Polyvinylchlorid (PVC) je termoplastický polymer, který se získává polymerací vinylchloridu. Vyznačuje se širokou škálou aplikací a je dostupný v různých variantách, jako je například PVC-U (často skladový sortiment) a PVC-C (na objednávku). Jeho vlastnosti jsou klíčové pro finální produkty a každá aplikace vyžaduje specifický druh PVC. Stejně jako většina termoplastů, PVC v chladu tvrdne a v teple měkne. Při nízkých teplotách se tak zvyšuje jeho mechanická odolnost, ale snižuje se odolnost proti rázům.
Charakteristika a vlastnosti PVC
PVC, též známé jako tvrdé PVC, je amorfní termoplastická pryskyřice. Vzniká polymerační reakcí vinylchloridového monomeru za přítomnosti stabilizátorů, maziv a plniv. Díky těmto přísadám a možnosti míchání s jinými pryskyřicemi získává PVC zřejmou praktickou hodnotu. UPVC má vysokou viskozitu taveniny a špatnou tekutost, přičemž zvýšení vstřikovacího tlaku a teploty taveniny nemá významný vliv na jeho tekutost.
Hlavní přednosti PVC:
- Vynikající chemická odolnost.
- Velmi dobrá obrobitelnost.
- Snadná svařitelnost.
Struktura a historie PVC
PVC je bílý prášek s amorfní strukturou, s malým stupněm větvení a relativní hustotou kolem 1.4. Teplota skelného přechodu se pohybuje mezi 77 až 90 °C, a rozkládat se začíná při teplotě kolem 170 °C. Má nízkou stabilitu vůči světlu a teplu. Nad 100 °C, nebo při dlouhodobém vystavení slunečnímu záření, dochází k rozkladu za vzniku chlorovodíku, který autokatalyzuje další rozklad. To vede ke změně barvy a rychlému poklesu fyzikálních a mechanických vlastností. Molekulová hmotnost průmyslově vyráběného PVC se pohybuje mezi 50 000 a 110 000 a nemá pevný bod tání, měknout začíná při 80-85 °C a stává se viskoelastickým při 130-160 °C.
Objev polyvinylchloridu se datuje již do roku 1835, kdy ho objevil V. Regnault. Koncem 19. století, v roce 1872, ho znovu objevil Eugen Baumann. V obou případech vznikl polymer náhodně jako bílá pevná látka v kádince s vinylchloridem, která byla vystavena slunečnímu záření. Industrializace PVC začala na počátku 30. let 20. století, přičemž v roce 1931 německá metoda emulzní polymerace umožnila průmyslovou výrobu.
Zpočátku byla výroba monomeru vinylchloridu založena především na acetylenu z karbidu vápníku, což bylo energeticky náročné a drahé. Po industrializaci oxychlorace ethylenu na počátku 60. let se přešlo na levnější ropu jako surovinu. V současnosti je PVC jedním z nejdůležitějších produktů pro rozvoj chlor-alkalického průmyslu. Ačkoli byly v polovině 70. let obavy z karcinogenních účinků zbytkového vinylchloridového monomeru (VCM), moderní technologie snížily obsah VCM pod 10 ppm, což splňuje hygienické požadavky a rozšiřuje tak rozsah použití PVC.
Čtěte také: Proč zvolit betonový stropní systém?
Typy PVC a metody polymerace
Dle rozsahu použití lze PVC rozdělit na PVC pryskyřici pro všeobecné použití, PVC pryskyřici s vysokým stupněm polymerace a zesíťovanou PVC pryskyřici. Podle způsobu polymerace existují čtyři hlavní kategorie:
- Suspenzní polyvinylchlorid
- Emulzní polyvinylchlorid
- Objemový polyvinylchlorid
- Roztokový polyvinylchlorid
Nejrozšířenější je suspenzní proces, který tvoří asi 80 % celkové produkce PVC. Polymerizační metody se dělí především na suspenzní polymeraci, emulzní polymeraci a blokovou polymeraci.
Suspenzní polymerace
Do reaktoru se přidá čistá voda, zkapalněný monomer VCM a dispergační činidlo, poté iniciátor a další přísady. Po zvýšení teploty na určitou úroveň podstoupí monomer VCM polymeraci volnými radikály za vzniku částic PVC. Neustálým mícháním se velikost částic sjednotí a výsledné částice se suspendují ve vodě. Pro udržení těchto kapiček v disperzi se přidávají stabilizátory suspenze, jako je želatina, polyvinylalkohol, methylcelulóza a hydroxyethylcelulóza. Iniciátory jsou často organické peroxidy a azosloučeniny.
Emulzní polymerace
Jedna z prvních průmyslových výrobních metod PVC. Kromě vody a vinylchloridových monomerů se přidávají povrchově aktivní látky jako emulgátory, například alkylsulfonát sodný. Monomery se dispergují ve vodné fázi za vzniku emulze a iniciátorem je persíran draselný nebo amonný. Polymerovaný produkt je podobný latexu a může být přímo aplikován nebo sušen rozprašováním na práškovou pryskyřici. Tato metoda má kratší dobu polymerace a snadněji se ovládá.
Objemová polymerace
Polymerace probíhá ve dvou stupních. Monomer a iniciátor se předpolymerují v předpolymeračním kotli, čímž se vytvoří zárodečné částice. Následně se přenese do polymeračního kotle druhého stupně, kde se pokračuje v agregaci. Velikost částic a tvar pryskyřice se řídí rychlostí míchání a reakční teplo se odvádí zpětným tokem monomeru a kondenzací.
Čtěte také: Praktické rady pro betonové ploty
Zpracování a modifikace PVC
PVC pryskyřice je polární nekrystalický polymer s hustotou 1.380 g/cm³ a teplotou skelného přechodu 87 °C. Má špatnou tepelnou stabilitu a je obtížně zpracovatelná, proto nelze použít přímo. Je nutné ji upravovat a míchat s přísadami a plnivy. Vzhledem k různým typům přísad se vlastnosti a požadavky na PVC materiály liší. Mluvíme o modifikovaných recepturách PVC.
Modifikační metody:
- Chemická modifikace
- Modifikace výplně
- Modifikace výztuže
- Blending modifikace
- Modifikace nanokompozitů
Základním principem modifikace je dodání materiálům specifických funkcí nebo zlepšení určitých vlastností pomocí přísad. PVC je často nutné nejprve upravit a peletizovat pomocí šnekového extrudéru, aby bylo plně plastifikováno a snáze zpracovatelné, zejména pro vstřikované výrobky.
Zpracování plastů
Po 24 hodinách při pokojové teplotě je absorpce vody menší než 0,02 %, takže sušení není nutné. Recyklovaný materiál lze smíchat s novým materiálem až do 20 %, v závislosti na konečném použití produktu.
Tepelné chování a degradace PVC
Polyvinylchlorid má špatnou tepelnou stabilitu a odolnost vůči světlu. Při 150 °C se chlorovodík začíná rozkládat, a s obsahem změkčovadla dochází k nežádoucím reakcím. Některé složky v barvivu mohou podporovat degradaci pryskyřice, například ionty železa a zinku jsou katalyzátory pro degradační reakci PVC pryskyřice.
Pochopení tepelného chování podlahových krytin z PVC je nezbytné pro jejich optimální výkon, bezpečnost a životnost. Metody termické analýzy poskytují cenné poznatky o tepelných vlastnostech. Dodatečné propojení analyzátoru plynů s termickými analyzátory umožňuje charakterizovat nejen tepelné chování, ale také emisní profil podlahových krytin z PVC.
Čtěte také: Vše, co potřebujete vědět o zateplení fasády ETICS
Analýzou plynů během tepelné úpravy je možné zjistit, zda při zahřívání nedochází k vypouštění toxických nebo škodlivých látek, které mohou ovlivnit kvalitu ovzduší v interiéru a lidské zdraví.
Termická analýza a FT-IR
Kombinace termické analýzy a FT-IR (infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací) je v chemickém a farmaceutickém průmyslu zavedenou vyšetřovací metodou při výrobě polymerů. Od roku 1993 existuje spolupráce mezi NETZSCH-Gerätebau GmbH a Bruker Optics GmbH & Co. KG, které se neustále snaží o další rozvoj a zdokonalování svých produktů a řešení.
Tepelné vlastnosti polymerů
Pojem tepelné vlastnosti je poměrně široký a zahrnuje celou škálu charakteristik polymerů, neboť téměř všechny jejich vlastnosti jsou na teplotě značně závislé. Výběr polymerů pro konkrétní aplikace je omezen jejich teplotním rozsahem použitelnosti, kde si zachovávají své užitné vlastnosti.
Měření teplotní odolnosti
U plastů se pro stanovení míry jejich odolnosti zvýšeným teplotám používají dvě hlavní metody, které stanovují teplotu, při které materiály začínají rychle měknout. Tato teplota se označuje jako VST (Vicat Softening Temperature).
Vicat Softening Temperature (VST)
Při tomto testu je zkušební těleso (o tloušťce 3 mm až 6,5 mm) současně zahříváno předepsanou stálou rychlostí (50 °C/h nebo 120 °C/h). Tato metoda je určena výhradně pro termoplasty.
Teplota průhybu pod zatížením (HDT - Heat Deflection Temperature)
Při této metodě se stanovuje teplota, při které zkušební těleso dosáhne smluvního průhybu odpovídajícího přírůstku deformace v ohybu 0,2 %.
Teplota tání
Dostupná metoda měření vzduchem v rozsahu 185-205 stupňů. Z nástřiku materiálu lze z UPVC poznat přesnou teplotu tavení.
Degradace polymeru
Zvýšením teploty dochází u polymerů k jejich měknutí a případně k tání (zesíťované polymery roztavit nelze). Degradace polymeru je nevratný proces a probíhá podle tří schémat:
- Depolymerace: Opačný proces k polymeraci, kdy se z makromolekuly odštěpují monomerní jednotky.
- Destrukce: Rozštěpení libovolné vazby v řetězci, odštěpování nízkomolekulárních látek.
- Degradační síťování: Převládá nad štěpnými reakcemi.
Například tepelného rozkladu POM nastává při teplotě cca 230 °C. Je velmi důležité nepřekračovat teplotu taveniny při zpracování POM, protože hrozí nebezpečí rozkladu polymeru za vzniku plynného formaldehydu, který silně dráždí sliznici.
Teplotní roztažnost
Teplotní roztažnost je jedna z nejvíce sledovaných vlastností polymerů, bývá totiž o řád vyšší než u kovů. Je příčinou jejich rozměrových i objemových změn způsobených změnou teploty. Hodnota se mění s typem a množstvím přísad. Koeficient délkové teplotní roztažnosti (α) se stanoví na základě počáteční délky zkušebního tělesa a jeho přírůstku v důsledku zvýšení teploty.
Tepelná vodivost
Tepelná vodivost je schopnost vést teplo. U polymerů je v porovnání s kovy nižší o 2-3 řády. To je důvodem, proč ohřev nebo ochlazování polymeru při zpracování vyžaduje relativně dlouhou dobu a tím ovlivňuje dobu celého výrobního cyklu. Polymery jsou proto výbornými tepelnými izolátory, zejména lehčené pěnové polymery.
Měrná tepelná kapacita
Měrná tepelná kapacita je množství tepla potřebné ke zvýšení teploty jednotkové hmotnosti látky o jeden stupeň Celsia. Její hodnota je závislá na teplotě a určuje se většinou při konstantním tlaku.
Hořlavost a přísady do PVC
Běžné polymery jsou organické látky, a tedy svojí povahou jsou více či méně hořlavé. Hoření polymeru začíná jeho tepelným rozkladem v žáru plamene, kdy vznikají monomery a rozkladné produkty, které mohou vzplanout. Polymery, které obsahují dostatečné množství nehořlavých prvků, přestávají po oddálení z plamene hořet (samozhášivé), nebo se jejich hořlavost snižuje speciálními přísadami, které nazýváme retardéry hoření.
Metody stanovení hořlavosti
Kyslíkové číslo (OI - Oxygen Index)
Stanovuje se minimální koncentrace kyslíku v atmosféře, při které vzorek hoří předepsaným způsobem. Zkušební těleso je upevněno ve svislé poloze v trubici, kterou proudí směs kyslíku a dusíku. Kyslíkové číslo (OI) lze stanovit při standardní i zvýšené teplotě okolí.
Metoda UL-94
Při této metodě se zapaluje zkušební těleso ve tvaru pravoúhlé tyče, které je na jednom konci upevněno ve svislé (UL-94V) nebo vodorovné (UL-94HB) poloze. Hořlavost se určuje na základě doby hoření, doby do samovolného zhasnutí plamene, ohořelé délky a odkapávání hořících částeček. Nejvyšší bezpečnost (odolnost vůči hoření) vykazuje u metody UL-94V polymer se stupněm hořlavosti V-0.
Přísady do plastů
Při zpracování PVC se používá celá řada přísad, které zlepšují jeho vlastnosti a usnadňují zpracování. K nim patří separační prostředky, stabilizátory, antistatické prostředky, retardéry hoření, barviva, nadouvadla a plniva.
Separační prostředky
Používají se pro lepší zatékavost plastů do nástrojů a snadnější vyjímání výrobků z nástrojů. Příklady zahrnují parafinické vosky, kovová mýdla a vyšší mastné estery a alkoholy. Koncentrace by měla být co nejnižší, aby neovlivnila jakost povrchu a mechanické vlastnosti. Lze využít i silikonové prostředky a PTFE.
Stabilizátory
Existují tepelné stabilizátory (proti tepelnému namáhání při zpracování) a světelné stabilizátory (proti UV záření). Jsou přidávány výrobcem, ale UV stabilizátory mohou být přidávány i zpracovatelem pro zvýšení životnosti výrobku. Aktivní saze jsou velmi dobrým stabilizátorem, zároveň zvyšují vodivost plastu.
Antistatické prostředky
Zvyšují vodivost plastů (snižují povrchový odpor z 1015-1016 Ω na 1011-1010 Ω). Pro speciální aplikace vodivých plastů (až 106-102 Ω) se používají aktivní saze nebo kovová vlákna.
Retardéry hoření
Používají se pro snížení hořlavosti plastů (dle UL 94 z hodnot HB na V1 až V0). Je nutné dodržovat maximální teplotu taveniny.
Barviva (pigmenty)
Existují pigmenty na bázi anorganických (dobrá tepelná odolnost, levné, ale problematické z hlediska zdravotní nezávadnosti) a organických sloučenin (nižší tepelná odolnost, zdravotně nezávadné, vyšší cena). Pro vyšší kvalitu probarvení se doporučují koncentráty s nižším obsahem pigmentu a vyšší zpětný tlak vstřikovacího stroje. Některé pigmenty mohou ovlivnit tepelnou stabilitu PVC.
Nadouvadla
Používají se k vytvoření pěnové struktury v plastu. Pracují na fyzikálním nebo chemickém principu, kdy se přidané nadouvadlo působením teploty rozloží na plyny, které způsobí nadouvání plastu. Je nutné, aby k rozkladu docházelo až v poslední zóně topného válce.
Plniva
Širší uplatnění mají anorganická plniva (drcená křída, vápenec, mramor, křemičitá moučka). Zvyšují tepelnou odolnost, E modul, vrubovou houževnatost, tuhost a v mnoha případech snižují cenu plastu. Nejčastěji se používá talek, který zvyšuje E modul, rázovou houževnatost a pevnost v ohybu. Některá plniva jsou hygroskopická a vyžadují předsoušení.
Tabulka: Tepelné vlastnosti běžných polymerů a dalších materiálů (Příklad)
Pro ilustraci jsou zde uvedeny příklady některých tepelných vlastností, které se měří a vyhodnocují u polymerů. Přesné hodnoty se liší v závislosti na konkrétním typu polymeru a přísadách.
| Vlastnost | PVC (obecné hodnoty) | Příklad kovu (měď) | Příklad izolantu (sklo) |
|---|---|---|---|
| Teplota skelného přechodu (Tg) | 77-90 °C | N/A (kovy nekrystalizují amorfně) | ~500-600 °C |
| Teplota tání (Tm) | Měkne od 80-85 °C | 1085 °C | N/A (amorfní) |
| Koeficient délkové teplotní roztažnosti (α) | ~5-8 x 10-5 K-1 | ~1.7 x 10-5 K-1 | ~0.8 x 10-5 K-1 |
| Tepelná vodivost (λ) | ~0.14-0.17 W/(m·K) | ~400 W/(m·K) | ~1.0 W/(m·K) |
| Měrná tepelná kapacita (c) | ~0.9-1.2 kJ/(kg·K) | ~0.385 kJ/(kg·K) | ~0.84 kJ/(kg·K) |
| Kyslíkové číslo (OI) | >26 (samozhášivý, s retardéry) | N/A (nehořlavý) | N/A (nehořlavý) |
Poznámka: Hodnoty jsou orientační a mohou se lišit v závislosti na konkrétním složení a výrobním procesu materiálu.
tags: #zahřívání #PVC #systémů