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Proceso de fabricación
Contenido
- 1 Cómo se fabrica el cloruro de polivinilo: la respuesta completa
- 2 Materias primas: dónde comienza la producción de PVC
- 3 Del etileno al VCM: el paso de craqueo del EDC
- 4 Tres formas de polimerizar VCM en resina de PVC
- 5 Compuesto: convertir la resina en material utilizable
- 6 PVC versus poliamida plástica de ingeniería: dónde encaja cada uno en la industria
- 7 Cómo se transforma el PVC en productos finales
- 8 Consideraciones ambientales en la fabricación de PVC
- 9 Parámetros de calidad clave que definen el grado de la resina de PVC
- 10 Preguntas frecuentes
Cómo se fabrica el cloruro de polivinilo: la respuesta completa
El cloruro de polivinilo (PVC) se fabrica mediante la polimerización del monómero de cloruro de vinilo (VCM). , que a su vez se produce combinando etileno (derivado del petróleo crudo o gas natural) con cloro (obtenido de la electrólisis del agua salada). El VCM resultante se somete a uno de tres procesos de polimerización industrial (suspensión, emulsión o masa) para crear el polvo o gránulos blancos que luego los fabricantes combinan en todo, desde tuberías de agua hasta tubos médicos. La cadena completa, desde la salmuera hasta la resina terminada, normalmente abarca tres etapas químicas principales y requiere un control preciso de la temperatura, la presión y la concentración del catalizador.
Etapa 01
Materias primas: dónde comienza la producción de PVC
Cada kilogramo de resina de PVC comienza con dos materias primas fundamentales: etileno y cloro . El etileno es un subproducto del craqueo con vapor de nafta o líquidos de gas natural, mientras que el cloro se produce en una planta de cloro-álcali haciendo pasar corriente eléctrica a través de una solución de salmuera saturada (cloruro de sodio). Esta electrólisis también coproduce hidróxido de sodio (sosa cáustica), lo que hace que la fabricación de PVC esté profundamente integrada con la industria cloro-álcali en general.
El equilibrio preciso de las materias primas es de enorme importancia a escala industrial. Producir una tonelada de PVC requiere aproximadamente 0,47 toneladas de cloro y 0,28 toneladas de etileno en la ruta del dicloruro de etileno (EDC), la vía global dominante. Una ruta secundaria, el proceso del acetileno, todavía se utiliza en China, donde el acetileno a base de carbón es económicamente competitivo, pero se está eliminando debido a preocupaciones sobre los catalizadores de mercurio.
a diferencia poliamida plástica de ingeniería El PVC, que se deriva principalmente de intermediarios petroquímicos como la caprolactama o el ácido adípico, depende en gran medida de la cadena de valor del cloro. Esto le otorga características de costos únicas: cuando las plantas de cloro-álcali funcionan a plena capacidad, el cloro es casi un subproducto, lo que históricamente ha mantenido los precios de la resina de PVC competitivos frente a otros polímeros.
57%
Cloro en masa en la estructura molecular del PVC.
43%
Estructura principal de carbono-hidrógeno del etileno
~50M
Toneladas de PVC producidas a nivel mundial al año
Etapa 02
Del etileno al VCM: el paso de craqueo del EDC
El principal intermediario en la fabricación de PVC es dicloruro de etileno (EDC, también llamado 1,2-dicloroetano) . El EDC se sintetiza mediante dos reacciones paralelas que la mayoría de las plantas a escala mundial ejecutan simultáneamente para maximizar la utilización del cloro:
1
Cloración directa
El etileno reacciona con cloro gaseoso seco en fase líquida a una temperatura de 50 a 130 °C en presencia de un catalizador de cloruro férrico (FeCl₃). Esta reacción exotérmica es sencilla de controlar y produce EDC de alta pureza con muy poca formación de subproductos. La temperatura del recipiente de reacción se controla cuidadosamente porque las temperaturas más altas favorecen los productos de cloración lateral no deseados.
2
oxicloración
En este paso se hace reaccionar etileno con cloruro de hidrógeno (HCl, recuperado del paso de craqueo de VCM) y oxígeno sobre un catalizador de cloruro de cobre a 220–300 °C. La oxicloración recicla el HCl que de otro modo sería un flujo residual, lo que hace que el proceso equilibrado sea casi 100% eficiente en cloro. Es la razón por la que las plantas modernas de PVC se describen como "equilibradas": casi todo el cloro que se introduce en el sistema termina en el polímero final.
3
Purificación EDC y craqueo térmico
Las corrientes de EDC combinadas se purifican mediante destilación para eliminar las sustancias pesadas y ligeras antes de ingresar al horno de craqueo. En el horno de craqueo, el EDC se calienta hasta 480–530°C en un reactor de pirólisis tubular. A estas temperaturas, aproximadamente entre el 50% y el 60% del EDC por pasada se divide en monómero de cloruro de vinilo (VCM) y HCl. El VCM se separa del EDC y HCl sin reaccionar mediante una secuencia de columnas de enfriamiento rápido, compresión y destilación. El EDC recuperado se recicla; El HCl regresa a la unidad de oxicloración.
La pureza del VCM que entra en la polimerización es fundamental. Demanda de especificaciones típicas pureza superior al 99,98% ; Incluso pequeñas cantidades de acetileno, butadieno o compuestos clorados de alto punto de ebullición pueden envenenar los iniciadores, crear decoloración o degradar la distribución del peso molecular de la resina final.
Etapa 03
Tres formas de polimerizar VCM en resina de PVC
Una vez que el VCM purificado está disponible, se somete a una polimerización por adición de radicales libres. La elección del proceso determina la morfología de las partículas, el peso molecular y la aplicación final de la resina.
| Proceso | Cuota de mercado | Tamaño de partícula | Aplicaciones primarias | Características clave |
|---|---|---|---|---|
| Suspensión (S-PVC) | ~80% | 100–180 micras | Tuberías, perfiles, marcos de ventanas. | Alta porosidad, fácil absorción de plastificantes. |
| Emulsión (E-PVC) | ~12% | 0,1–2 µm | Plastisoles, revestimientos, guantes, suelos. | Partículas muy finas, forma pastas con plastificantes. |
| Granel / Masa (M-PVC) | ~8% | 100–150 micras | Aplicaciones rígidas, películas. | No se utiliza agua; resina más pura, menor energía |
Polimerización en suspensión en detalle
En la polimerización en suspensión, el VCM líquido se dispersa en gotas en agua desionizada usando agitación y agentes de suspensión como alcohol polivinílico parcialmente hidrolizado o metilcelulosa. Los iniciadores de peróxido orgánico solubles en aceite (por ejemplo, peróxido de dilauroilo, peroxidicarbonato de dietilhexilo) se disuelven en las gotitas de monómero. Cada gota actúa como un reactor de polimerización mini-bulk. La reacción ocurre en 40–70°C bajo presión autógena de 6–12 bar durante varias horas. Por lo general, la conversión se detiene entre el 85% y el 90% ventilando el VCM que no ha reaccionado antes de extraer la suspensión para eliminar el monómero residual por debajo de 1 ppm para cumplir con las normas.
El diseño del reactor es un recipiente de acero inoxidable con camisa y equipado con deflectores internos y un agitador de múltiples palas. Los tamaños de los reactores en las plantas modernas oscilan entre 70 m³ y 200 m³. El control de la temperatura es el parámetro más crítico: debido a que la polimerización es altamente exotérmica ( liberando aproximadamente 1.500 kJ/kg de VCM ), las reacciones descontroladas se evitan equilibrando cuidadosamente la velocidad de alimentación del iniciador y la capacidad de enfriamiento. El valor K (índice de viscosidad de Fikentscher) de la resina resultante, que determina el peso molecular y, por tanto, las propiedades mecánicas, se controla directamente mediante la temperatura de reacción: temperaturas más bajas producen valores K más altos (cadenas más largas) y viceversa.
Polimerización en emulsión en detalle
El PVC en emulsión utiliza iniciadores solubles en agua (como persulfato de potasio) y tensioactivos (lauril sulfato de sodio o similar) para crear un látex coloidal de partículas de PVC submicrónicas. El pequeño tamaño de las partículas es la característica definitoria del E-PVC: cuando se mezclan con plastificantes a temperatura ambiente, estas partículas forman plastisoles fluidos que pueden recubrirse por extensión, rotomoldearse o recubrirse por inmersión. Después de la polimerización, el látex se seca por pulverización hasta obtener un polvo blanco fino. Los grados de E-PVC son el material elegido para cuero artificial, revestimientos de paredes y sellos inferiores de automóviles.
Compuesto: convertir la resina en material utilizable
La resina de PVC pura, a veces denominada resina "pura" o "base", casi nunca se utiliza tal cual en los productos terminados. La inestabilidad térmica inherente del polímero (comienza a degradarse y liberar HCl a alrededor de 100°C , muy por debajo de su temperatura de procesamiento de 160 a 200 °C) significa que es esencial un paquete de aditivos cuidadosamente formulado antes de que pueda ocurrir cualquier procesamiento posterior.
Estabilizadores Térmicos
Los estabilizadores de calcio-zinc (Ca-Zn), organoestaño o metales mixtos eliminan el HCl liberado durante el procesamiento, evitando la degradación y decoloración de la cadena. Los cambios regulatorios en Europa y América del Norte han eliminado en gran medida los estabilizadores a base de plomo, aunque siguen utilizándose en algunos mercados en desarrollo.
Plastificantes
Ésteres de ftalato (DEHP era el clásico; DINP y DIDP ahora son dominantes para usos no médicos) y alternativas sin ftalato (DOTP, citratos de origen biológico) se añaden en niveles de 10 a más de 100 phr (partes por cien de resina) para producir PVC flexible. A 0 phr, el resultado es PVC rígido (uPVC) para tuberías y perfiles de ventanas.
Lubricantes
Los lubricantes internos (por ejemplo, ésteres de ácidos grasos) reducen la fricción polímero-polímero durante el procesamiento en estado fundido; Los lubricantes externos (por ejemplo, cera de polietileno oxidada, estearato de calcio) reducen la fricción del metal fundido para evitar la formación de placas en el equipo de procesamiento.
Rellenos y modificadores de impacto.
El carbonato de calcio (CaCO₃) a 5-30 phr es el relleno más utilizado, ya que mejora la rigidez y reduce los costos. Se agregan modificadores de impacto de polietileno clorado o acrílico (CPE) a las formulaciones de PVC rígido para evitar fracturas frágiles, lo que es particularmente importante en aplicaciones al aire libre donde la resistencia al impacto a baja temperatura es crítica.
La etapa de composición se lleva a cabo típicamente en una extrusora de doble tornillo co-rotativa o en un mezclador interno (mezclador tipo Banbury), que simultáneamente dispersa los aditivos y fusiona parcialmente las partículas de PVC. El resultado es una mezcla seca precompuesta, un gránulo granulado o una lámina calandrada, según la ruta de procesamiento posterior.
Vale la pena señalar que si bien poliamida plástica de ingeniería (nylon) requiere muy poca estabilización para su procesamiento; es inherentemente más estable térmicamente con un punto de fusión de 220 a 280 °C según el grado; la química de estabilización del PVC es mucho más compleja. Esta es un área en la que la poliamida plástica de ingeniería tiene una ventaja en la formulación, aunque el PVC conserva importantes beneficios de costo y resistencia química en muchas aplicaciones.
PVC versus poliamida plástica de ingeniería: dónde encaja cada uno en la industria
Comprender cómo se fabrica el cloruro de polivinilo arroja luz sobre por qué sus propiedades difieren tan fundamentalmente de las del cloruro de polivinilo. poliamida plástica de ingeniería . Ambos son termoplásticos industriales importantes, pero ocupan nichos de rendimiento bastante diferentes.
Cloruro de polivinilo (PVC)
- Excelente resistencia química a ácidos, bases y sales.
- Intrínsecamente retardante de llama debido al contenido de cloro.
- Bajo costo: típicamente entre $0,80 y $1,40/kg para calidades básicas
- Amplio rango de dureza (Shore A 40 a Shore D 90) gracias al contenido de plastificantes
- Temperatura de servicio limitada: normalmente –15 °C a 60 °C (flexible) o hasta 70 °C (rígido)
- Predominantes en la construcción: tuberías, herrajes, perfiles de ventanas, suelos.
Poliamida plástica de ingeniería (PA6, PA66)
- Resistencia mecánica superior y resistencia a la fatiga.
- Alta temperatura de servicio continuo: 100–130°C (PA6), 130–150°C (PA66)
- Costo más alto: típicamente entre $2,50 y $5,00/kg dependiendo del grado
- Excelente resistencia al desgaste y la abrasión de las piezas móviles.
- Absorbe la humedad (1-9% según el grado), lo que afecta las dimensiones y propiedades.
- Dominante en automoción, conectores eléctricos, engranajes y soportes estructurales.
En sectores como el de la protección de mazos de cables para automóviles, ambos materiales compiten directamente. El alambre recubierto de PVC es el estándar histórico para cables automotrices de bajo voltaje debido a su flexibilidad y bajo costo. Sin embargo, poliamida plástica de ingeniería corrugated conduit está ganando terreno en aplicaciones debajo del capó donde las temperaturas habitualmente exceden los 100°C y el PVC se ablanda o emite vapores plastificantes.
En el manejo de fluidos industriales, el PVC domina para el transporte de químicos agresivos a temperatura ambiente, mientras que la poliamida plástica de ingeniería reforzada con fibra de vidrio se usa para tubos neumáticos de alta presión y conectores hidráulicos que requieren estabilidad dimensional en un amplio rango de temperaturas.
Cómo se transforma el PVC en productos finales
Después de la composición, el PVC se procesa mediante varios métodos bien establecidos. Cada uno imparte diferentes geometrías y propiedades del producto.
01
Extrusión
El método más utilizado para PVC rígido. Una extrusora de uno o dos tornillos funde y homogeneiza el compuesto, luego lo fuerza a pasar a través de una matriz que le imparte el perfil de la sección transversal. Los tubos (de 4 mm a 2400 mm de diámetro), perfiles de ventanas, aislamientos de cables y paneles de revestimiento se extruyen de forma continua. Se prefieren las extrusoras de doble tornillo para PVC rígido porque su acción de mezcla suave y distributiva es menos dañina térmicamente que el intenso corte de un solo tornillo.
02
Calandrado
Grandes rodillos calentados (calandras) exprimen un compuesto de PVC caliente en láminas delgadas y continuas. Este proceso se utiliza para pisos de PVC, revestimientos de paredes y cuero sintético. Las líneas de calendario modernas pueden producir películas tan delgadas como 0,05 milímetros y correr a velocidades de hasta 80 m/min. Los rollos de estampado de superficies pueden imprimir texturas en una sola pasada.
03
Moldeo por inyección
Se utiliza para piezas tridimensionales discretas, como accesorios de tuberías, cajas de conductos eléctricos, suelas de zapatos y carcasas de dispositivos médicos. La ventana de procesamiento relativamente estrecha del PVC (160–200 °C, con degradación que comienza rápidamente por encima de los 210 °C) exige un perfilado cuidadoso de la temperatura del barril y tiempos de residencia cortos. Las máquinas de tornillo alternativo con relaciones L/D bajas y geometrías de tornillo suaves son estándar.
04
Recubrimiento de Plastisol y Moldeo Rotacional
Los plastisoles de PVC en emulsión son fluidos a temperatura ambiente y se pueden aplicar mediante recubrimiento por extensión, serigrafía, recubrimiento por inmersión o moldeo granizado. Después de darle forma, el plastisol se fusiona (geliza) en un horno a 160-200 °C para producir un artículo de PVC flexible y homogéneo. Esta ruta se utiliza para guantes de vinilo, revestimientos para bajos de automóviles, revestimientos de tela y juguetes.
05
Moldeo por soplado
El moldeo por soplado de PVC se utiliza para botellas transparentes (agua mineral, aceite de cocina) y bolsas médicas. Las botellas de PVC rígido transparente se benefician de la claridad inherente del polímero y de sus buenas propiedades de barrera. Sin embargo, el PET ha desplazado en gran medida al PVC en los envases de bebidas en la mayoría de los mercados debido a la infraestructura de reciclaje y las presiones regulatorias sobre los plastificantes y estabilizadores.
Consideraciones ambientales en la fabricación de PVC
La producción de cloruro de polivinilo plantea varias consideraciones ambientales que los fabricantes modernos abordan mediante mejoras de procesos y cumplimiento normativo.
Control de emisiones VCM
El monómero de cloruro de vinilo está clasificado como carcinógeno humano del Grupo 1. Se requiere que las plantas modernas limiten el VCM atmosférico por debajo 1 ppm en el aire ambiente de la planta y para eliminar el VCM residual de la resina terminada a menos de 1 ppm. Los sistemas de extracción de circuito cerrado que utilizan vapor o agua caliente han reducido las emisiones de VCM a nivel de planta en más del 99 % en comparación con las operaciones de la década de 1970.
Formación de dioxinas
Cuando el PVC se incinera a bajas temperaturas (por debajo de 850 °C), puede formar dibenzoparadioxinas y furanos policlorados (PCDD/F). Las plantas modernas de conversión de residuos en energía mitigan esto mediante la combustión a alta temperatura (superior a 1000 °C) combinada con sistemas de inyección de carbón activado y filtros de bolsas, lo que reduce los PCDD/F a niveles que cumplen con la Directiva de la UE 2010/75/UE.
Reciclaje Mecánico
El PVC rígido (tubos, perfiles, marcos de ventanas) tiene corrientes de reciclaje mecánico bien establecidas en Europa. el Programas Vinyl 2010 y VinylPlus En conjunto, han reciclado más de 5 millones de toneladas de PVC desde 2000. El PVC flexible es más difícil de reciclar porque los diferentes paquetes de plastificantes son incompatibles y difíciles de clasificar.
Reciclaje químico
Las rutas de hidrogenación y pirólisis para residuos plásticos mixtos luchan con los polímeros clorados porque la liberación de HCl corroe los componentes del reactor. Se están desarrollando pasos específicos de pretratamiento de deshalogenación, incluida la separación mecánica y el tratamiento térmico alcalino, para permitir que el PVC ingrese a las corrientes de reciclaje químico junto con las poliolefinas y las fracciones de poliamida plástica de ingeniería.
Parámetros de calidad clave que definen el grado de la resina de PVC
No todas las resinas de PVC son iguales. Los productores de resina y sus clientes utilizan un conjunto de parámetros estándar para especificar y verificar la calidad de la resina:
- Valor K (o viscosidad inherente): La medida de peso molecular más utilizada en la industria del PVC. Los valores K varían desde aproximadamente 57 (MW bajo, procesamiento fácil, propiedades mecánicas más bajas) a 80 (MW alto, procesamiento más exigente, mejores propiedades de impacto y tracción). El S-PVC para tuberías suele tener un valor K de 65 a 68; el aislamiento del cable utiliza K-57 a K-62; El E-PVC de calidad pastosa utiliza K-65 a K-75.
- Densidad aparente: Afecta el flujo de polvo, el diseño del recipiente y el rendimiento del compuesto. El PVC en suspensión suele tener una densidad aparente de 500 a 650 g/l. Una mayor densidad aparente generalmente significa un empaquetamiento más denso de las partículas primarias y afecta la tasa de absorción del plastificante.
- Absorción de Plastificante (PA100): Medido como gramos de DOP (ftalato de dioctilo) absorbidos por 100 g de resina en una prueba estandarizada. Las resinas de alta porosidad pueden absorber de 30 a 35 g/100 g; los grados de baja porosidad absorben de 10 a 15 g/100 g. Este parámetro controla directamente el tiempo de mezcla y la temperatura necesarios en la composición.
- Estabilidad térmica (prueba de horno blanco): Una muestra de lámina o gránulo prensada se mantiene a 180°C en un horno; el tiempo hasta el primer amarillamiento observable es el tiempo de estabilidad térmica. Las resinas para tuberías deben exceder los 30 a 45 minutos; Un rendimiento inadecuado indica contaminación o estabilizador insuficiente en la formulación del compuesto.
- VCM residuales: Los límites reglamentarios en aplicaciones en contacto con alimentos suelen ser de 1 ppm o menos. Las aplicaciones no alimentarias pueden permitir niveles ligeramente más altos. Las pruebas se realizan mediante GC de espacio de cabeza (cromatografía de gases).
- Recuento de ojos de pez: Número de partículas de gel de PVC no derretidas visibles en una película prensada. Un recuento alto de ojos de pez indica una fusión incompleta durante el procesamiento, a menudo atribuida a partículas de resina de gran tamaño, contaminación o temperaturas de procesamiento subóptimas. Las especificaciones para las aplicaciones de películas transparentes son muy estrictas: a veces menos de 10 ojos de pez por película de 150 cm².
Preguntas frecuentes
¿Es lo mismo PVC que vinilo?
En el lenguaje comercial cotidiano, "vinilo" y "PVC" se utilizan indistintamente. Estrictamente hablando, "vinilo" se refiere al monómero de cloruro de vinilo (CH₂=CHCl), mientras que el PVC es la forma polimerizada. En contextos de productos (pisos de vinilo, discos de vinilo, revestimientos de vinilo) el material es siempre cloruro de polivinilo.
¿Cómo se compara el PVC con la poliamida plástica de ingeniería en términos de resistencia química?
El PVC tiene una resistencia más amplia a los ácidos inorgánicos, las bases y las soluciones salinas acuosas. La poliamida plástica de ingeniería resiste mejor los hidrocarburos y ciertos solventes orgánicos, pero se degrada con ácidos fuertes y agua absorbida con el tiempo. Para el ácido sulfúrico concentrado, el PVC es la opción clara; para accesorios de tuberías de combustible en un compartimento de motor caliente, la poliamida plástica de ingeniería o los fluoropolímeros son más apropiados.
¿Por qué se considera que el PVC es difícil de reciclar?
Varios factores agravan la dificultad: el contenido de cloro significa que el PVC reciclado térmicamente puede generar HCl, que corroe los equipos y contamina otras corrientes de plástico. El PVC flexible contiene plastificantes que varían ampliamente entre productos, lo que dificulta la clasificación y combinación de materiales para lograr una calidad constante. El PVC rígido (ventanas, tuberías) se recicla con mucho más éxito porque se trata de un flujo relativamente homogéneo.
¿Cuál es la diferencia entre PVC en suspensión y PVC en pasta (PVC en emulsión)?
El PVC en suspensión (S-PVC) consta de partículas porosas de 100 a 180 µm de diámetro diseñadas para absorber plastificantes en forma de polvo seco a temperatura elevada durante la composición. La pasta de PVC (P-PVC, elaborada mediante polimerización en emulsión) consiste en partículas submicrónicas que se dispersan en plastificantes a temperatura ambiente para formar una pasta fluida o plastisol, a la que luego se le da forma y se fusiona mediante calor. Los dos grados no son intercambiables.
¿Qué hace que la poliamida plástica de ingeniería sea una mejor opción que el PVC en algunas aplicaciones mecánicas?
La poliamida plástica de ingeniería tiene una temperatura de servicio continuo significativamente más alta (hasta 150 °C para PA66 frente a 70 °C para PVC rígido), mayor resistencia a la tracción y mucha mejor resistencia al desgaste contra medios abrasivos. En aplicaciones como cabezales de bridas para cables, ruedas dentadas, impulsores de bombas y soportes estructurales, el rendimiento mecánico de la poliamida a temperaturas elevadas simplemente no es replicable con el PVC, independientemente de la formulación.
¿Cuánto tiempo dura la reacción de polimerización del PVC?
En la polimerización en suspensión, un ciclo por lotes típico dura entre 5 y 12 horas, dependiendo del valor K objetivo, el tamaño del reactor, el sistema iniciador y la temperatura de reacción. Los valores K más altos (mayor peso molecular) requieren temperaturas más bajas y, por lo tanto, tiempos de ciclo más largos. Incluyendo la carga, la reacción, la extracción de monómeros, la descarga y la limpieza, el tiempo total de respuesta del lote para un reactor grande de 150 m³ suele ser de 10 a 16 horas.
Móvil:+86-15867822829
Teléfono: +86-0574-62538663
Fax: +86-0574-62530664
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