PVC material

PVC material: vsestranska plastika z edinstvenimi lastnostmi, proizvodnimi metodami in raznoliko uporabo

Polivinilklorid (PVC) je termoplastični polimerni material, sintetiziran s poliadicijo iz monomera vinilklorida (VCM). Kot ena od petih glavnih plastičnih mas za splošno uporabo je PVC od svoje industrializacije v tridesetih letih prejšnjega stoletja postal ena najbolj razširjenih vrst plastike na svetu, zahvaljujoč odlični celoviti učinkovitosti, nizkim stroškom in široki uporabnosti. Od gradbenih cevi do embalažnih materialov, od medicinskih potrebščin do vsakodnevnih potrebščin je PVC s svojo edinstveno plastičnostjo in funkcionalnostjo prodrl v različna področja proizvodnje in življenja, hkrati pa nenehno raziskuje poti trajnostnega razvoja na področju inovacij na področju tehnologije varstva okolja.

1. Molekularna struktura in značilnosti jedra

Molekularna struktura PVC-ja je temeljni dejavnik njegovih lastnosti. Ponavljajoča se enota je -CH₂-CHCl-, v molekularni verigi pa je en atom klora na vsaka dva atoma ogljika (z masnim razmerjem približno 56 %). Ta struktura z visoko vsebnostjo klora daje PVC-ju vrsto izrazitih lastnosti.

Kar zadeva mehanske lastnosti, je mogoče delovanje PVC-ja fleksibilno uravnavati z vsebnostjo mehčal. Nemehčan PVC (trdi PVC, UPVC) kaže veliko togost in visoko trdoto, z natezno trdnostjo do 40–60 MPa in upogibnim modulom 1500–3000 MPa, zaradi česar je primeren za izdelavo konstrukcijskih elementov. Mehki PVC z dodatkom mehčal kaže odlično fleksibilnost, z raztezkom pri pretrgu do 200–400 %, in se lahko predela v elastične izdelke, kot so folije in cevi. Vendar pa je čisti PVC relativno krhek in ima nizko udarno trdnost (zarezna udarna trdnost trdega PVC-ja je približno 2–5 kJ/m²), zato je za povečanje žilavosti potrebno dodati modifikatorje udarca (kot sta ACR, CPE).

Kar zadeva toplotne lastnosti, je temperatura steklastega prehoda (Tg) PVC približno 80–85 ℃. Temperatura neprekinjene uporabe trdega PVC-ja lahko doseže 60–70 ℃, medtem ko je toplotna odpornost mehkega PVC-ja nekoliko nižja (40–60 ℃) zaradi migracije mehčalcev. Klorirani PVC (CPVC), modificiran s kloriranjem, ima Tg povečano na 90–110 ℃, njegova temperatura neprekinjene uporabe pa lahko doseže nad 90 ℃, kar širi njegovo uporabo v visokotemperaturnih scenarijih. PVC ima izjemno odpornost proti gorenju z indeksom kisika 24–28 (višji od večine plastik) in izpolnjuje osnovne zahteve glede požarne zaščite brez potrebe po dodatnih zaviralcih gorenja. Zaradi te lastnosti je zelo koristen v gradbeništvu.

Kemijska stabilnost je glavna prednost PVC-ja, ki kaže odlično odpornost na anorganske kemikalije, kot so kisline, alkalije in soli, in ga večina organskih topil pri sobni temperaturi ne korodira (razen močnih topil, kot so ketoni in estri). Zaradi te korozijske odpornosti je trdi PVC idealen material za kemične cevovode in rezervoarje za shranjevanje, saj omogoča daljši transport korozivnih tekočin brez staranja.

Kar zadeva predelovalne lastnosti, ima PVC sam po sebi slabo toplotno stabilnost, saj je temperatura taljenja (160–200 ℃) blizu temperature razgradnje (nad 200 ℃ je nagnjen k sproščanju plina HCl). Zato je treba med predelavo dodati toplotne stabilizatorje (kot so kalcijevi in cinkovi stabilizatorji in organski kositrovi stabilizatorji). S postopki, kot so ekstruzija, brizganje, kalandriranje in pihanje, je mogoče PVC predelati v različne oblike izdelkov, kot so cevi, plošče, folije in profili, z izjemno močno plastičnostjo, ki lahko izpolnjujejo zahteve oblikovanja kompleksnih oblik.

Poleg tega ima PVC dobre električne izolacijske lastnosti in se lahko uporablja kot izolacijska plast žic in kablov. Njegovo površino je enostavno tiskati, barvati in variti, kar olajša sekundarno obdelavo za izboljšanje videza in funkcionalnosti. Ima znatne stroškovne prednosti, saj ima bogate vire surovin, razmerje med stroški in učinkovitostjo pa je višje kot pri večini inženirskih plastik.

II. Proizvodni proces in viri surovin

Industrijska proizvodnja PVC-ja uporablja vinilkloridni monomer (VCM) kot osnovno surovino, z zrelim proizvodnim procesom, ki zajema celotno verigo od sinteze monomera, polimerizacijske reakcije do predelave izdelka. Bistvo je v uravnavanju lastnosti izdelka z natančnim nadzorom procesa polimerizacije.

Proizvodnja vinilkloridnega monomera (VCM) je temelj verige PVC industrije, ki vključuje predvsem dve procesni poti: acetilensko in etilensko. Acetilenska pot uporablja kalcijev karbid kot surovino. Kalcijev karbid reagira z vodo, da nastane acetilen, ki se nato v prisotnosti katalizatorja veže na vodikov klorid, da nastane VCM. Ta postopek je primeren za regije, bogate z viri premoga, vendar porabi veliko energije. Etilenska pot uporablja etilen, pridobljen s krekingom nafte, kot surovino. Etilen reagira s klorom z oksiklorinacijo, da nastane VCM. Ta postopek je okolju prijaznejši in porabi manj energije, zaradi česar je trenutno glavni postopek. V zadnjih letih je prišlo do prebojev na področju raziskav in razvoja bio-osnove vinilklorida, ki vključuje proizvodnjo predhodnikov etilena s fermentacijo biomase, kar ponuja nove možnosti za ozelenitev PVC.

Postopek polimerizacije PVC vključuje predvsem suspenzijsko polimerizacijo, emulzijsko polimerizacijo, polimerizacijo v razsutem stanju in polimerizacijo v raztopini, med katerimi sta suspenzijska polimerizacija in emulzijska polimerizacija glavni metodi v industrijski proizvodnji.

Suspenzijska polimerizacija je primarni postopek za proizvodnjo PVC-ja za splošno uporabo, ki predstavlja več kot 80 % svetovne proizvodnje PVC-ja. Ta postopek vključuje dispergiranje monomera vinil klorida v vodi, da se tvori suspenzija, dodajanje iniciatorjev (kot je dicetil peroksidikarbonat) in dispergatorjev (kot je polivinil alkohol) ter nato polimerizacijo zmesi ob mešanju pri 50–70 ℃. Dispergator stabilizira kapljice monomera v suspenziji in po polimerizaciji nastanejo beli delci (PVC smolni prah) z velikostjo delcev 0,1–2 mm. Suspenzijska polimerizacija je enostavna za nadzor, proizvaja visoko čiste izdelke z enakomerno velikostjo delcev in je primerna za proizvodnjo trdih PVC izdelkov, kot so cevi in plošče.

Emulzijska polimerizacija se uporablja za proizvodnjo pastoznega PVC-ja (PVC pastozna smola), kjer se monomer VCM pod delovanjem emulgatorja dispergira v kapljice mikronske velikosti, nato pa se z vodotopnim iniciatorjem (kot je kalijev persulfat) tvorijo delci lateksa z velikostjo delcev 0,1–1 μm. Produkt emulzijske polimerizacije je koloiden in se lahko neposredno uporabi v postopkih premazovanja, impregnacije ali brizganja za izdelavo mehkih izdelkov, kot so umetno usnje, rokavice in igrače.

Po polimerizaciji je treba prašek PVC smole dodatno obdelati (dehidracija, sušenje), nato pa se dodajo dodatki (mehčala, stabilizatorji, maziva, polnila itd.) glede na zahteve izdelka. Nato se zmeša, ekstrudira in granulira, da se dobijo granulirane surovine. Dodatki so ključni za uravnavanje lastnosti PVC-ja: mehčala (kot so ftalati, citratni estri) povečajo prožnost, in višja kot je vsebnost, mehkejši je izdelek; toplotni stabilizatorji preprečujejo razgradnjo med predelavo; maziva izboljšajo pretočnost predelave; polnila (kot je kalcijev karbonat) znižujejo stroške in povečujejo togost.

III. Tehnologija klasifikacije in modifikacije

PVC lahko razvrstimo na različne načine. Glede na vsebnost mehčal ga lahko razdelimo na trdi PVC in mehki PVC; glede na postopek polimerizacije ga lahko razvrstimo na suspenzijski PVC, emulzijski PVC itd.; glede na modifikacijo lastnosti pa ga lahko razvrstimo na klorirani PVC (CPVC) in udarno odporen modificiran PVC itd. Zaradi raznolike klasifikacije je primeren za različne scenarije.

Trdi PVC (UPVC) ima manj kot 5 % ali celo nič mehčala ter ima visoko togost, visoko trdnost in dobro dimenzijsko stabilnost. Z natezno trdnostjo 40–60 MPa in upogibnim modulom 2000–3000 MPa je primeren za izdelavo konstrukcijskih elementov. Trdi PVC ima odlično kemično odpornost in odpornost na vremenske vplive, zaradi česar je osrednji material v gradbeni in kemični industriji, kot so cevi za oskrbo z vodo in odvodnjavanje, profili vrat in oken ter rezervoarji za shranjevanje kemikalij.

Mehki PVC ima vsebnost mehčalca od 10 % do 40 %. Njegova prožnost se povečuje z naraščanjem vsebnosti mehčalca, njegov raztezek pri pretrgu pa lahko doseže od 200 % do 400 %. Njegova trdota po Shoru je med 50 in 90 A. Mehki PVC ima dobro odpornost na nizke temperature (ostane prožen tudi pri -30 ℃) in se enostavno predeluje v folije, cevi, umetno usnje itd. Široko se uporablja na področju embalaže, medicine in vsakodnevnih potrebščin.

Modificiran PVC optimizira svojo učinkovitost s kemičnimi ali fizikalnimi metodami. Klorirani PVC (CPVC) je pomembna modificirana sorta, proizvedena s kloriranjem PVC-ja, ki poveča vsebnost klora na 63 %–68 %. To znatno izboljša njegovo toplotno odpornost (temperatura stalne uporabe 90–100 °C), njegova tlačna in kemična odpornost pa sta boljši od odpornosti trdega PVC-ja, zaradi česar je primeren za cevi za toplo vodo in kemične cevovode. Modificiran PVC, odporen na udarce, vsebuje modifikatorje udarca, kot sta ACR in CPE, kar poveča njegovo udarno trdnost za 3–5-krat, zaradi česar je primeren za zunanje izdelke in konstrukcijske komponente. Zamreženi PVC s kemičnim ali sevalnim zamreženjem tvori mrežno strukturo, kar izboljša njegovo toplotno odpornost in odpornost na topila, zaradi česar je primeren za izolacijske plasti kablov.

IV. Raznolika področja uporabe

PVC je s svojimi prilagodljivimi lastnostmi in fleksibilnostjo obdelave našel široko uporabo na različnih področjih, kot so gradbeništvo, embalaža, zdravstvo, vsakodnevne potrebščine in industrija, zaradi česar je nepogrešljiv material v sodobni družbi.

Gradbeni sektor predstavlja največji trg uporabe PVC-ja, saj predstavlja več kot 60 % njegove uporabe. Zaradi odpornosti proti kemični koroziji, nizke odpornosti na tekočine in enostavne namestitve so trde PVC cevi nadomestile tradicionalne kovinske cevi v komunalnem vodovodu in odvodnjavanju, ceveh za deževnico in kemičnih ceveh, z življenjsko dobo do 50 let ali več. PVC profili za vrata in okna se pogosto uporabljajo v stanovanjskih in poslovnih stavbah zaradi dobrih toplotnoizolacijskih in zvočnoizolacijskih lastnosti ter zaradi dejstva, da ne potrebujejo vzdrževanja in so nizki. PVC talne obloge (v tuljavah in ploščah) so odporne proti obrabi, nedrseče in enostavne za čiščenje, zaradi česar so primerne za uporabo v nakupovalnih središčih, bolnišnicah in domovih. PVC hidroizolacijske membrane so zelo odporne na vremenske vplive in se uporabljajo za hidroizolacijske projekte na strehah in kleteh.

Na področju embalaže ima PVC folija odlične lastnosti prosojnosti in pregrade, zaradi česar je primerna za skrčljivo folijo, ki se uporablja pri etiketah za pijače in pivo, saj se po segrevanju tesno oprime. Mehka PVC folija se uporablja za embalažo za hrano in kozmetiko, saj ponuja vrhunsko fleksibilnost in tesnilne sposobnosti. PVC steklenice in pločevinke kažejo dobro kemično odpornost in se uporabljajo za shranjevanje tekočin, kot so detergenti in kozmetika, po nižji ceni v primerjavi s PET steklenicami.

V medicini se mehki PVC zaradi svoje fleksibilnosti, tesnilnih lastnosti in nizkih stroškov uporablja za izdelavo medicinskih pripomočkov za enkratno uporabo, kot so infuzijske cevke, vrečke za kri in pokrovčki za brizge. Potrebni so dodatki medicinske kakovosti (brez ftalatov, mehčalcev in stabilizatorjev z nizko toksičnostjo). Medicinske izdelke iz PVC-ja je mogoče sterilizirati s paro, njihova prosojnost pa olajša opazovanje stanja tekočine, vendar je treba biti pozoren na migracijo mehčalcev.

V vsakodnevnih potrebah in industriji se mehki PVC uporablja za izdelavo umetnega usnja, dežnih škornjev, rokavic, prtov itd., ki so odporni proti obrabi in umazaniji; PVC kabelske spojine se zaradi svojih izolacijskih in ognjevarnih lastnosti uporabljajo za žice in kabelske plašče; PVC plošče se režejo za izdelavo oglasnih panojev in razstavnih stojal; modificiran PVC se uporablja tudi v notranjosti avtomobilov (kot so obloge armaturnih plošč), igračah (postopek brizganja z gobami), folijah za kmetijske rastlinjake itd.

V. Trendi varstva okolja in razvoja

Okoljska prijaznost PVC-ja je bila dolgo časa sporna, vendar se s tehnološkimi inovacijami in standardiziranim upravljanjem postopoma premika k trajnostnemu razvoju.

Okoljski izzivi PVC-ja se kažeta predvsem v dveh vidikih: Prvič, vinilkloridni monomer (VCM), ki se uporablja v proizvodnem procesu, je strupen, njegovo preostalo količino pa je treba strogo nadzorovati (vsebnost VCM v končnih izdelkih mora biti pod 1 ppm). Drugič, obstajajo pomisleki glede varnosti mehčalcev in stabilizatorjev. Tradicionalni mehčalci na osnovi ftalatov lahko motijo endokrini sistem, medtem ko stabilizatorji na osnovi svinčevih soli vsebujejo težke kovine, ki škodujejo tako ljudem kot okolju. Poleg tega se pri sežiganju PVC-ja pri nezadostnih temperaturah (pod 800 °C) sproščajo škodljive snovi, kot so dioksini, kar zahteva profesionalne sežigalnice za odstranjevanje.

Za reševanje okoljskih vprašanj je industrija uvedla vrsto ukrepov za izboljšanje: na področju aditivov je razvila neftalatne mehčalce (kot so citratni estri, epoksidirano sojino olje), stabilizatorje brez svinca (kalcijevo-cinkovi stabilizatorji, organski kositrovi stabilizatorji), medicinski PVC pa je popolnoma prepovedal uporabo ftalatovih mehčalcev; v proizvodnji spodbuja čiste proizvodne procese za zmanjšanje emisij VCM in porabe energije; pri recikliranju je tehnologija recikliranja PVC zrela, pri čemer fizično recikliranje vključuje sortiranje, čiščenje, taljenje in preoblikovanje odpadnega PVC za proizvodnjo cevi, plošč itd.; kemično recikliranje vključuje razgradnjo PVC v monomere VCM s pirolizo za doseganje recikliranja v zaprti zanki.

Svetovna stopnja recikliranja PVC-ja postopoma narašča. Evropska unija spodbuja recikliranje PVC-ja s svojim akcijskim načrtom za krožno gospodarstvo, stopnja recikliranja PVC cevi v gradbenem sektorju pa lahko doseže več kot 90 %. Hkrati je bil dosežen napredek pri raziskavah in razvoju biorazgradljivega PVC-ja, ki ga je mogoče v določenih okoljih postopoma razgraditi z uvedbo hidrolizabilnih skupin ali dodajanjem biorazgradljivih komponent.

Prihodnji razvoj PVC-ja se bo osredotočil na tri smeri: visoko zmogljivost, varstvo okolja in funkcionalizacijo. Visoka zmogljivost bo dosežena z molekularno zasnovo in modifikacijo kompozitov za izboljšanje toplotne odpornosti (kot je CPVC za visokotemperaturne cevovode), vremenske odpornosti (dodajanje UV-absorberjev za zunanje izdelke) in mehanskih lastnosti; varstvo okolja bo vključevalo celovito promocijo nenevarnih dodatkov (brez ftalatov, brez svinca), izboljšanje sistema recikliranja in razvoj bio-osnovanega PVC-ja (z nekaterimi surovinami, pridobljenimi iz biomase); funkcionalizacija se bo osredotočila na raziskave in razvoj antibakterijskega PVC-ja (na področju medicine), samočistilnega PVC-ja (za gradnjo zunanjih sten), visoko pregradnega PVC-ja (za embalažo) itd., s čimer se bodo razširili scenariji uporabe visokega cenovnega razreda.

PVC kot zelo prožen material na svoji razvojni poti uteleša skupni napredek znanosti o materialih in družbenega povpraševanja. Od osnovnih gospodinjskih dobrin do vrhunskih industrijskih komponent PVC s svojimi stroškovno učinkovitimi prednostmi podpira delovanje sodobne družbe. Z zrelostjo tehnologije varstva okolja in napredkom krožnega gospodarstva bo PVC dosegel trajnostni razvoj pri reševanju polemik in še naprej igral pomembno vlogo kot materialna podpora.