Il Poli(cloroetilene), solitamente noto come cloruro di polivinile o solo PVC, è la plastica più versatile e, dopo il polietilene, la più utilizzata. La varietà degli usi deriva dalla sua capacità di essere formulata con diversi additivi e con diverse masse molecolari, dando plastiche che vanno da rigide a flessibili.
Impieghi del Poli(cloroetilene) (Poli Vinil Cloruro)
Il poli(cloroetilene) viene utilizzato nell’edilizia e nelle costruzioni, ad esempio nella realizzazione di profili di finestre e porte e nella realizzazione di tubi (dalla grondaia alle fognature alle condotte per cavi).
È anche molto usato per l’imballaggio, incluso il film per alimenti e bottiglie. L’isolamento e il rivestimento di fili e cavi, ad esempio nei telefoni, nei computer e per i cavi di trasmissione di potenza, è un’altra area di impiego per questo polimero.
Figura 2 Poli(cloroetilene) e’ usato per produrre questi blister per pillole.
Per gentile concessione di Valmai Firth.
Figura 3 Un braccio galleggiante in poli (cloroetilene) utilizzato per proteggere una baia dall’inquinamento da fuoriuscite di petrolio.
Per gentile concessione di Arkema.
Il cloroetilene (cloruro di vinile) è anche usato per produrre copolimeri, ad esempio con etanoato di etilene (acetato di vinile). Questo copolimero può essere lavorato a temperature molto più basse rispetto ai relativi omopolimeri poli(cloroetileni) con la stessa massa molecolare relativa. Viene utilizzato per rivestire metalli e legno. Il film è flessibile, resistente, resistente agli attacchi chimici e può essere pigmentato in modo che sia particolarmente adatto, ad esempio, per le navi. Il copolimero viene utilizzato anche in adesivi e inchiostri.
Produzione annua di poli(cloroetilene) (Poli Vinil Cloruro)
| Mondo | 38.5 milioni di tonnellate1, 2, 3 |
| Asia | 21.5 milioni di tonnellate1 |
| Stati Uniti | 6.9 milioni di tonnellate1 |
| Europa | 6.7 milioni di tonnellate1 |
| Russia | 0.51 milioni di tonnellate4 |
1. Dati per 2013, Merchant Research and Consulting Ltd, 2014
2. 45 milioni di tonnellate stimate per il 2017, Merchant Reseaech and Consulting Ltd, 2014
3. 55 milioni di tonnellate stimate per il 2020, Business Wire, 2011
4. Servizio Statistico Federale (Federal State Statistics Service):Federazione Russa 2011
Produzione del poli(cloroetilene) (Poli Vinil Cloruro)
La produzione comprende diversi stadi:
a) l’etilene viene convertito in 1,2-dicloroetano
b) 1,2-dicloroetano viene convertito in cloro etilene (cloruro di vinile)
c) polimerizzazione del cloro etilene (cloruro di vinile)
(a) Produzione di 1,2-dicloroetano
L’etilene è ottenuto dal cracking dell’etano, propano, nafta e gasolio. In pratica, sono utilizzati in parallelo due processi per la conversione totale dell’etilene a cloroetilene.
(i) Clorazione diretta
L’etilene reagisce con il cloro in fase liquida, usando cloroetilene in eccesso come solvente. Il catalizzatore, cloruro di ferro(lll), è solubile in cloroetilene. La reazione è esotermica, pertanto non è necessario fornire calore esterno.
L’ambiente di reazione è mantenuto a 320-350 K alla pressione di ca 4 atm. A temperature maggiori si ottengono dei sottoprodotti policlorati non desiderati.
(ii) Ossiclorazione
Il cracking dell’ 1,2-dicloroetano durante la fase b) del processo complessivo forma acido cloridrico come sottoprodotto. L’acido cloridrico è indesiderato ed è molto dannoso per l’ambiente. Tuttavia, può essere utilizzato in questo secondo metodo di produzione di 1,2-dicloroetano. L’etilene viene miscelato con acido cloridrico e aria (arricchita con ossigeno). I gas vengono passati su un catalizzatore solido riscaldato in tubi metallici, in un reattore a letto fluido, mantenuto a circa 500 K e 5 atm.
Il catalizzatore generalmente utilizzato è una miscela di cloruri di rame (ll) e potassio, depositati sull’allumina. Poiché la reazione è altamente esotermica, il reattore viene raffreddato per ottenere la temperatura di reazione ottimale e ridurre la formazione indesiderata di sottoprodotti, ad esempio, di cloroetano e 1,1,1,2-tetracloroetano. Si ottiene una conversione del 95% dell’etilene in 1,2-dicloroetano. L’acido cloridrico non reagito viene rimosso pulendo i gas con una soluzione acquosa di idrossido di sodio. Le impurità, come l’etilene non reagito e gli idrocarburi clorurati indesiderati, vengono rimosse per distillazione. L’etilene ottenuto dalla distillazione viene riciclato.
(b) Produzione di cloroetilene (Cloruro di vinile)
L’ 1,2-dicloroetano viene quindi fatto passare velocemente in tubi metallici riscaldati a ca 650 K, eliminando acido cloridrico:
Pertanto, i due processi di cui sopra sono normalmente utilizzati in parallelo, con il 1,2-dicloroetano puro ottenuto da entrambe le vie che si trasforma in cloroetilene per cracking (figura 5). Il cloroetilene è separato dall’acido cloridrico e dall’1,2-dicloroetano in un processo di distillazione in due fasi. L’acido cloridrico viene rimosso nella prima fase e riciclato nel processo di ossiclorazione. Il secondo stadio separa il cloro etilene dall’1,2-dicloroetano non reagito, che viene riciclato al cracker. Il processo di cracking è stato modificato aumentando il volume del reattore. Questo aumento di volume aumenta la conversione e riduce l’energia necessaria per produrre cloroetilene.
(c) Polimerizzazione del cloroetilene (Cloruro di vinile)
Questo è un esempio di polimerizzazione per addizione PVC viene ottenuto da una polimerizzazione radicalica in sospensione. Il monomero (punto di ebollizione 259 K) viene polimerizzato in dispersione acquosa at 325-350 K. La reazione avviene sotto pressione (13 atm) per mantenere il monomero in fase liquida. Per controllare la polimerizzazione è necessario un iniziatore, un perossido organico solubile in cloroetilene.
A fine reazione, l’eccesso di monomero è rimosso separando il polimero per centrifugazione ed essiccamento.
Durante la polimerizzazione il polimero precipita man mano che si forma, essendo insolubile nel monomero. Il polimero è trasformato per estrusione, stampaggio per iniezione e filmatura.
Si stima che circa l’80% del PVC viene prodotto medante polimerizzazione in sospensione1.
Business Wire, 2011
In alternativa, il cloro etilene viene polimerizzato in emulsion acquosa. Il perossidisolfato di ammonio è spesso utilizzato come catalizzatore essendo solubile in acqua. Il monomero è in forma di gocce molto piccole piuttosto simili ad una vernice. Per evaporazione dopo la polimerizzazione si forma una polvere molto fine che viene utilizzata come copertura per, ad esempio, pavimentazioni e carta da parati.
Il futuro
L’etano è una materia prima molto più economica dell’etilene. Molto lavoro, nel corso di molti anni, è stato dedicato allo sviluppo di un processo per produrre cloroetilene direttamente dall’etano, piuttosto che convertire prima l’etano in etilene. Il primo impianto di questo tipo era in funzione in Germania. Etano, acido cloridrico e ossigeno sono riscaldati a circa 750 K su un catalizzatore. Attualmente è stato costruito solo un piccolo impianto dimostrativo, ma si prevede la costruzione di grandi impianti in caso di successo.
Ultimo aggiornamento 29 aprile 2017
Edizione italiana a cura di Salvatore Santagata e Valter Ballantini 26 novembre 2020
Foto in alto da Mathias Lövström on Unsplash