LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với nền khoa học – kỹ thuật hiện đại, công nghệ hóa học không ngừng phát triển và chiếm vị trí quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Các ngành công nghiệp lớn như cao su, chất dẻo, sợi hóa học, màng, sơn và keo, vật liệu cách điện và giấy…hoàn toàn có mặt các vật liệu cao phân tử hay Polyme. Có thể nói các vật liệu cao phân tử hầu như được sử dụng trong mọi ngành kinh tế. Sản phẩm Polyme có những tính chất đặc biệt so với các vật liệu khác như tỷ trọng thấp, tính cách điện, cách nhiệt, cách âm cao, khả năng chống ăn mòn, dễ gia công, dễ tạo hình và nhuộm màu tốt… Tuy nhiên vẫn còn nhiều nhược điểm như độ bền nhiệt thấp, hệ số giãn nở nhiệt cao, dễ chảy và phân hủy theo thời gian… Khoa học công nghệ càng phát triển tương ứng với càng nhiều nghiên cứu mới cho thấy có thể khắc phục được những nhược điểm trên và tạo ra các sản phẩm có tính chất đặc biệt tốt hơn.
Hiện nay, hầu hết các nước phát triển và đang phát triển đều sử dụng phổ biến vật liệu Polyme, các nước công nghiệp hiện đại thường có những ứng dụng tiên tiến và hiện đại hơn rất nhiều trong lĩnh vực như vũ trụ, hàng không, hàng hải, quân sự và dân dụng. Một trong những sản phẩm của công nghệ Polymer thường được quan tâm là nhựa PVC. Trên sơ sở đó việc: “Thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa PVC bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương với năng suất 2900 tấn/năm” mang tính thực tế và cần thiết. Để hoàn thành đồ án này, ngoài sự cố gắng, nỗ lực của chính bản thân em còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của TS.
Vũ Minh Đức giảng viên hướng dẫn môn học. Em xin chân thành cảm ơn chuyên ngành Polyme – Compozit, viện Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện, hướng dẫn, hỗ trợ để em hoàn thành tốt đề tài này. Tuy nhiên vì kiến thức chuyên môn còn hạn hẹp, kiến thức thực tế không nhiều nên nội dung của đề tài không tránh khỏi những thiếu xót, em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo thêm của quý thầy cô cũng như các bạn để đề tài này được hoàn thiện tốt nhất có thể. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn! Vũ Thị Lan Anh - 20190681 9 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Vũ Minh Đức PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ NHỰA PVC 1.
Tổng quan về nhựa PVC Nhựa PVC (Polyvinyl clorua) là loại nhựa tổng hợp được bằng cách trùng hợp vinylclorua monomer (VCM): Hình 1. Phản ứng trùng hợp vinylclorua monomer Nhựa PVC là loại nhựa phổ biến và có lịch sử lâu đời, có độ bền nhiệt thấp, mềm dẻo khi dùng thêm chất hóa dẻo, kháng thời tiết tốt, ổn định kích thước tốt, độ bền sử dụng cao, sự chống lão hóa cao, dễ tạo màu sắc, trọng lượng nặng hơn so với một số chất dẻo khác, cách điện tần số cao kém, độ bền ổn định nhiệt kém, độ bền va đập kém, độc với chất độn, PVC là nguyên liệu không dễ cháy. PVC tạo thành là hợp chất no và phản ứng trùng hợp có khuynh hướng xảy ra theo cơ chế trùng hợp gốc Hiện nay, PVC là loại nhựa nhiệt dẻo được sản xuất và tiêu thụ nhiều thứ 3 trên thế giới Công thức chung của nhựa PVC: Hình 2. Công thức chung của nhựa polyvinyl clorua (PVC) PVC là loại nhựa đa năng nhất, do có nhiều ứng dụng khác nhau trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống xã hội, từ đồ chơi trẻ em, bao bì đựng thực phẩm, trang thiết bị nội thất, phương tiện vận tải, điện và điện tử cho đến các dụng cụ y tế, vật liệu xây dựng.
Lịch sử phát triển nhựa PVC Polyvinyl clorua (PVC) có lịch sử phát triển hơn 100 năm qua. Vũ Thị Lan Anh - 20190681 10 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Vũ Minh Đức Năm 1835 lần đầu tiên Henri Regnault đã tổng hợp được vinylclorua, nguyên liệu chính để tạo nên PVC. Polyvinyl clorua được quan sát thấy lần đầu tiên 1872 bởi Baumann khi phơi ống nghiệm chứa vinylclorua dưới ánh sáng mặt trời, sản phẩm tạo ra có dạng bột màu trắng và bản chất hóa học của nó chưa được xác định. Các nghiên cứu về sự tạo thành PVC đầy đủ hơn đã được công bố vào năm 1912 do Iwan Ostromislensky (Nga) và Fritz Klatte (Đức) nghiên cứu độc lập.
Tuy nhiên polyme mới này vẫn không được ứng dụng và không được chú ý quan tâm nhiều, bởi tính kém ổn định, cứng và rất khó gia công. Cuối thế kỷ 19, các sản phẩm như axetylen và clo đang trong tình trạng khủng hoảng thừa, việc có thể sản xuất được PVC từ các nguyên liệu này là một giải pháp rất hữu hiệu. Năm 1926, khi tiến sỹ Waldo Semon vô tình phát hiện ra chất hoá dẻo cho PVC, đây mới là một bước đột phá đầu tiên để khắc phục nhược điểm khi gia công cho PVC, sau đó là các nghiên cứu về chất ổn định cho PVC. Đến năm 1933, nhiều dạng PVC đã được tổng hợp ở Mỹ và Đức nhưng phải đến năm 1937, PVC mới được sản xuất trên quy mô công nghiệp hoàn chỉnh tại Đức và sau đó là ở Mỹ.
Vào những năm tiếp theo, PVC được nghiên cứu chủ yếu không phải cấu trúc phân tử mà là cấu trúc ngoại vi phân tử, được tạo ra trong quá trình trùng hợp như: kích thước hạt, độ xốp…do các yếu tố này ảnh hưởng đến các đặc tính gia công, chế tạo của polyme. Quá trình nghiên cứu các ảnh hưởng này đã mở rộng lĩnh vực sử dụng của PVC. Hiện nay, PVC là nhựa bán chạy hàng thứ ba trên thế giới sau polyethylene và polypropylene. Chi phí thấp, dễ gia công và độ bền cao, làm cho nó là vật liệu của hàng chục các ngành công nghiệp như y tế, giao thông vận tải, dệt may và xây dựng.
Sự phát triển công nghiệp PVC 1. Trên thế giới Trong phần lớn thời gian của thập niên 1990, sản xuất PVC là một lĩnh vực sản xuất không đạt lợi nhuận cao. Điều này đã khiến nhiều công ty đóng cửa nhà Vũ Thị Lan Anh - 20190681 11 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Vũ Minh Đức máy, rút khỏi sản xuất PVC hoặc sáp nhập với nhau. Rất ít nhà máy mới được dự kiến xây dựng.
Tuy nhiên, nhu cầu PVC đã tăng mạnh vào cuối thập niên, bất chấp những vấn đề môi trường. Kết quả là, sau khi ảnh hưởng của cuộc khủng hoảng tài chính châu á giảm dần, nhu cầu PVC đã tăng lên sít sao với mức cung và lợi nhuận đã tăng trở lại trong năm 1999. Trong 5 năm tiếp theo, thị trường PVC toàn cầu với tổng khối lượng 26 triệu tấn sẽ tăng trưởng khoảng 4,1%/năm. Châu Á là thị trường lớn nhất và cũng sẽ có tỷ lệ tăng trưởng cao nhất (trừ Nhật Bản).
Sản xuất PVC ở châu Mỹ Latinh và Trung Đông, châu Phi cũng sẽ tăng nhanh nhưng với mức khởi điểm thấp, còn Bắc Mỹ có tiềm năng tăng trưởng khá chắc chắn (khoảng 4%/năm). Ngành xây dựng là lĩnh vực sử dụng chủ yếu đối với các sản phẩm PVC. Trong lĩnh vực hàng tiêu dùng và bao bì đóng gói, các sản phẩm PVC đang mất dần thị phần vì nó được thay thế bởi các sản phẩm khác thân môi trường hơn. Những yếu tố ảnh hưởng đến sản xuất PVC toàn cầu là: - Sự tăng trưởng kinh tế sẽ kéo theo sự tăng nhu cầu PVC.
- Giá năng lượng cao có thể làm giảm tốc độ tăng trưởng kinh tế. - Các vấn đề về môi trường có thể không kìm hãm sự tăng trưởng sản xuất PVC, nhưng có thế hạn chế việc xây dựng các nhà máy PVC mới Bảng 1. Số liệu mức tăng trưởng sản lượng PVC trên toàn thế giới (Tổng sản lượng trên thế giới, đv: triệu tấn) Năm 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2006 2011 Sản lượng 3,0 6,0 8,1 12,0 15,0 20,7 23,5 36,0 48,0 Sở dĩ PVC có mức tăng trưởng lớn như vậy là do có nhiều ưu điểm như: ổn định hoá học, dễ gia công, tạo ra nhiều sản phẩm thông dụng và nguồn nguyên liệu tương đối dồi dào. Tuy nhiên bên cạnh tính ưu việt, PVC còn có nhược điểm như: chịu nhiệt kém (< 800C), độ hoà tan dung môi kém trong khi gia công có khí HCl thoát ra.
Mức tiêu thụ và phân phối nhựa PVC theo khu vực địa lý không giống nhau, để minh hoạ điều này ta có bảng thống kê sau: Vũ Thị Lan Anh - 20190681 12 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Vũ Minh Đức Bảng 2. Phân phối PVC theo khu vực địa lý (đv: 1000 tấn) STT Khu vực 1991 2001 2007 2011 1 Tây Âu 6030 5500 5800 6100 2 Trung Âu 2440 500 700 1000 3 CIS 300 800 1700 4 NAFTA 6090 6500 7300 7800 5 Nam Mỹ 940 1100 1500 1600 6 Châu Phi – Trung Đông 830 1400 2100 2700 7 Châu Á – Châu Đại Dương 5860 10600 14600 19800 Tổng: 22190 25900 32800 40700 Trên thế giới 2/3 sản lượng PVC dùng dưới dạng sản phẩm cứng (không có chất hoá dẻo) như: ống dẫn nước, tấm lợp, bàn ghế, khung cửa sổ… còn lại PVC hoá dẻo được gia công thành những sản phẩm mềm như: màng mỏng, bao bì, giầy dép, vải giả da, vỏ bọc, dây cáp điện… sự phân phối theo lĩnh vực sử dụng được trình bày ở bảng sau: Bảng 3. Phân phối PVC theo lĩnh vực sử dụng Lĩnh vực % Xây dựng 50,1 Nội thất 10,4 Điện 7,3 Bao bì 6,7 Giải trí 5,9 Giao thông 5,3 May mặc 4,7 Vũ Thị Lan Anh - 20190681 13 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Vũ Minh Đức Các lĩnh vực khác 9,6 Để tổng hợp ra PVC thì nguyên liệu chủ yếu hiện nay đi từ dầu mỏ do đó sản phẩm PVC cũng chịu sự tác động của những biến đổi trên thị trường dầu mỏ. Giá PVC trên thị trường thế giới (đv: USD/tấn) [3] Năm 1995 1997 1999 2006 2007 2012 2013 Giá PVC 1200 750 530 750 1000 1200 1506 1.
Ở Việt Nam Nền công nghiệp hoá chất đóng vai trò tiên phong trong công cuộc đổi mới và phát triển, lĩnh vực công nghiệp hoá chất gắn liền với sự phát triển của đất nước. Vào đầu thập kỷ 60, nhà máy hoá chất Việt Trì đã sản xuất được PVC với năng suất 150 tấn/năm. Tuy nhiên, do không kinh tế sản lượng quá nhỏ nên quá trình sản xuất sớm dừng lại, đặc biệt khi bước vào chiến tranh phá hoại của Mỹ. Trong thời gian gần đây, công nghiệp gia công chất dẻo lại phát triển mạnh mẽ với tốc độ tăng trưởng bình quân 28%/năm.
Để minh hoạ điều đó ta có bảng mức tiêu thụ chất dẻo trong thập kỷ 90.
