什麼是PVC？聚氯乙烯的特性、種類和用途

聚氯乙烯詳解：聚氯乙烯的組成、性能及工業應用

聚氯乙烯（PVC）是世界上產量最大的熱塑性聚合物之一，排名第三。 聚乙烯 聚氯乙烯（PVC）是全球產量第三大的合成塑膠聚合物。 PVC塑膠最早發現於19世紀，並在1920年代實現商業化，是建築、電線電纜、醫療和消費品領域最常用的建築材料之一。它之所以應用如此廣泛，是因為它具有獨特的性能，例如耐化學腐蝕、阻燃和經濟的PVC生產過程。

本概述描述了PVC的組成（分子水平）、PVC的可量化物理和機械性能、硬質和軟質化合物之間的實際差異、PVC在主要行業的應用以及PVC整理的途徑。 PVC擠出 以及其他流程。

PVC是由什麼製成的？化學成分和結構

聚氯乙烯 或PVC，它是一種由氯乙烯單體（VCM）製成的合成塑膠聚合物。聚合物鏈中的每個重複單元需要2個碳原子、3個氫原子和1個氯原子，因此其化學式為(C₂H₃Cl)ₙ。它由57%的氯（來自食鹽[NaCl]）和43%的乙烯（一種從石油或天然氣中提取的烴類）組成。

PVC的高氯含量使其具有天然的阻燃性，並使其與其他通用熱塑性塑膠區分開來。

氯乙烯單體作為原料，採用兩步驟生產：乙烯與氯氣反應生成中間體二氯乙烷（EDC），EDC在高溫下裂解生成氯乙烯氣體及氯化氫副產物。 歐洲塑膠展經過多年的改進，該工藝得以改進，從而可以回收和再利用氯化氫副產品。

此聚合步驟將VCM轉化為PVC樹脂。根據工業數據顯示，全球約80%的PVC產量是透過懸浮聚合法製備的，即將VCM分散於水中，在70℃和10 kg/cm²的條件下分批聚合；12%的PVC產量是透過乳液聚合法製備的；剩餘的8%是透過本體（質量）聚合法製備的。每種聚合方法都會影響樹脂顆粒的粒徑分佈和孔隙率，進而改變樹脂供應商的添加劑作用以及增塑劑的親和力/排斥力。

PVC材料的主要特性

另一方面，PVC的性能資訊會因配方而異。然而，未增塑（硬質）PVC具有一系列獨特的、可量化的性能，這解釋了其在建築和基礎設施應用領域佔據主導地位的原因。此外，它還具有優異的耐酸、耐鹼以及耐大多數無機化學品的化學性能，並且由於其57%的氯含量，還具有阻燃性能。

這種材料不易燃——其極限氧指數（燃燒所需的最低氧氣濃度）約為 45-49%，而普通空氣中的氧氣含量約為 21%。當移除點火源時，它會自行熄滅。

從上表可以看出，PVC材料為何能佔有一席之地。它的剛度和拉伸性能與ABS相當甚至更優，而且還具有聚烯烴材料不添加阻燃劑所無法達到的阻燃性能。但代價是其最高使用溫度較低——硬質PVC在60-70℃左右就會軟化，因此它適用於冷水管道，但不適用於熱水管道，熱水管道則需要使用CPVC或金屬管道。

電氣絕緣是PVC的另一個突出特性。 PVC的介電強度為20–40 kV/mm，體積電阻率超過10¹⁴ Ω·cm，使其成為目前最具成本效益的絕緣材料之一。與工程塑膠相比，PVC每公斤價格低30–50%，這種兼具優異絕緣性能和低成本的優勢，使其成為最常用的塑膠之一。 電纜絕緣層 整個電氣行業。

硬質PVC與軟質PVC－有哪些變化以及原因

硬質PVC和軟質PVC的差異主要在於一種添加劑：增塑劑。市售PVC可分為這兩類。硬質PVC（有時也稱為uPVC或未增塑PVC）完全不含增塑劑，其已知的物理、機械和電氣性能完全由其剛性聚合物主鏈支撐。軟質PVC（也稱為增塑PVC或PVC-P）含有30-50 phr的增塑劑化合物，這些化合物插入PVC聚合物鏈之間，提高了鏈段的運動性，從而製成柔軟、可彎曲的材料。

除了添加量之外，增塑劑的種類也至關重要。傳統配方依賴鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯 (DEHP)，這是一種鄰苯二甲酸酯類增塑劑，因其潛在的內分泌幹擾作用而受到越來越多的監管審查。現代柔性聚氯乙烯 (PVC) 化合物已基本轉向非鄰苯二甲酸酯類替代品，例如對苯二甲酸二辛酯 (DOTP) 和環己烷-1,2-二羧酸二異壬酯 (DINCH)。 2024 年的產業數據顯示，醫用級 PVC 新增資本投資的 40% 將用於非鄰苯二甲酸酯類配方。

除了塑化劑外，PVC的硬質和軟質組合物還需要使用熱穩定劑，以防止加工過程中發生熱降解。調節穩定體系，例如用於食品接觸級和醫用級產品的鈣/鋅穩定劑以及用於高透明度產品的有機錫穩定劑，也被廣泛應用。其他添加劑，例如潤滑劑、填料、著色劑和顏料以及紫外線穩定劑，則用於滿足最終產品的相應目標性能。

PVC在各行業的應用

聚氯乙烯（PVC）的應用範圍十分廣泛，從地下水管到醫院的輸液袋，無所不包。 2024年全球PVC市場規模估計為86.5億美元，預計到2033年將以4.51%的複合年增長率增長，這主要得益於亞太地區的建築活動，該地區消耗了全球65%以上的PVC。

建設和基礎設施

建築應用是PVC需求的主要來源，建築和施工業約佔全球總用量的60%。長壽命硬質PVC管材廣泛應用於冷水管路、排水通風（DWV）管道及污水管系統。 PVC管路具有耐腐蝕、無內垢等優點，若依規範安裝，使用壽命可達50至100年以上。 ASTM D1785 其優異的性能使其成為首選材料。窗框、外牆板和乙烯基地板——均由PVC製成——以及其他PVC製品，例如圍欄，都是建築業中銷量巨大的細分市場。與木材和鋁材等傳統材料相比，PVC的耐候性和免維護特性是其主要賣點。

電氣和電子

電氣絕緣材料和組件構成了另一個規模可觀的市場，PVC優異的電氣絕緣性能和阻燃特性在該行業中佔據關鍵優勢。預計到2024年，亞太地區所有電纜產量的10%至20%將採用PVC絕緣，部分原因是電力分配基礎設施升級改造的成長，包括電動車充電網路和智慧電網系統。從導管到接線盒、電線護套和線路保護，PVC材料被廣泛應用於電氣安裝的各個環節。

醫療保健和醫療器械

柔性PVC在醫療保健領域的一次性應用中佔據了絕大部分份額。 PVC醫療器材包括符合以下標準的袋子和導管、外科手套、透析設備和血袋： USP VI級生物相容性 標準。全球對醫院和其他醫療保健基礎設施的強勁需求，導致過去十年中該材料的消耗量增長了約25%，其中不含鄰苯二甲酸酯的化學產​​品在新生兒和兒科護理中尤其受歡迎。醫院使用的乙烯基產品種類繁多，從輸液管到氧氣面罩，應有盡有。

消費品及其他市場

汽車（內裝和底盤塗層）、包裝（吸塑包裝）、標誌（泡沫PVC標誌和展示架）以及服裝（合成皮革、雨具）等行業也在生產過程中使用PVC。乙烯基（PVC）地板是家庭室內設計領域成長最快的細分市場之一，其使用壽命與實木地板或瓷磚相當，價格卻低得多。

PVC加工流程－從樹脂到成品

將PVC原料加工成成品包括兩個關鍵步驟：混煉和加工。由於PVC是一種熱敏樹脂（熱降解始於140℃左右），因此對加工溫度的精確控制至關重要。然而，為了確保樹脂的流動性、浸漬性和熔體均勻性，必須在180-200℃範圍內提供足夠的熱量使其凝膠化。這一工藝窗口相對較窄，因此對設備的選擇有特定要求。

第一階段：複配

預先乾燥的PVC樹脂與穩定劑、潤滑劑、增塑劑（用於柔性化合物）、填料和顏料在高速混合機中混合，然後送入混煉擠出機。有雙螺桿同向旋轉和反向旋轉兩種配置，但反向旋轉的配置更為常見。 雙螺桿擠出機 由於其嚙合式螺旋結構在較低的剪切力下能提供比同向旋轉式螺旋輸送機更有效率的輸送力（圖1），因此在PVC產業中備受青睞。這在處理像PVC這樣對剪切黏度敏感的樹脂時，無疑是一項優勢。

第一階段：成型

PVC材料配製完成後進入成型階段，此階段主要包括三個工序；

1. 擠出成型－管材、型材、板材、電纜護套。料筒溫度通常從進料區的 150°C 逐漸升高至模頭處的 190 至 210°C。這是迄今為止最常見的 PVC 成型方法，也是所有 PVC 產品的核心。 PVC擠出生產線.
2. 射出成型－管件、閥體、連接器。熔融溫度170–200°C的短暫停留時間可防止聚合物老化。
3. 壓延－適用於乙烯基地板、薄膜、片材。材料被送入以特定間隙設定的加熱輥之間。

擠出設備的種類很大程度取決於最終產品的用途。在硬質PVC管材的生產中，反向旋轉錐形雙螺桿擠出機佔據主導地位。平行反向旋轉雙螺桿擠出機則用於生產硬質PVC型材和板材。而結構較簡單的帶阻隔螺桿的單螺桿擠出機是柔性PVC電纜塗層最常用的設備，因為它具有進料區，預塑化化合物可以相對容易地流動，並且由於其高產量，能夠實現最佳混合，並能很好地控制PVC擠出加工中至關重要的溫度。

PVC的安全性、健康問題與環境影響

關於聚氯乙烯（PVC）安全性的討論需要區分成品和構成它的原料。氯乙烯單體（VCM）已被歸類為… 國際癌症研究機構（IARC）認定其為1類致癌物有確鑿證據表明，氯乙烯（VCM）會導致人類罹患癌症－肝血管肉瘤。聚氯乙烯（PVC）顆粒和氯乙烯氣體暴露是人類健康的主要隱患。儘管如此，據報道，成品PVC製品中的氯乙烯殘留量已控制在極低濃度（通常低於1 ppm），且職業暴露限值在過去25年中已大幅降低。

12月2024， 美國環保署將氯乙烯列為高優先物質 根據《有毒物質管制法案》(TSCA)，這項認定啟動了正式的風險評估流程，初步範圍文件已於2025年1月發布徵求意見。

TSCA 的這項行動是在對氯乙烯暴露途徑進行數十年的科學審查之後採取的，特別是對氯乙烯製造工人和居住在 PVC 製造廠周圍的居民的暴露途徑。

回收和報廢

聚氯乙烯（PVC）可透過樹脂識別代碼3進行識別，並且在技術上可以進行機械回收。然而，PVC的回收利用率仍然很低。根據環境審計，即使在收集和分類系統最有效率的歐洲，消費後PVC廢棄物的回收率也低於3%。

事實上，困難在於每種PVC產品中都含有多種不同的添加劑，因此很難生產出性能均一的再生PVC樹脂。大多數再生PVC都被降級回收，用於製造交通錐、花園軟管或工業地板等產品。

行業團體，包括 歐洲塑膠展 此外，VinylPlus計畫也制定了自願回收目標，並投資了先進的分類技術。美國塑膠公約提議解決包裝問題，其中PVC被列為問題包裝之一，並承諾採取各種措施消除這種問題材料。

關於PVC的常見問題