

Pembangunan masa depan PVC akan menumpukan pada tiga arah: berprestasi tinggi, perlindungan alam sekitar dan kefungsian. Prestasi tinggi akan dicapai melalui reka bentuk molekul dan pengubahsuaian komposit untuk meningkatkan rintangan haba (seperti CPVC untuk saluran paip suhu tinggi), rintangan cuaca (menambah penyerap UV untuk produk luar), dan sifat mekanikal; perlindungan alam sekitar akan melibatkan promosi menyeluruh bahan tambahan tidak berbahaya (tiada phthalates, tiada plumbum), menambah baik sistem kitar semula, dan membangunkan PVC berasaskan bio (dengan beberapa bahan mentah yang diperoleh daripada biojisim); kefungsian akan memberi tumpuan kepada penyelidikan dan pembangunan PVC antibakteria (dalam bidang perubatan), pembersihan diri PVC (untuk membina dinding luar), PVC penghalang tinggi (untuk pembungkusan), dll., mengembangkan senario aplikasi mewah.

PVC, sebagai bahan yang sangat mudah ditempa, merangkumi kemajuan kolaboratif sains material dan permintaan sosial dalam perjalanan pembangunannya. Daripada barangan isi rumah asas kepada komponen industri mewah, PVC menyokong operasi masyarakat moden dengan kelebihan kos efektifnya. Dengan kematangan teknologi perlindungan alam sekitar dan kemajuan ekonomi pekeliling, PVC akan mencapai pembangunan mampan dalam menangani kontroversi dan terus memainkan peranan penting sebagai sokongan material.