聚氯乙烯生产工艺及复合材料研究进展

郗素敬 马春水 牛永成 方红林(宁夏英力特化工股份有限公司，宁夏 石嘴山 753202)

0 引言

聚氯乙烯即生产中随处可见的PVC材料，由于其来源广泛，同时制备成本相对较低、质量较轻，同时在施工与保养工作中相对方便，除了这些聚氯乙烯材料本身的属性以外，聚氯乙烯在实际的化工生产过程中还具备高强度、高耐油性、高耐药性、强电气性等特点，由于聚氯乙烯具备上述诸多优点，因此聚氯乙烯被广泛应用于板材、日常用品的制备。虽然聚氯乙烯具备诸多的优点，但是聚氯乙烯却存在韧性、耐热性差，使用寿命短等缺点，这对于聚氯乙烯的进一步推广造成严重阻碍。因此本次研究中将对聚氯乙烯的生产工艺及其复合材料的研究展开分析。

1 聚氯乙烯的属性及应用

聚氯乙烯即日常中人们常见的PVC材料，由引发剂作用于单体氯乙烯发生聚合反应形成的一种热塑性高聚物，聚氯乙烯具有较强的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性、耐火性、绝缘性等理化特性，以及材料易得、成本低廉等经济特性，由于聚氯乙烯具备诸多的优点，因此在实际的化工生产当中，聚氯乙烯的实际生产产量仅次于聚乙烯，在全球范围内的树脂材料消费当中，聚氯乙烯的消费占据约1/3[1]。图1、图2为我国聚氯乙烯的生产集中地，其中蒙、新、鲁、青为聚氯乙烯重点生产地区，占全国范围内聚氯乙烯产能的1/2。

图1 我国聚氯乙烯生产情况

图2 我国聚氯乙烯主要生产地区

2 聚氯乙烯生产技术

2.1 氯乙烯制备

2.1.1 电石乙炔

运用电石乙炔制作聚氯乙烯需要经过以下阶段：

(1)石灰石与煤炭反应制备电石：CaCo3+C→CaC2

(2)电石与水反应制备乙炔：CaC2+H2O→C2H2

(3)乙炔与盐酸反应制备氯乙烯：C2H2+HCL→CH2CHCL

电石乙炔制备氯乙烯的方式在工艺与设备方面具备操作简单的优势，并且投资较少、具有较高的收益；同时消耗较大、原料成本较高，在反应过程中会产生大量的电石残渣，同时反应需要运用汞盐作为催化剂，而汞盐具有较大的毒性，同时汞化物具有较强污染性[2]。

2.1.2 乙烯氧氯化

运用乙烯氧化法制备单体氯乙烯需要已乙烯作为原料，需要经过以下步骤：

(1)乙烯与氯气反应制备二氯乙烷：

(2)热解二氯乙烷制备氯乙烯：

乙烯氧化制备氯乙烯具备低消耗、低排放的优势，不过设备工艺复杂，对原材料具有较强的依赖性[3]。

2.2 聚氯乙烯制备

引发剂与氯乙烯配合，通过以下方法进一步制备聚氯乙烯：

2.2.1 悬浮聚合

运用悬浮聚合制备聚氯乙烯的原理是，使分散的液态氯乙烯悬浮在容有融合剂的水溶液中，在聚合温度的条件下，溶于单体的引发剂分解成为自由基，在此条件下氯乙烯单体发生聚合反应，经过链引发、链增长、链终止、链转移等一系列基元反应后，聚氯乙烯由此形成[4]。

2.2.2 本体聚合

本体聚合法制备聚氯乙烯的原理是只需要在反应器皿当中加入单体氯乙烯，单体氯乙烯在引发剂作用下发生聚合反应。本体氯乙烯发生聚合反应的过程中，反应物的状态发生一系列变化，即低黏态→黏稠态→粉态，从而整个聚合反应可以分为“预聚合”、“后聚合”两个阶段，在经过全部聚合反应后，反应物经过液相低黏度→糊状→粉末态，最终得出粉体聚氯乙烯。

2.2.3 乳液聚合

乳液聚合法制备聚氯乙烯的原理是，运用单体氯乙烯、脱离子水、乳化剂、溶油性引发剂等，按比例进行混合配备反应剂，将氯乙烯与引发剂的混合剂均化为小液珠，随即置于反应器，调整温度至反应所需温度[5]。当达到预期的反应速率时中支反应，将未进行充分反应的氯乙烯单体进行回收，全部反应完成后，所得到的乳胶经喷雾经过干燥后，即所需的聚氯乙烯。

2.2.4 溶液聚合

通过溶液聚合制备聚氯乙烯大致需要经过以下步骤：

(1)溶解：向有机溶剂当中置入聚乙烯单体，通常情况下选择正丁烷、环己烷、乙酸丁酯、丙酮作为有机溶剂，经过搅拌后充分溶解；

(2)预聚合：预聚合需要使用氧化物引发剂，通常选择偶氮二一丁腈(AIBN)、过氧化二碳酸(EHP)作为引发剂，一边搅拌一边加热，直至40℃的聚合温度条件；

(3)沉淀分离：氯乙烯在聚合反应的过程中所形成的聚合物不溶于溶剂，所以在反应体系内形成了沉淀，将悬浮液去除，从而得到均一的聚氯乙烯。

多种氯乙烯聚合方法的优缺点分析对比如表1所示。

表1 氯乙烯聚合方法优缺点分析对比

3 聚氯乙烯相关复合材料的制备与应用

聚氯乙烯在燃烧时会产生大量黑烟，黑烟中伴有苯、甲苯等毒性化合物，而在生产聚氯乙烯复合材料的过程中使用阻燃剂对于防止聚氯乙烯发生燃烧具有实际的意义。

3.1 阻燃剂的应用机理

对于聚氯乙烯来说，聚氯乙烯具备高聚合物的性质，其中包括易燃性。因此在聚氯乙烯复合材料在实际使用过程中需要结合其易燃性特点防止其发生燃烧，防止聚氯乙烯复合材料发生燃烧对于实际生产与生活均具有实际意义。物体实现燃烧需要一下条件：温度、可燃物、助燃剂，以上条件缺一不可，所以说要阻止聚氯乙烯复合材料发生燃烧只需要材料的燃烧条件得不到满足即可。阻燃剂在受热条件下会分解出大量不燃性气体，除此之外阻燃剂受热以后，会形成致密保护层，包裹在复合材料表面，进而实现阻止燃烧。

3.2 卤系与锑系阻燃剂

卤系阻燃剂是目前业内研究最热门的一种阻燃剂，因为卤系阻燃剂具备制备成本低、添加量较少、具有较高的阻燃效率。卤系阻燃剂实现阻燃的原理是通过自由基对燃烧因素进行捕捉，从而实现阻燃[6]。卤系阻燃剂需要配合锑元素阻燃剂共同使用，从而强化阻燃效果。

卤系阻燃剂与锑元素阻燃剂配合使用实现阻燃强化的原理如下：锑元素阻燃剂与卤系阻燃剂配合使用下，形成氯氧化物，氯氧化物还会进一步与分解为气态的三氯化锑。由于捕捉反应当中的自由基形成的三氯化锑具有较高的蒸气密度进而可以覆盖在高分子材料的表面，最终实现阻燃。

4 结语

本次研究中对聚氯乙烯生产工艺以及复合材料的研究进行分析。首先本文中对聚氯乙烯的属性及应用进行论述，随即对聚氯乙烯生产技术主要从两方面进行介绍，包括通过电石乙炔、乙烯氧氯化的方法首先进行氯乙烯制备，随即通过悬浮聚合、本体聚合、乳液聚合、溶液聚合的方式进行聚氯乙烯制备。由于聚氯乙烯属于高分子材料，因此其具有易燃的特性，因此本次研究中对阻燃剂及其应用机理进行介绍，随即介绍了目前阻燃效率最高的卤系与锑系阻燃剂，实现聚氯乙烯复合材料的高效阻燃。通过本次研究，意在为聚氯乙烯生产工艺与复合材料的相关应用于研究提供一定的参考价值。