Bagaimana Polivinil Klorida Dibuat: Jawaban Lengkap
Polivinil klorida (PVC) dibuat melalui polimerisasi monomer vinil klorida (VCM) , yang diproduksi dengan menggabungkan etilen (berasal dari minyak mentah atau gas alam) dengan klorin (diperoleh dari elektrolisis air garam). VCM yang dihasilkan mengalami salah satu dari tiga proses polimerisasi industri – suspensi, emulsi, atau curah – untuk menghasilkan bubuk putih atau butiran yang kemudian digabungkan oleh produsen menjadi segala sesuatu mulai dari pipa air hingga pipa medis. Seluruh rantai, mulai dari air garam hingga resin jadi, biasanya mencakup tiga tahap kimia utama dan memerlukan kontrol suhu, tekanan, dan konsentrasi katalis yang tepat.
Bahan Baku: Tempat Produksi PVC Dimulai
Setiap kilogram resin PVC dimulai dengan dua bahan baku dasar: etilen dan klorin . Etilena adalah produk sampingan dari perengkahan uap nafta atau cairan gas alam, sedangkan klor diproduksi di pabrik klor-alkali dengan mengalirkan arus listrik melalui larutan air garam jenuh (natrium klorida). Elektrolisis ini juga menghasilkan natrium hidroksida (soda kaustik), menjadikan manufaktur PVC sangat terintegrasi dengan industri klor-alkali yang lebih luas.
Keseimbangan bahan baku yang tepat sangat penting dalam skala industri. Memproduksi satu ton PVC membutuhkan kira-kira 0,47 ton klorin dan 0,28 ton etilen dalam rute etilen diklorida (EDC) — jalur global yang dominan. Jalur sekunder, proses asetilena, masih digunakan di Tiongkok karena asetilena berbasis batu bara memiliki daya saing ekonomis, namun proses ini sudah dihentikan karena kekhawatiran akan katalis merkuri.
Berbeda dengan poliamida plastik rekayasa , yang sebagian besar berasal dari zat antara petrokimia seperti kaprolaktam atau asam adipat, PVC sangat memanfaatkan rantai nilai klorin. Hal ini memberikan karakteristik biaya yang unik: ketika pabrik klor-alkali beroperasi pada kapasitas penuh, klorin hampir menjadi komoditas produk sampingan, yang secara historis membuat harga resin PVC tetap kompetitif dibandingkan polimer lainnya.
Dari Ethylene ke VCM: Langkah Cracking EDC
Inti perantara dalam pembuatan PVC adalah etilen diklorida (EDC, juga disebut 1,2-dikloroetana) . EDC disintesis melalui dua reaksi paralel yang dijalankan sebagian besar pabrik skala dunia secara bersamaan untuk memaksimalkan pemanfaatan klorin:
Klorinasi Langsung
Etilen bereaksi dengan gas klor kering dalam fase cair pada suhu 50–130°C dengan adanya katalis besi klorida (FeCl₃). Reaksi eksotermik ini mudah dikendalikan dan menghasilkan EDC dengan kemurnian tinggi dengan pembentukan produk sampingan yang sangat sedikit. Suhu bejana reaksi diatur dengan hati-hati karena suhu yang lebih tinggi akan menghasilkan produk klorinasi samping yang tidak diinginkan.
Oksiklorinasi
Langkah ini mereaksikan etilen dengan hidrogen klorida (HCl, diperoleh dari tahap perengkahan VCM) dan oksigen melalui katalis tembaga klorida pada 220–300°C. Oksiklorinasi mendaur ulang HCl yang seharusnya menjadi aliran limbah, menjadikan proses seimbang hampir 100% efisien dalam penggunaan klorin. Inilah alasan mengapa pabrik PVC modern digambarkan sebagai tanaman yang "seimbang" - hampir semua klorin yang dimasukkan ke dalam sistem berakhir pada polimer akhir.
Pemurnian EDC dan Perengkahan Termal
Gabungan aliran EDC dimurnikan dengan distilasi untuk menghilangkan beban dan cahaya sebelum memasuki tungku perengkahan. Dalam tungku perengkahan, EDC dipanaskan hingga 480–530°C dalam reaktor pirolisis berbentuk tabung. Pada suhu ini, sekitar 50–60% EDC per lintasan terpecah menjadi monomer vinil klorida (VCM) dan HCl. VCM dipisahkan dari EDC dan HCl yang tidak bereaksi melalui serangkaian kolom pendinginan, kompresi, dan distilasi. EDC yang dipulihkan didaur ulang; HCl kembali ke unit oksiklorinasi.
Kemurnian VCM yang memasuki polimerisasi sangat penting. Permintaan spesifikasi yang khas kemurnian lebih besar dari 99,98%. ; bahkan sejumlah kecil asetilena, butadiena, atau senyawa terklorinasi dengan titik didih tinggi dapat meracuni inisiator, menyebabkan perubahan warna, atau menurunkan distribusi berat molekul resin akhir.
Tiga Cara Mempolimerisasi VCM Menjadi Resin PVC
Setelah VCM yang dimurnikan tersedia, ia mengalami polimerisasi adisi radikal bebas. Pilihan proses menentukan morfologi partikel, berat molekul, dan penggunaan akhir resin.
| Proses | Pangsa Pasar | Ukuran Partikel | Aplikasi Utama | Karakteristik Utama |
|---|---|---|---|---|
| Suspensi (S-PVC) | ~80% | 100–180 mikron | Pipa, profil, bingkai jendela | Porositas tinggi, penyerapan plasticizer mudah |
| Emulsi (E-PVC) | ~12% | 0,1–2 mikron | Plastisol, pelapis, sarung tangan, lantai | Partikelnya sangat halus, membentuk pasta dengan bahan pemlastis |
| Curah / Massal (M-PVC) | ~8% | 100–150 mikron | Aplikasi kaku, film | Tidak ada air yang digunakan; resin lebih murni, energi lebih rendah |
Polimerisasi Suspensi secara Detail
Dalam polimerisasi suspensi, VCM cair didispersikan menjadi tetesan dalam air deionisasi menggunakan bahan agitasi dan suspensi seperti polivinil alkohol atau metilselulosa yang terhidrolisis sebagian. Inisiator peroksida organik yang larut dalam minyak (misalnya, dilauroyl peroksida, dietilheksil peroksidikarbonat) dilarutkan dalam tetesan monomer. Setiap tetesan bertindak sebagai reaktor polimerisasi massal kecil. Reaksi berlangsung pada 40–70°C pada tekanan autogenous 6–12 bar selama beberapa jam. Konversi biasanya dihentikan pada 85–90% dengan membuang VCM yang tidak bereaksi sebelum mengupas bubur untuk menghilangkan sisa monomer hingga di bawah 1 ppm untuk kepatuhan terhadap peraturan.
Desain reaktor adalah bejana baja tahan karat berjaket yang dilengkapi dengan sekat internal dan agitator multi-bilah. Ukuran reaktor di pabrik modern berkisar antara 70 m³ hingga 200 m³. Kontrol suhu adalah parameter yang paling penting: karena polimerisasi sangat eksotermik ( melepaskan sekitar 1.500 kJ/kg VCM ), reaksi yang tidak terkendali dapat dicegah dengan menyeimbangkan laju pengumpanan inisiator dan kapasitas pendinginan secara hati-hati. Nilai K (indeks viskositas Fikentscher) dari resin yang dihasilkan — yang menentukan berat molekul dan sifat mekanik — dikontrol langsung oleh suhu reaksi: suhu yang lebih rendah menghasilkan nilai K yang lebih tinggi (rantai lebih panjang) dan sebaliknya.
Polimerisasi Emulsi secara Detail
Emulsi PVC menggunakan inisiator yang larut dalam air (seperti kalium persulfat) dan surfaktan (natrium lauril sulfat atau sejenisnya) untuk membuat lateks koloid dari partikel PVC sub-mikron. Ukuran partikel yang kecil adalah ciri khas E-PVC: ketika dicampur dengan bahan pemlastis pada suhu kamar, partikel-partikel ini membentuk plastisol cair yang dapat dilapisi menyebar, dibentuk rotomold, atau dilapisi celup. Setelah polimerisasi, lateks dikeringkan dengan semprotan menjadi bubuk putih halus. Nilai E-PVC adalah bahan pilihan untuk kulit buatan, penutup dinding, dan segel bawah otomotif.
Peracikan: Mengubah Resin Menjadi Bahan yang Dapat Digunakan
Resin PVC murni — terkadang disebut resin "rapi" atau "dasar" — hampir tidak pernah digunakan apa adanya dalam produk jadi. Ketidakstabilan termal yang melekat pada polimer (mulai terdegradasi dan melepaskan HCl pada sekitar 100°C , jauh di bawah suhu pemrosesan yaitu 160–200°C) berarti bahwa paket aditif yang diformulasikan secara cermat sangat penting sebelum pemrosesan hilir dapat dilakukan.
Stabilisator Termal
Kalsium-seng (Ca-Zn), organotin, atau stabilisator logam campuran mengais HCl yang dilepaskan selama pemrosesan, mencegah degradasi rantai dan perubahan warna. Pergeseran peraturan di Eropa dan Amerika Utara telah menghapuskan sebagian besar produk stabilisator berbasis timbal, meskipun produk ini masih digunakan di beberapa pasar berkembang.
Pemlastis
Ester ftalat (DEHP adalah yang klasik; DINP dan DIDP sekarang dominan untuk penggunaan non-medis) dan alternatif non-ftalat (DOTP, sitrat berbasis bio) ditambahkan pada tingkat 10 hingga lebih dari 100 phr (bagian per seratus resin) untuk menghasilkan PVC fleksibel. Pada phr 0, hasilnya adalah PVC kaku (uPVC) untuk pipa dan profil jendela.
Pelumas
Pelumas internal (misalnya ester asam lemak) mengurangi gesekan polimer-polimer selama pemrosesan lelehan; pelumas eksternal (misalnya, lilin polietilen teroksidasi, kalsium stearat) mengurangi gesekan lelehan logam untuk mencegah pelat keluar pada peralatan pemrosesan.
Pengisi dan Pengubah Dampak
Kalsium karbonat (CaCO₃) pada 5–30 phr adalah bahan pengisi yang paling banyak digunakan, meningkatkan kekakuan dan mengurangi biaya. Pengubah dampak akrilik atau polietilen terklorinasi (CPE) ditambahkan ke formulasi PVC kaku untuk mencegah patah getas, terutama penting dalam aplikasi luar ruangan di mana ketahanan terhadap dampak suhu rendah sangat penting.
Langkah peracikan biasanya dilakukan pada ekstruder sekrup kembar yang berputar bersama atau mixer internal (mixer tipe Banbury), yang secara bersamaan menyebarkan aditif dan menggabungkan sebagian partikel PVC. Outputnya berupa campuran kering yang sudah diracik sebelumnya, pelet berbutir, atau lembaran berkalender, bergantung pada rute pemrosesan hilir.
Perlu dicatat bahwa sementara ini poliamida plastik rekayasa (nilon) memerlukan sedikit stabilisasi untuk pemrosesan — bahan ini secara inheren lebih stabil secara termal dengan titik leleh 220–280°C bergantung pada kadarnya — bahan kimia stabilisasi PVC jauh lebih kompleks. Ini adalah salah satu bidang di mana poliamida plastik rekayasa memiliki keunggulan formulasi, meskipun PVC tetap memiliki keunggulan biaya dan ketahanan kimia yang signifikan dalam banyak aplikasi.
PVC vs. Poliamida Plastik Rekayasa: Dimana Masing-Masing Cocok di Industri
Memahami bagaimana polivinil klorida dibuat menjelaskan mengapa sifat-sifatnya sangat berbeda dari sifat-sifatnya poliamida plastik rekayasa . Keduanya merupakan termoplastik industri besar, namun memiliki kinerja yang sangat berbeda.
- Ketahanan kimia yang sangat baik terhadap asam, basa, dan garam
- Secara inheren tahan api karena kandungan klorin
- Biaya rendah: biasanya $0,80–1,40/kg untuk kualitas komoditas
- Kisaran kekerasan yang luas (Shore A 40 hingga Shore D 90) melalui kandungan pemlastis
- Suhu servis terbatas: biasanya –15°C hingga 60°C (fleksibel) atau hingga 70°C (kaku)
- Dominan dalam konstruksi: pipa, fitting, profil jendela, lantai
- Kekuatan mekanik yang unggul dan ketahanan lelah
- Suhu servis kontinu tinggi: 100–130°C (PA6), 130–150°C (PA66)
- Biaya lebih tinggi: biasanya $2,50–5,00/kg tergantung kelasnya
- Ketahanan aus dan abrasi yang sangat baik untuk bagian yang bergerak
- Menyerap kelembapan (1–9% tergantung kualitas), yang memengaruhi dimensi dan properti
- Dominan pada otomotif, konektor kelistrikan, roda gigi, dan braket struktural
Di sektor-sektor seperti perlindungan wiring harness otomotif, kedua material tersebut bersaing secara langsung. Kawat berlapis PVC adalah standar historis untuk kabel otomotif tegangan rendah karena fleksibilitasnya dan biaya rendah. Namun, poliamida plastik rekayasa corrugated conduit mulai diterapkan pada aplikasi di bawah kap mesin yang suhunya sering melebihi 100°C dan PVC akan melunakkan atau mengeluarkan uap bahan pemlastis.
Dalam penanganan cairan industri, PVC mendominasi pengangkutan bahan kimia yang agresif pada suhu kamar, sedangkan poliamida plastik rekayasa yang diperkuat serat kaca digunakan untuk pipa pneumatik bertekanan tinggi dan konektor hidrolik yang memerlukan stabilitas dimensi pada rentang suhu yang luas.
Bagaimana PVC Dibentuk Menjadi Produk Akhir
Setelah peracikan, PVC diproses dengan beberapa metode yang sudah mapan. Masing-masing memberikan geometri dan properti produk yang berbeda.
Ekstrusi
Metode yang paling banyak digunakan untuk PVC kaku. Ekstruder sekrup tunggal atau ganda melelehkan dan menghomogenisasi senyawa, kemudian memaksanya melewati cetakan yang menghasilkan profil penampang. Pipa (diameter 4 mm hingga 2.400 mm), profil jendela, insulasi kabel, dan panel dinding semuanya diekstrusi secara terus menerus. Pengekstrusi sekrup kembar lebih disukai untuk PVC kaku karena aksi pencampurannya yang lembut dan distributif tidak terlalu merusak secara termal dibandingkan geseran kuat dari sekrup tunggal.
Kalender
Gulungan besar yang dipanaskan (kalender) memeras senyawa PVC panas menjadi lembaran tipis yang berkesinambungan. Proses ini digunakan untuk lantai PVC, penutup dinding, dan kulit sintetis. Garis kalender modern dapat menghasilkan film setipis 0,05 mm dan berlari dengan kecepatan hingga 80 m/menit. Gulungan timbul permukaan dapat mencetak tekstur dalam sekali jalan.
Cetakan Injeksi
Digunakan untuk bagian tiga dimensi yang terpisah seperti alat kelengkapan pipa, kotak saluran listrik, sol sepatu, dan rumah perangkat medis. Jangka waktu pemrosesan PVC yang relatif sempit (160–200°C, dengan degradasi yang dimulai dengan cepat di atas 210°C) memerlukan profil suhu barel yang cermat dan waktu tinggal yang singkat. Mesin sekrup bolak-balik dengan rasio L/D rendah dan geometri sekrup yang lembut merupakan standarnya.
Lapisan Plastisol dan Cetakan Rotasi
Plastisol PVC emulsi berbentuk cair pada suhu kamar dan dapat diaplikasikan dengan pelapisan menyebar, sablon, pelapisan celup, atau cetakan lumpur. Setelah dibentuk, plastisol dilebur (dibentuk gel) dalam oven pada suhu 160–200°C untuk menghasilkan bahan PVC fleksibel yang homogen. Rute ini digunakan untuk sarung tangan vinil, pelapis bagian bawah bodi mobil, pelapis kain, dan mainan.
Cetakan Tiup
PVC blow moulding digunakan untuk botol transparan (air mineral, minyak goreng) dan tas medis. Botol PVC bening dan kaku mendapat manfaat dari kejernihan bawaan polimer dan sifat penghalang yang baik. Namun, PET telah menggantikan PVC dalam kemasan minuman di sebagian besar pasar karena infrastruktur daur ulang dan tekanan peraturan terhadap bahan pemlastis dan stabilisator.
Pertimbangan Lingkungan dalam Pembuatan PVC
Produksi polivinil klorida menimbulkan beberapa pertimbangan lingkungan yang ditangani oleh produsen modern melalui perbaikan proses dan kepatuhan terhadap peraturan.
Monomer vinil klorida diklasifikasikan sebagai karsinogen manusia Grup 1. Pabrik modern diharuskan membatasi VCM atmosfer hingga di bawah 1 ppm di udara sekitar tanaman dan untuk menghilangkan sisa VCM dari resin jadi hingga di bawah 1 ppm. Sistem pengupasan loop tertutup yang menggunakan uap atau air panas telah mengurangi emisi VCM di tingkat pabrik lebih dari 99% dibandingkan dengan operasi pada era tahun 1970-an.
Ketika PVC dibakar pada suhu rendah (di bawah 850°C), PVC dapat membentuk dibenzo-p-dioksin dan furan poliklorinasi (PCDD/F). Pembangkit limbah menjadi energi modern memitigasi hal ini melalui pembakaran suhu tinggi (di atas 1.000°C) yang dikombinasikan dengan injeksi karbon aktif dan sistem bag filter, sehingga mengurangi PCDD/F ke tingkat yang sesuai dengan EU Directive 2010/75/EU.
PVC kaku (pipa, profil, bingkai jendela) memiliki aliran daur ulang mekanis yang mapan di Eropa. Itu Program Vinyl 2010 dan VinylPlus secara kolektif telah mendaur ulang lebih dari 5 juta ton PVC sejak tahun 2000. PVC fleksibel lebih sulit didaur ulang karena kemasan pemlastis yang berbeda tidak kompatibel dan sulit untuk disortir.
Rute hidrogenasi dan pirolisis untuk campuran sampah plastik berjuang dengan polimer terklorinasi karena pelepasan HCl menimbulkan korosi pada komponen reaktor. Langkah-langkah pra-perawatan dehalogenasi khusus — termasuk pemisahan mekanis dan perlakuan termal basa — sedang dikembangkan untuk memungkinkan PVC memasuki aliran daur ulang kimia bersama dengan poliolefin dan fraksi poliamida plastik rekayasa.
Parameter Kualitas Utama yang Menentukan Kelas Resin PVC
Tidak semua resin PVC sama. Produsen resin dan pelanggannya menggunakan serangkaian parameter standar untuk menentukan dan memverifikasi kualitas resin:
- K-Value (atau viskositas bawaan): Ukuran berat molekul yang paling banyak digunakan dalam industri PVC. Nilai K berkisar dari sekitar 57 (MW rendah, pemrosesan mudah, sifat mekanik lebih rendah) hingga 80 (MW tinggi, pemrosesan lebih menuntut, sifat dampak dan tarik lebih baik). S-PVC tingkat pipa biasanya memiliki nilai K 65–68; isolasi kabel menggunakan K-57 hingga K-62; E-PVC tingkat pasta menggunakan K-65 hingga K-75.
- Kepadatan Massal: Mempengaruhi aliran bubuk, desain bin, dan hasil peracikan. Suspensi PVC biasanya memiliki kepadatan curah 500–650 g/L. Kepadatan curah yang lebih tinggi umumnya berarti pengemasan partikel primer lebih padat dan mempengaruhi laju penyerapan bahan pemlastis.
- Penyerapan Pemlastis (PA100): Diukur sebagai gram DOP (dioctyl phthalate) yang diserap per 100 g resin dalam pengujian standar. Resin dengan porositas tinggi dapat menyerap 30–35 g/100 g; nilai porositas rendah menyerap 10–15 g/100 g. Parameter ini secara langsung mengontrol waktu pencampuran dan suhu yang dibutuhkan dalam peracikan.
- Stabilitas Termal (Uji Oven Putih): Sampel lembaran atau butiran yang dipres disimpan pada suhu 180°C dalam oven; waktu hingga warna kuning pertama yang terlihat adalah waktu stabilitas termal. Resin tingkat pipa harus melebihi 30–45 menit; kinerja yang tidak memadai menunjukkan kontaminasi atau tidak cukupnya zat penstabil dalam formulasi senyawa.
- VCM sisa: Batasan peraturan dalam aplikasi kontak makanan biasanya 1 ppm atau lebih rendah. Aplikasi non-makanan mungkin memungkinkan tingkat yang sedikit lebih tinggi. Pengujian dilakukan dengan headspace GC (kromatografi gas).
- Jumlah mata ikan: Jumlah partikel gel PVC yang tidak meleleh terlihat pada film yang ditekan. Jumlah mata ikan yang tinggi menunjukkan fusi yang tidak sempurna selama pemrosesan, sering kali disebabkan oleh ukuran partikel resin yang terlalu besar, kontaminasi, atau suhu pemrosesan yang di bawah optimal. Spesifikasi untuk aplikasi film transparan sangat ketat — terkadang kurang dari 10 mata ikan per film berukuran 150 cm².

