PVC بعد از پلی اتیلن و پلی پروپیلن سومین پلیمر پلاستیک مصنوعی است که به طور گسترده تولید می شود. سالانه حدود 40 میلیون تن تولید می شود. PVC به دو شکل اساسی عرضه می شود: سفت و سخت (گاهی به اختصار RPVC) و انعطاف پذیر. فرم سفت و سخت PVC در ساخت و ساز برای لوله و در کاربردهای پروفیل مانند درها و پنجره‌ها استفاده می شود. همچنین در ساخت بطری ها، بسته بندی های غیر غذایی، ورق های مواد غذایی و کارت ها (مانند کارت بانکی یا عضویت) استفاده می شود. با افزودن پلاستیک سازها، نرمتر و انعطاف پذیرتر می شوند، که بیشترین کاربرد آن در فتالات است.
در این فرم همچنین از لوله کشی، عایق کابل برق، چرم مصنوعی، کفپوش، گرامافون، محصولات بادی و بسیاری از کاربردها بعنوان جایگزین لاستیک استفاده می شود. از پنبه یا کتان برای تهیه بوم استفاده می شود.پلی وینیل کلرید خالص یک جامد سفید و شکننده است. این ماده در الکل نامحلول است اما به میزان اندک در محلول در تتراهیدروفوران محلول است.
تاریخچه PVC
PVC به طور اتفاقی در سال 1872 توسط شیمیدان آلمانی Eugen Baumann سنتز شد. این پلیمر به عنوان یک جامد سفید درون یک گلدان وینیل کلرید ظاهر شده است که در معرض نور خورشید قرار گرفته است. در اوایل قرن بیستم، شیمیدان روسی ایوان اوسترومیسلسنسکی و فریتز کلات از شرکت شیمیایی آلمانی Griesheim-Elektron تلاش کردند تا از PVC در محصولات تجاری استفاده کنند، اما مشکلات در پردازش پلیمر سفت و گاه شکننده، تلاش های خود را خنثی کردند. والدو سیمون و کمپانی B.F. Goodrich در سال 1926 روشی را برای پلاستیک سازی PVC با ترکیب آن با مواد افزودنی مختلف ایجاد کردند. نتیجه یک ماده انعطاف پذیر و آسان تر پردازش شده بود که به استفاده گسترده تجاری رسید.
همانطور که نشان داده می شود، پلی وینیل کلرید با پلیمریزاسیون مونومر وینیل کلرید (VCM) تولید می شود.
ساختار پی وی سی
حدود 80٪ تولید شامل پلیمریزاسیون تعلیق است. پلیمریزاسیون امولسیون حدود 12٪ و پلیمریزاسیون فله 8٪ را تشکیل می دهد. پلیمریزاسیون تعلیق ذرات با قطر متوسط 100-180 میکرومتر را در اختیار شما قرار می دهد، در حالی که پلیمریزاسیون امولسیون ذرات بسیار کوچکتر از اندازه متوسط در حدود 0.2 میکرومتر را به دست می دهد. VCM و آب به همراه یک آغازگر پلیمریزاسیون و سایر مواد افزودنی وارد راکتور می شوند. محتوای محفظه واکنش تحت فشار قرار گرفته و به طور مداوم با هم مخلوط می شود تا سیستم تعلیق حفظ شود و از اندازه ذرات یکنواخت رزین PVC اطمینان حاصل شود. واکنش گرمازا است و بنابراین نیاز به خنک شدن دارد. از آنجا که در طول واکنش حجم کاهش می یابد (PVC از VCM متراکم تر است)، برای حفظ تعلیق به طور مداوم آب به مخلوط اضافه می شود.
پلیمریزاسیون VCM توسط ترکیباتی به نام آغازگر آغاز می شود که در قطرات مخلوط می شوند. این ترکیبات برای شروع واکنش زنجیره رادیکال تجزیه می شوند. آغازگرهای معمولی شامل دیوكزانوئیل پراكسید و دی استیل پراكسیدكربنات، كه هر دو دارای پیوندهای شکننده O-O هستند. برخی از آغازگرها واکنش را به سرعت شروع می کنند اما به سرعت فروپاشی می شوند و سایر آغازگر ها اثر متضاد دارند. ترکیبی از دو آغازگر مختلف اغلب برای دادن یکنواخت پلیمریزاسیون استفاده می شود. پس از اینکه پلیمر حدود 10 برابر رشد کرده است، پلیمر کوتاه در قطرات VCM رسوب می کند و پلیمریزاسیون با ذرات متورم و حل شده و رسوب شده ادامه می یابد. وزن متوسط مولکولی وزن پلیمرهای تجاری از 100000 تا 200000 و تعداد متوسط وزن مولکولی از 45000 تا 64،000 متغیر است.
هنگامی که واکنش مسیر خود را طی کرد، دوغاب پی وی سی حاصل از آن جدا شده و از بین می رود تا VCM اضافی را که بازیافت می شود از بین ببرد. سپس پلیمر برای از بین بردن آب از طریق سانتریفیوژ عبور می کند. دوغاب بیشتر در یک بستر هوای گرم خشک می شود و پودر حاصل قبل از انبارداری یا گلوله کردن الک می شود. به طور معمول، PVC حاصل از آن دارای محتوای VCM کمتر از 1 قسمت در میلیون است. سایر فرآیندهای تولید، مانند پلیمریزاسیون میکرو سیستم تعلیق و پلیمریزاسیون امولسیون، PVC را با اندازه ذرات کوچکتر تولید می کنند (10 میکرومتر در مقابل 120-150 میکرومتر برای PVC تعلیق) با خواص کمی متفاوت و با مجموعه‌هایی از کاربردهای متفاوت.
PVC ممکن است از مواد نفتی یا اتیلن تولید شود. با این حال، در چین، ذغال سنگ اصلی شروع فرآیند کاربید کلسیم است. استیلن تولید شده سپس به VCM تبدیل می شود که معمولاً شامل استفاده از یک کاتالیزور مبتنی بر جیوه است. این فرایند همچنین با انرژی بسیار زیاد و با زباله‌های زیاد تولید می شود.
پلیمرها بصورت خطی و قوی هستند. مونومرها عمدتا از سر تا دم چیده شده اند، بدین معنی که در مراکز کربن متناوب کلرید وجود دارد. PVC عمدتاً یک استریوشیمی آکتاتیک است، به این معنی که استریوشیمی نسبی مراکز کلرید تصادفی است. برخی از درجه سندیوتیک بودن زنجیره باعث تبلور چند درصدی می شود که در خواص ماده تأثیر دارد. حدود 57٪ از جرم PVC کلر است. حضور گروههای کلرید به پلیمر از خصوصیات ساختاری مرتبط با پلی اتیلن می دهد. چگالی نیز از این پلاستیک های ساختاری مرتبط بیشتر است.
از پرکاربردترین محصولاتی که در آن از PVC استفاده میشود لوله پلیکا میباشد.
تولید پی وی سی
بزرگترین تولید کننده پی وی سی از سال 2018، شین اتسو ژاپن است که سهم جهانی آن در حدود 30٪ است. سایر تأمین کنندگان اصلی در آمریکای شمالی و اروپای غربی مستقر هستند.
محصول فرآیند پلیمریزاسیون PVC اصلاح نشده است. قبل از اینکه PVC به محصولات نهایی تبدیل شود، همیشه با ترکیب مواد افزودنی (اما نه لزوماً موارد زیر) مانند تثبیت کننده گرما، تثبیت کننده‌های ماوراء بنفش، پلاستیک سازها، تسهیل کننده‌های پردازشی، تعدیل کننده‌های ضربه، تعدیل کننده‌های حرارتی، پرکننده‌ها به ترکیب تبدیل می شود. نگهدارنده‌های شعله، بیوکسیدها، عوامل دمیدن و مهار کننده‌های دود، و، به صورت اختیاری، رنگدانه‌ها. انتخاب مواد افزودنی مورد استفاده برای محصول نهایی PVC توسط الزامات مربوط به عملکرد هزینه مشخصات نهایی استفاده نهایی کنترل می شود (لوله زیرزمینی، قاب های پنجره، لوله‌های داخل وریدی و کفپوش ها همگی دارای ترکیبات بسیار متفاوتی هستند با توجه به نیاز عملکرد خود). پیش از این، بی فنیل های پلی کلر (PCB) به برخی از محصولات PVC به عنوان بازدارنده شعله و تثبیت کننده اضافه شده بودند.
بیشتر محصولات وینیل حاوی پلاستیک ساز هستند که ویژگی عملکرد آنها را به طرز چشمگیری بهبود می بخشد. رایج ترین پلاستیک ساز ها مشتقات اسید فتالیک هستند. مواد مطابق با سازگاری آنها با پلیمر، میزان نوسانات کم و هزینه انتخاب می شوند. این مواد معمولاً موادی بدون رنگ هستند که به خوبی با ذرات PVC مخلوط می شوند. حدود 90٪ بازار پلاستیک ساز، که تخمین زده می شود میلیون ها تن در سال در سراسر جهان باشد، به PVC اختصاص داده شده است.
تثبیت کننده‌های فلز مخلوط مایع در چندین کاربرد انعطاف پذیر PVC مانند غشاهای تقسیم شده، پروفیل های اکسترود شده، کف و کفش های قالب تزریقی، شیلنگ های اکسترود شده و پلاستیک ها که در آن خمیر PVC به پشتیبان پخش می شود (کفپوش، پوشش دیوار، چرم مصنوعی) استفاده می شود. سیستم های تثبیت کننده فلز مخلوط مایع در درجه اول مبتنی بر باریم، روی و کربوکسیلات کلسیم است. به طور کلی، فلزات مخلوط مایع مانند BaZn، CaZn نیاز به افزودن تثبیت کننده‌ها، آنتی اکسیدان ها و ارگانو فسفیت ها دارد تا عملکرد بهینه داشته باشد. تثبیت کننده‌های BaZn با موفقیت جایگزین تثبیت کننده‌های مبتنی بر کادمیوم در اروپا در بسیاری از کاربردهای نیمه سخت و انعطاف پذیر PVC شده اند.
تثبیت کننده‌های مبتنی بر قلع به دلیل شرایط پردازش دمای بالای مورد استفاده، عمدتا در اروپا برای کاربردهای سفت و سخت و شفاف مورد استفاده قرار می گیرند. شرایط در آمریکای شمالی متفاوت است که سیستم های قلع تقریباً برای تمام کاربردهای پی وی سی سفت و سخت استفاده می شود. تثبیت کننده‌های قلع را می توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد، گروه اول حاوی آنهایی که دارای پیوندهای قلع اکسیژن هستند و گروه دوم با پیوندهای قلع-گوگردی.
قلع مرکپتیدها به دلیل راندمان بالا و عملکرد اثبات شده در سطح وسیعی در کاربردهای PVC سفت و سخت مورد استفاده قرار می گیرند. سطح استفاده معمولی بسته به کاربرد آن 0.3 (لوله) تا 2.5 فریم (کف) است. تثبیت کننده‌های قلع تثبیت کننده ترجیحی برای خروجی PVC و اکستروژن CPVC هستند. تثبیت کننده‌های قلع بیش از 50 سال است که توسط کمپانی هایی مانند PMC Organometallix و پیشینیان آن استفاده می شود. انتخاب بهترین تثبیت کننده PVC به کارآیی هزینه آن در کاربرد نهایی استفاده، الزامات مشخصات عملکرد، فناوری پردازش و مصوبات نظارتی بستگی دارد.
ویژگیهای PVC
PVC از سختی و خواص مکانیکی بالایی برخوردار است. خواص مکانیکی با افزایش وزن مولکولی افزایش می یابد اما با افزایش دما کاهش می یابد. خواص مکانیکی PVC سفت و سخت (uPVC) بسیار خوب هستند. مدول الاستیک می تواند به 1500-3000 مگاپاسکال برسد. محدودیت الاستیک PVC نرم (PVC انعطاف پذیر) 1.5-15 MPa است.
پایداری حرارتی PVC خام بسیار ضعیف است، بنابراین افزودن استابلایزر گرما در طی فرایند برای اطمینان از خواص محصول ضروری است. به عنوان یک ترموپلاستیک، PVC دارای عایق ذاتی است که در کاهش تشکیل میعان و مقاومت در برابر تغییر دمای داخلی مایعات گرم و سرد کمک می کند. PVC پلیمری با خاصیت عایق بندی خوبی است.
PVC از نظر شیمیایی در برابر اسیدها، نمکها، پایه‌ها، چربی ها و الکل مقاوم است و باعث می شود در مقابل اثرات خورنده فاضلاب مقاوم باشد به همین دلیل در سیستم های لوله کشی فاضلاب بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین در برابر برخی از حلالها مقاوم است، این ویژگی به طور عمده برای uPVC (PVC بدون پلاستیک) محفوظ است. PVC پلاستیک شده، همچنین با نام PVC-P شناخته می شود، در بعضی موارد نسبت به حلال ها مقاومت کمتری دارد. به عنوان مثال، PVC در برابر سوخت و بعضی از رقیق کننده‌های رنگ مقاوم است. بعضی از حلالها فقط ممکن است آن را متورم یا تغییر شکل دهند اما آن را حل نکنند، اما برخی مانند تتراهیدروفوران یا استون ممکن است به آن آسیب برساند.
تقریبا نیمی از رزین پلی وینیل کلرید جهان که سالانه تولید می شود برای تولید لوله‌ها برای مصارف شهری و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. در بازار توزیع آب، 66 درصد بازار در ایالات متحده آمریکا را به خود اختصاص داده است و در کاربردهای لوله کشی فاضلاب 75 درصد است. لوله‌های پی وی سی دفن شده در هر دو کاربرد آب و فاضلاب که دارای 4 اینچ (100 میلی متر) قطر و بزرگتر هستند، به طور معمول با استفاده از اتصالات مهر و موم شده واشر به یکدیگر متصل می شوند. متداول ترین نوع واشر مورد استفاده در آمریکای شمالی یک الاستومر تقویت شده با فلز است که معمولاً به آن یک سیستم آب بندی ریبر گفته می شود. وزن سبک آن، هزینه کم و نگهداری کم آن باعث جذابیت آن می شود. اما برای اطمینان از ترک خوردگی و طغیان طولی، باید با دقت نصب و بستر شود. علاوه بر این، لوله‌های PVC را می توان با استفاده از سیمانهای مختلف حلال، یا گرماگرفتگی (فرآیند همجوشی، شبیه به اتصال لوله پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE))، به یکدیگر متصل کرد و اتصالات دائمی ایجاد کرد که عملا در مقابل نشت غیرقابل نفوذ هستند.
PVC معمولاً به عنوان عایق کاری در کابل های برقی استفاده می شود. PVC استفاده شده برای این منظور نیاز به پلاستیک سازی دارد. سیم و کابل با روکش PVC انعطاف پذیر برای مصارف الکتریکی به طور سنتی با سرب تثبیت شده است، اما این سیستم ها با سیستم های مبتنی بر کلسیم-روی جایگزین می شوند.
UPVC چیست؟
PVC یک پلاستیک معمولی، قوی اما سبک است که در ساخت و ساز استفاده می شود. با افزودن پلاستیک سازها نرمتر و انعطاف پذیرتر شده است. در صورت عدم افزودن پلاستیک ساز، به عنوان uPVC (پلی وینیل کلرید غیر پلاستیک) یا PVC سفت و سخت شناخته می شود. این ماده تقریباً به طور کامل جایگزین استفاده از چدن برای لوله کشی و زهکشی شده است و از آن برای لوله‌های فاضلاب، لوله‌های تخلیه، ناودانها و آبشارها استفاده می شود. uPVC به مقاومت خوبی در برابر مواد شیمیایی، نور خورشید و اکسیداسیون در آب معروف است.
uPVC یک ماده ترموپلاستیک است که از سوخت های نمکی و فسیلی مشترک حاصل می شود. متریال لوله دارای طولانی ترین سابقه در بین کلیه مواد پلاستیکی است. اولین لوله‌های uPVC در دهه 1930 ساخته شد. از آغاز دهه 50، از لوله‌های uPVC برای جایگزینی لوله‌های فلزی خورنده استفاده می شد و بنابراین آب آشامیدنی تازه را به جمعیت رو به رشد روستایی و بعداً شهری منتقل می کرد. لوله‌های uPVC برای آب آشامیدنی طبق استاندارد NSF 61 دارای گواهینامه ایمنی هستند و به طور گسترده برای خطوط انتقال آب و انتقال در سراسر آمریکای شمالی و سراسر جهان مورد استفاده قرار می گیرند. uPVC برای خطوط فاضلاب در خانه مجاز است و بیشترین لوله مورد استفاده در فاضلاب بهداشتی است.
uPVC دارای مقاومت شیمیایی بالایی در طیف وسیعی از دمای کارکرد آن است که دارای باند وسیعی از فشارهای عملکرد است. حداکثر دمای کار در دمای 140 درجه فارنهایت (60 درجه سانتیگراد) و حداکثر فشار کار psi450 (3،100 kPa) گزارش شده است. سیستم های uPVC به دلیل ویژگی های مقاومت طولانی مدت، سختی بالا و مقرون به صرفه بودن، بخش عمده ای از تاسیسات لوله کشی پلاستیکی را به خود اختصاص داده اند و برخی تخمین ها بیانگر آن است که بیشتر از 2،000،000 مایل (3،200،000 کیلومتر) لوله uPVC در حال حاضر بصورت های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است.
پلی وینیل کلرید در ورقهای مسطح در انواع ضخامت و رنگ تشکیل می شود. ورق ها با استفاده از اره و تجهیزات برش چرخشی بریده می شوند. PVC پلاستیک شده همچنین برای تولید غشاهای نازک، رنگی یا شفاف و پشتیبان از چسب استفاده می شود که به آنها وینیل گفته می شود. این غشاها به طور معمول بر روی یک پلاتر کنترل شده کامپیوتر (برش دهنده وینیل) برش داده می شوند یا در یک چاپگر با فرمت گسترده چاپ می شوند. این ورق ها و غشاها برای تولید طیف گسترده ای از محصولات تجاری با علائم تجاری از جمله نوار بدنه خودرو و برچسب استفاده می شود.
PVC از سوخت های فسیلی از جمله گاز طبیعی ساخته شده است. در فرآیند تولید از کلرید سدیم نیز استفاده می شود. PVC بازیافتی به تراشه‌های کوچک تقسیم می شود، ناخالصی ها از بین می روند و محصول برای ساخت PVC خالص تصفیه می شود. تقریباً هفت بار قابل بازیافت است و طول عمر آن حدود 140 سال است.
