История хлорированных полимеров: подъем PVC, неопрена и PVDC

К 1920-м и ранним 1930-м годам быстрая эволюция синтетических полимеров принесла новый класс материалов, основанных на химии хлора. Ранние доказательства "синтеза" PVC датируются серединой 1830-х, когда Юстус фон Либиг и его студент Анри Виктор Регно впервые произвели винилхлорид — мономер, который позже станет основой PVC. Хотя ни один химик не intención создавать полимеры, наблюдение Регно в 1838 году белого порошка, сформировавшегося в сосуде с винилхлоридом, знаменует случайное рождение PVC. Материал был "обнаружен" снова в 1872 году, подчеркивая его неуловимую природу.

Коммерческие попытки использовать PVC в начале 20-го века застряли из-за его плохой термической стабильности. Уолдо Семон из B.F. Goodrich решил эту проблему, изобретя пластификаторы, снизившие температуру размягчения PVC, открыв узкое, но жизнеспособное окно для расплавной обработки. Варируя тип и количество пластификатора, производители могли адаптировать PVC от жесткого к гибкому, давая полимеру замечательную универсальность.

В 1930 году директор по исследованиям DuPont Элмер Болтон переключился на ацетиленовую химию, превращая винилацетилен в хлоропрен — мономер неопрена — реакцией с хлористым водородом. К 1931 году DuPont приобрела патенты у доктора Юлиуса Ньюланда из Нордама и полимеризовала хлоропрен, производя первый по-настоящему синтетический каучук. Свойства неопрена также могли быть тонко настроены пластификаторами, используя ту же химию, что революционизировала PVC.

Через два года работник лаборатории Dow Chemical случайно обнаружил поливинилиденхлорид (PVDC). Химически похожий на PVC, но с более высоким содержанием хлора, PVDC предлагал превосходные барьерные, химические и огнеупорные свойства. Ральф Уайли впервые отметил устойчивость PVDC к очистительным средствам, работая над перхлорэтиленом. Узнав его потенциал как влагобарьерного покрытия, Уайли направил компанию к пленочным приложениям. После шести лет уточнения — включая удаление зеленоватого оттенка и неприятного запаха — PVDC был принят в 1942 году как защитная пленка для военной экипировки. Хотя президент Доу Уиллард Доу рассматривал отказ от PVDC в 1943 году, патенты Уайли убедили компанию продолжить, приведя к созданию знаковой пузырчатой пленки Saran. Saran стала основной оберткой для военной экипировки, и после войны продукт малой компании для пищевой пленки в конечном счете вернул бренд под крыло Dow в 1948 году.

После PVC, неопрена и PVDC появился хлорированный полиэтилен (CPE). В отличие от других, CPE производится хлорированием предварительно полимеризованного полиэтилена, замещая атомы водорода хлором вдоль основной цепи. В зависимости от базового полиэтилена (LDPE vs HDPE) и содержания хлора, CPE может вести себя как термопласт, термопластичный эластомер или жесткий полимер. Патент 1939 года Эрика Фосетта — который также помог изобрести полиэтилен — заложил основу для хлорированных полиолефинов, включая хлорированный полипропилен. Когда хлорируется после полимеризации, сам PVC становится хлорированным PVC (CPVC), повышая свою температуру стекловидного перехода с ~80 °C до 110 °C и улучшая термостойкость.

Хлор придает несколько желательных атрибутов этим материалам: исключительные барьерные свойства (например, кислородный барьер Saran превосходит LDPE более чем в 3000 раз), высокую химическую стойкость и врожденную огнеупорность. Например, неопрен может фильтровать 99,9% частиц крупнее 0,1 мкм — превосходя размер среднего коронавируса (≈0,125 мкм). Однако хлор также вносит проблемы: узкие окна обработки, коррозионные побочные продукты, требующие защитного инструментария, и экологические опасения, такие как образование диоксинов при сжигании PVC.

В 2004 году S.C. Johnson сменила состав Saran Wrap с PVDC на полиэтилен для снижения экологического воздействия. Новый материал легче, дешевле и легче в производстве, но лишен самоприлипания и превосходной барьерной производительности оригинального PVDC. Регуляторная проверка теперь распространяется на галогенированные огнеупоры, однако неопрен остается в широком использовании — от чехлов для ноутбуков до высокомодной одежды — иллюстрируя сложное общественное восприятие пластиков.

Несмотря на споры, хлорсодержащие полимеры выжили почти век. PVC остается третьим по потреблению полимером в мире, во многом благодаря свойствам, которые придает хлор. По мере того как индустрия продолжает исследовать альтернативы, фторированные полимеры станут следующим фокусом.

ОБ АВТОРЕ: Майкл Сепе — независимый консультант по материалам и обработке, базирующийся в Седоне, штат Аризона, с клиентами по всей Северной Америке, Европе и Азии. С более чем 45-летним опытом в пластиковой индустрии он консультирует по выбору материалов, технологичности, оптимизации процессов, устранению неисправностей и анализу отказов. Контакт: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com