Polyvinylchlorid (PVC): Vlastnosti, bod tání a zpracování

Polyvinylchlorid (-CH2-CHCl-)n se sumárním vzorcem (C2H3Cl)n je v čistém stavu velmi tuhý z důvodu vysoké soudržnosti mezi molekulami a polymerními řetězci způsobenou silnými dipólovými momenty atomů chlóru. Průmyslová PVC pryskyřice má převážně amorfní strukturu, ale obsahuje také některé krystalické oblasti (asi 5 procent), takže PVC nemá zjevný bod tání.

Historie a komercializace PVC

Monomer vinylchloridu náhodou zpozoroval v roce 1835 německý chemik Justus von Liebig při reakci etylendichloridu s hydroxidem draselným v alkoholovém roztoku. Pokus zveřejnil jeho francouzský student Henri Victor Regnault, který si myslel, že získal polymer díky působení slunečního záření, ačkoli se jednalo o polychlorid vinylidenu. S definovaným objevem bílé pevné látky polymeru PVC indukováním monomeru vinylchloridu světlem pak přišel v roce 1872 německý chemik Eugen Baumann.

O komercializaci se pokoušel ruský chemik I.I. Ostromyslenskij a v Greisheim-Elektron německý chemik Fritz Klatte s patentem na výrobní proces, ale z počátku se oddálilo průmyslové a komerční využití PVC, které přišlo až díky plastifikačním přísadám. V roce 1926 Waldo Semon ve spolupráci s B. F. Goodrichem vyvinuli metodu plastifikace PVC smícháním s aditivy a odstartovali genezi komerčního úspěchu mnoha druhů PVC s různými vlastnostmi.

Základní charakteristiky PVC

PVC je nažloutlé a průsvitné s leskem. Průhlednost je lepší než polyethylen a polypropylen a horší než polystyren. Podle množství přísad jej lze rozdělit na měkký a tvrdý polyvinylchlorid. Měkké produkty jsou měkké a tuhé a na dotek lepkavé. Tvrdost tvrdých výrobků je vyšší než u nízkohustotního polyethylenu, ale nižší než u polypropylenu. V ohybu dojde k bělení.

Dnes pro svou levnou výrobou a široké využití zaujímá přední místo žebříčku ve světě plastů. Mezi charakteristické vlastnosti PVC patří mechanická odolnost, rázová houževnatost, tvarová stálost, dielektrické vlastnosti, nesnadná vznětlivost a nízká hustota promítající se při hmotnosti. Výhodou PVC je i jeho stabilnost a inertnost s možností využití pro prostředí, kde jsou vysoké nároky na hygienu např. v pitném řádu.

Obecně platí, že PVC má vysokou mechanickou stabilitu, tuhost a tvrdost, dobrou chemickou odolnost, dobré elektrické a izolační vlastnosti, nízký sklon k praskání pod napětím, dobrou odolnost proti povětrnostním vlivům a nízkou absorpci vlhkosti.

Hmotnostní průměr relativní molekulové hmotnosti průmyslového PVC se pohybuje od 48000 do 48000 a odpovídající číselný průměr relativní molekulové hmotnosti je 2-19500. Hmotnostní průměr relativní molekulové hmotnosti většiny průmyslových pryskyřic je mezi 100 000 a 200 000 a číselný průměr relativní molekulové hmotnosti je mezi 45 500 a 64 000.

Pevný polyvinylchlorid (bez změkčovadla) má dobrou mechanickou pevnost, odolnost proti povětrnostním vlivům a odolnost proti ohni. Může být použit jako konstrukční materiál samostatně a v chemickém průmyslu k výrobě trubek, desek a vstřikovaných výrobků. Z tvrdých polyvinylchloridů je u nás známá zaregistrovaná ochranná značka Novodur společnosti Fatra v Napajedlech, ale existuje řada dalších obchodních názvů: Hostalit, Medur, Mipolam, Trovidur, Vestolit, Vinidur, Vinoflex.

Obchodní názvy nechráněně reg. značkou: PVC-CAW, PVC rigid, PVC-U. PVC-U, někdy také označované jako tuhé PVC, je polyvinylchlorid bez přídavku změkčovadla. Písmeno U znamená neplastifikovaný. Homogenní PVC-U desky a jiné polotovary dokáží splnit vaše nejrozmanitější požadavky. Neměkčený polyvinylchlorid - PVC-U je velice pevný a houževnatý materiál, který nachází své uplatnění ve stavebním, technickém či elektrotechnickém průmyslu.

Tepelné vlastnosti a stabilita PVC

PVC má špatnou stabilitu vůči světlu a teplu. Bod měknutí je 80 stupňů a rozklad začíná při 130 stupních. Bez zahřívání stabilizátoru se PVC začne rozkládat při 100 stupních a nad 130 stupňů se rozkládá rychleji. Při zahřátí se plynný chlorovodík (plynný chlorovodík je toxický plyn) rozloží a změní barvu z bílé → světle žluté → červené → hnědé → černé.

Ultrafialové záření a kyslík ve slunečním světle způsobí fotooxidační rozklad PVC, čímž se sníží pružnost PVC a nakonec se stane křehkým. To je důvod, proč některé PVC plasty po dlouhé době zežloutnou a zkřehnou. V důsledku atomů chlóru má polyvinylchlorid i velmi malou hořlavost a přestane hořet, jakmile není vystaven zdroji tepla.

PVC (stejně jako ostatní termoplasty) se stoupající teplotou měkne a v chladu tvrdne, tudíž se při nízkých teplotách ještě zvýší jeho mechanická odolnost.

Degradace a stabilizace PVC

Surové PVC se při zpracování rozkládá a při tom se z něho uvolňuje chlorovodík. Tento rozklad se nazývá dehydrochlorace. Abychom mu zabránili, přidáváme před zpracováním do PVC jednak tepelné stabilizátory, jednak maziva, která zajišťují dobré tokové vlastnosti ve zpracovatelských zařízeních.

Působením zvýšené teploty se surové PVC rozkládá, uvolňuje se plynný chlorovodík a na makromolekulárním řetězci vznikají nenasycené dvojné vazby. Důsledky této degradace se projeví jednak žloutnutím a hnědnutím plastu, jednak vznikem netavitelných produktů. Z těchto důvodů je možné zpracovávat PVC jen vhodně stabilizované. Úkolem stabilizátoru je jednak vázat vznikající chlorovodík, aby nedošlo k urychlení celého degradačního pochodu, a jednak inaktivovat dvojné vazby, které jsou odpovědné za žloutnutí polymeru. Účinnost stabilizátoru závisí na jeho chemickém složení. Často se používají směsi stabilizátorů.

Typy stabilizátorů:

• Stabilizátory na bázi olova: Váží vznikající chlorovodík. Vynikají dlouhodobou účinností, ale nezabrání zcela žloutnutí PVC. Proto je nelze použít na průhledné výrobky. Také se nesmí používat pro výrobky přicházející do styku s potravinami. Jejich předností je nízká cena. Používají se v zásadě při výrobě tvrdých trubek, některých profilů ve stavebnictví a pro izolace elektrických vodičů.
• Stabilizátory na bázi cínu: Tyto stabilizátory mají několik výhod: nezpůsobují zabarvení výrobku, nebo jen velmi slabé; lze je použít i pro transparentní výrobky; většina z nich je povolena i pro výrobky přicházející do styku s potravinami. Nevýhodou těchto stabilizátorů je, že zvyšují lepivost roztaveného PVC ke kovovým povrchům zpracovatelských zařízení, takže je nezbytné je doplňovat vhodnými mazivy.
• Stabilizátory barnato-zinečnaté a vápenato-zinečnaté: Obecně poskytují dobrou barevnou stabilizaci a střední tepelnou stabilizaci. Stabilizátory vápenato-zinečnaté jsou určeny i pro styk s potravinami.
• Stabilizátory barnato-kademnaté: V minulých letech byly tyto stabilizátory běžně používány. Z důvodů škodlivosti kadmia pro lidské zdraví se od nich nyní upouští.

Vedle hlavních, neboli primárních stabilizátorů účinných při samostatné stabilizaci existují také látky, které samy stabilizační účinek sice nemají, ale zesilují účinek stabilizátorů primárních. Takový synergický vliv má například epoxidovaný sójový olej.

Chemická odolnost PVC

PVC má stabilní fyzikální a chemické vlastnosti, je nerozpustný ve vodě, alkoholu a benzínu, má nízký únik plynu a vodní páry. Za normální teploty může odolat jakékoli koncentraci kyseliny chlorovodíkové, méně než 90 procentům kyseliny sírové, 50-60 procentům kyseliny dusičné a méně než 20 procentům roztoku hydroxidu sodného a má určitou odolnost proti chemické korozi. Je poměrně stabilní vůči solím, ale může být rozpuštěn v organických rozpouštědlech, jako je ether, keton, chlorovaný alifatický uhlovodík a aromatický uhlovodík.

PVC má výhody zpomalování hoření (hodnota zpomalení hoření je nad 40), vysoké chemické odolnosti (odolnost proti koncentrované kyselině chlorovodíkové, kyselině sírové s koncentrací 90 procent, kyselině dusičné s koncentrací 60 procent a hydroxidu sodnému s koncentrací 20 procent), dobrá mechanická pevnost a elektrická izolace.

Zpracování polyvinylchloridu

PVC je typický amorfní plast, který na rozdíl od semikrystalických plastů (PE, PP) nemá výrazný bod tání. Nad 80 °C však měkne a dalším zvyšováním teploty se mění na viskózní hmotu, plastikuje. V tomto stavu je možné PVC zpracovávat.

Podle požadovaných vlastností konečného výrobku se do PVC dále přidávají změkčovadla, plniva, pigmenty a další přísady. Směšování a homogenizace PVC s přísadami se provádí před vlastním zpracováním tak, aby vznikly kompaundy v podobě granulátu, suché směsi či aglomerátu nebo plastisolu, tedy viskózní kaše, pasty. Takto připravený plast PVC se zpracovává téměř všemi dostupnými technologiemi: vytlačováním, vstřikováním, válcováním, natíráním, lisováním, tepelným tvarováním.

Polyvinylchlorid je vhodný pro řezání, soustružení, frézování, vrtání k výrobě třískově obráběných dílů i pro svařování a lepení. Pro hladký povrch je třeba ostrých nástrojů a břity z tvrdých kovů se doporučují předehřát na 120 °C. PVC je ohebný a tvarovatelný plast bez nutnosti vystavovat ho vysokým teplotám.

Stejně jako u PVC-P by termoplastické zpracování PVC-U mělo probíhat na speciálních systémech odolných proti korozi a mělo by zohledňovat teplotu rozkladu PVC (vznik HCl). Pro míchání nebo vytlačování práškového PVC se používají protiběžné dvoušnekové vytlačovací stroje, aby se mechanické namáhání polymeru citlivého na smyk omezilo na minimum. Stejně jako u PVC-P slouží stupeň gelovatění jako kritérium kvality pro PVC-U, které přímo souvisí s rázovou pevností.

Přísady do PVC

Ke zpracování plastů je nutné obecně použít vysokých sil. Ty způsobují jednak zvýšené namáhání stěn zpracovatelského zařízení, jednak namáhají i samotný polymer vnitřním třením. Aby jejich působením nedošlo k poškozování polymeru, používají se maziva, lubrikační činidla, která zpracování usnadňují.

• Vnější mazání (externí lubrikace): PVC klouže při vysokých teplotách obtížně po stěnách strojů. Někdy se k nim dokonce přilepí a potom dojde k rozkladu hmoty. Úkolem vnějších maziv je zabránit nalepování a usnadnit klouzání PVC po stěnách. Vnější maziva jsou špatně kompatibilní s PVC a je zapotřebí je pečlivě vybírat. Obvykle se používají parafíny.
• Vnitřní mazání (interní lubrikace): Makromolekuly PVC se při zpracování ve vytlačovacím stroji třou jedna po druhé, vzniká frikční teplo a polymer se zahřívá. Při velkých výkonech může docházet až k tepelnému rozkladu molekul PVC. Pro potlačení tohoto nežádoucího jevu se používají vnitřní maziva. Tato činidla musejí být kompatibilní s PVC. Svojí chemickou povahou to jsou estery mastných kyselin, zejména kyseliny stearové.

Změkčovadla

Úkolem změkčovadel je snížit přitažlivé síly mezi různými makromolekulami PVC. Stejně jako neexistuje ideální stabilizátor, neexistuje ani ideální změkčovadlo. Rozeznáváme změkčovadla primární, která mají změkčující účinek sama o sobě a mohou být tedy použita samostatně. Změkčovadla sekundární působí jen ve spojení s předešlým typem změkčovadel. Podle své chemické povahy mohou být primární změkčovadla estery kyseliny ftalové (dioktylftalát, dibutylftalát), estery kyseliny fosforečné nebo estery dikarbonových kyselin. Sekundární změkčovadla jsou polymerní nebo chlorované parafíny.

Plniva

Sem zahrnujeme všechny inertní minerální látky, které po přidání do PVC mění mechanické, elektrické nebo tepelné vlastnosti, popřípadě jeho cenu. Zejména se používají tato plniva:

• Uhličitan vápenatý: přírodní nebo srážený, který má sice malou absorpci změkčovadel, ale zlepšuje lesk povrchu. Používá se hlavně při výrobě podlahových krytin.
• Syntetický oxid křemičitý: používá se jako tixotropní činidlo, nebo koloidní oxid křemičitý užívaný jako matovadlo plastisolů.
• Kaolín: přináší zlepšení odolnosti proti opotřebení.

Pigmenty a barviva

Barvení PVC se provádí nejčastěji pomocí pigmentů. Minerální pigmenty jsou pak v hotovém výrobku přítomny jako suspenze jemných částic. Nejvíce používaným pigmentem je titanová běloba, oxid titaničitý. Její účinek spočívá nejen v dosažení bílé krycí barvy, ale i v tom, že způsobuje také neprostupnost pro světelné záření. Působí tak jako překážka proti působení ultrafialové složky slunečního záření, které by při průchodu plastem mohlo způsobovat degradaci polymeru a změnu jeho barvy i mechanických vlastností. Toho se využívá například u okenních rámů, které tak kromě bílého zabarvení získávají i mimořádnou odolnost vůči slunečnímu záření. Vedle pigmentů se používají také syntetická organická barviva jsou rozpustná v polymeru.

Další přísady

Mezi další nejvíce používané přísady do PVC patří látky zvyšující jeho odolnost proti porušení při úderu, tedy jeho houževnatost. Sem patří především kopolymery nazývané MBS (methylmethakrylát-butadién-styrén) nebo terpolymery ABS, které zachovávají průhlednost směsi. Používá se také chlorovaný polyethylén nebo polyakryláty, které vynikají odolností proti degradačním účinkům slunečního záření. Do PVC se přidávají i další přísady, zlepšující i ostatní vlastnosti: přísady antistatické, fungicidy, nadouvadla, antioxidanty, látky usnadňující zpracovatelnost apod.

Směšování PVC s přísadami

Přísady používané do PVC mají různou fyzikální povahu, jsou kapalné i pevné. Přitom je důležité, aby se s PVC řádně promíchaly a vytvořily homogenní materiál, který se bude dobře zpracovávat. K tomu účelu se používají různé typy směšovacích zařízení.

• Rychloběžné míchačky: Používají se jen pro malá množství směsi, kterou je potřeba rychle připravit. Vysoká rychlost otáček vede k vynikající dispergaci přísad. Získaná směs zůstává v práškové podobě a může se přímo použít do vytlačovacích strojů.
• Pomaloběžné míchačky: Jsou určeny pro velké objemy. Výhody těchto strojů spočívají v jednoduchosti práce.

Technické parametry PVC

Následující tabulka shrnuje některé klíčové technické parametry polyvinylchloridu:

Bod měknutí je 80 stupňů a rozklad začíná při 130 stupních. Začíná měknout asi při 80 stupních a teplota tepelné deformace (při zatížení 1,82 MPa) je 70-71 stupňů. Začíná proudit při 150 stupních pod tlakem a pomalu uvolňuje chlorovodík, což způsobuje změnu barvy PVC (ze žluté na červenou, hnědou nebo dokonce černou).

tags: #bod #tání #PVC

Oblíbené příspěvky:

• Srovnání vlastností gumoasfaltu a klasických hydroizolací
• Kompletní návod pro stavbu z cihel Porotherm
• Izolace, která nevyžaduje parozábranu
• navštivte koupelnové studio SIKO na Černém Mostě
• Jak vybrat kancelářskou židli?