Polyvinylchlorid, neboli také PVC, je v současné době třetím nejvíce používaným plastem. Podle údajů z roku 2002 bylo celosvětově vyprodukováno přibližně 27 milionů tun tohoto polymeru [1]. Protože PVC nachází své uplatnění při výrobě celé řady spotřebních produktů - hračkami počínaje a stavebním materiálem konče - můžeme se s ním setkat prakticky na každém kroku. Úspěch PVC na světovém trhu je vedle některých vhodných technologických vlastností zajištěn zejména jeho relativně nízkou cenou a šikovnou marketingovou strategií jeho výrobců.
PVC má bohužel ale také svou stinnou stránku, o které se ví již méně. Výroba, používání i konečná likvidace tohoto polymeru je totiž spojena s celou řadou rizik, která mají značné dopady na životní prostředí a ačkoliv to nemusí být vždy na první pohled zřejmé, tak i na lidské zdraví. Účelem této zprávy je upozornit na četná negativa, která musejí být při používání PVC uvážena, a současně také zmínit možné alternativy, jak tento plast nahradit ekologicky šetrnějšími variantami, aniž by došlo k závažnému navýšení nákladů.
Historie a obecné vlastnosti 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. 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, proto se z počátku 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.
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.
Čtěte také: Použití šamotových cihel v praxi
Charakteristika polyvinylchloridu PVC
Polyvinylchlorid dnes pro svou levnou výrobu 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.
PVC-U, někdy také označované jako tuhé PVC, je polyvinylchlorid bez přídavku změkčovadla. Písmeno U znamená neplastifikovaný. 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.
Vlastnosti PVC-U
- Teplota přechodu skla: 80 až 90 °C
- Teplota rozkladu: 285 až 315 / 460 až 475 °C
- Youngův modul: 2700 až 3000 MPa
- Koeficient lineární tepelné roztažnosti: 60 až 80 *10-6/K (popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě)
- Měrná tepelná kapacita: 0.84 až 1,17 J/(g*K) (fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty)
- Tepelná vodivost: 0.13 až 0,29 W/(m*K) (popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu)
- Hustota: 1.38 až 1,55 g/cm³ (definována jako poměr mezi hmotností a objemem)
- Morfologie: Amorfní termoplast
Obecné vlastnosti
- Vysoká mechanická stabilita, tuhost a tvrdost
- Dobrá chemická odolnost
- Dobré elektrické a izolační vlastnosti
- Nízký sklon k praskání pod napětím
- Dobrá odolnost proti povětrnostním vlivům
- Nízká absorpce vlhkosti
Zpracování
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. Metody zpracování zahrnují vytlačování, vstřikování, vyfukování, kalandrování, odstraňování třísek.
Aplikace
Stavebnictví (např. trubky, profily, podlahoviny, okenní rámy), elektrotechnika (izolace kabelů), obalové materiály, zdravotnictví (infuzní vaky, hadičky).
Odolnost polyvinylchloridu v různých prostředích a teplotách
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.
Čtěte také: Použití bílého cementu v praxi
Environmentální a zdravotní rizika PVC
Životním cyklem míníme jednotlivé fáze, kterými materiál prochází, a to od své výroby až po konečné odstranění. V případě PVC se po celou dobu jeho životního cyklu setkáváme s mnoha ekologickými a zdravotními problémy. Hlavní příčinou je zde především velké množství chlóru, které je v něm obsaženo [2]. Chlór dokáže velmi dobře reagovat s atomy uhlíku, které jsou hlavním stavebním kamenem všech živých organismů a podílí se např. na tvorbě molekul DNA, cukrů, proteinů nebo hormonů. Prostřednictvím těchto reakcí může chlór pozměňovat původní molekuly a ovlivňovat jejich funkci.
Výroba chlóru a PVC
Další problém, který se týká chlóru, spočívá v tom, že velká část jeho evropské produkce je založena na amalgámové elektrolýze. Tato metoda je přitom považována za nejhorší technologický postup při výrobě chlóru a alkalických hydroxidů, protože v důsledku provozování amalgámové technologie dochází k emisím velmi toxických látek jako rtuti a dioxinů do životního prostředí. Rtuť je například známá tím, že poškozuje nervovou soustavu, trávicí trakt. Dioxiny patří mezi jedny z nejnebezpečnějších látek vůbec, například způsobují poruchy imunitního, hormonálního a reprodukčního systému a některé jsou karcinogenní.
Rovněž meziprodukty samotné výroby PVC - ethylendichlorid (EDC) a vinylchlorid monomer (VCM) - jsou velice nebezpečné a toxické chemikálie. Chlór a výše zmíněné suroviny (EDC a VCM) způsobují, že při výrobě PVC vzniká velké množství chlororganických sloučenin jakožto vedlejších produktů. Ke vzniku těchto látek dochází také při spalování odpadu s obsahem PVC. Mezi chlororganické sloučeniny patří mimo jiné nechvalně známé dioxiny a furany, polychlorované bifenyly (PCB), hexachlorbenzen, hexachloretan a hexachlorbutadien [6]. Přítomnost chlóru v těchto látkách způsobuje, že jsou velmi toxické, téměř se neodbourávají z prostředí a snadno se akumulují v potravním řetězci.
Aditiva v PVC a jejich rizika
Polyvinylchlorid je ve svém surovém stavu velmi křehká a nepružná hmota a aby bylo dosaženo požadovaných mechanických vlastností, které se odvíjejí od způsobu jeho použití, musí se do něj přidávat mnoho přísad, které rovněž často bývají problematické z ekologického i zdravotního hlediska. Tyto přísady přitom mnohdy tvoří 40-70% finálního produktu a protože nejsou v PVC pevně chemicky vázány, mohou se z PVC uvolňovat po celou dobu jeho existence [7].
Stabilizátory
Ačkoliv čisté PVC je mechanicky pevný materiál, dobře odolný počasí, vodě a chemikáliím, je relativně nestálý vůči teplu a světlu. Teplo a ultrafialové záření vede ke ztrátě chlóru ve formě chlorovodíku. Tomuto je možné zabránit pomocí přídavku stabilizátoru, které se liší dle účelu použití PVC. Stabilizátory se často skládají ze solí a kovů jako je olovo, barium, vápník, kadmium nebo organické látky. Například o olovu je dobře známo, že nepříznivě ovlivňuje vývoj nervové soustavy [9] a kadmium mimo jiné zvyšuje riziko výskytu rakoviny a způsobuje poškození ledvin [10]. Organické stabilizátory (např. tributyltin, tetrabutyltin, monooctyltin, dioctyltin) začaly být používány, aby nahradily stabilizátory na bázi těžkých kovů. Nicméně i v tomto případě přetrvávají obavy týkající se jejich nepříznivého vlivu na lidské zdraví.
Čtěte také: Použití červeného sádrokartonu
Změkčovadla (plastifikátory)
Pro zvýšení pružnosti PVC se přidávají složky s nízkou molekulární vahou, které se smíchají se základní polymerovou hmotou. Přidání tak zvaných plastifikátorů (změkčovadel) v různých množstvích vytváří materiály s důležitými mnohostrannými vlastnostmi, které umožňují použití PVC v širokém rozsahu. Hlavní typy používaných změkčovadel jsou estery organických kyselin, hlavně ftaláty a adipáty [13]. Ftaláty představují skupinu asi 40 látek, přičemž nejčastěji se používá DEHP (di-2-ethyl-hexylftalát). Některé ftaláty působí nepříznivě na vývoj mužských reprodukčních orgánů a jsou toxické pro testikulární buňky, které zajišťují normální produkci hormonů a spermií [14]. Nezanedbatelné jsou také jejich účinky na játra, ledviny, plíce a na srážlivost krve.
Negativní účinky adipátů na lidské zdraví a životní prostředí se v současné době důsledně zkoumají. Např. americká „Agency for Toxic Substancec and Disease Registry“ (Agentura pro registraci toxických látek a nemocí) zařadila di(2-ethylhexyl)adipát, neboli DEHA na „Priority List of Hazardous Substances“. DEHA se používá jako změkčovadlo pro PVC, ze kterého se vyrábí některé obalové materiály používané i na potraviny. Takto měkčený druh PVC se používá na obalové materiály pro potraviny i v České republice.
Rizika používání PVC v obalech na potraviny
Ačkoliv je množství PVC určeného pro balení potravin v porovnání s celkovou produkcí tohoto polymeru relativně malé, z hlediska možných vlivů na lidské zdraví se jedná o velmi citlivou oblast. Je to dáno tím, že PVC obsahuje mnoho přísad, které v něm nejsou pevně chemicky vázány, a proto se mohou z obalového materiálu uvolňovat, což může při styku s potravinami představovat vážný problém. Z tohoto hlediska jsou nejdiskutovanější zejména pružné PVC obaly, které obsahují velké množství změkčovadel.
Asi nejvíce používaným změkčovadlem pro výrobu potravinových PVC obalů je v současné době adipát DEHA. Zvýšená obezřetnost by měla být přijata zejména v případě balení potravin s vyšším obsahem tuku, do kterých DEHA velmi dobře přechází, přičemž množství uvolněného změkčovadla do velké míry závisí na době, po kterou byly potraviny s obalem ve styku a také na teplotě. Vliv DEHA na lidské zdraví není jednoduché posoudit, existují však některé studie, které testovaly vliv DEHA na laboratorních zvířatech. Například výzkum provedený ICI Chemical Corporation v roce 1998 odhalil spojitost tohoto změkčovadla s výskytem vývojových abnormalit u hlodavců [15].
V minulých letech byla na různých místech světa prováděna měření, která se zabývala migrací změkčovadel z obalů do potravin a v některých případech byl zaznamenán značně vysoký obsah těchto látek. Například v Británii byl v roce 1987 zjištěn maximální denní příjem DEHA přibližně 16 mg [17], což je pro porovnání hodnota vyšší, než je denní příjem vitaminu C u některých lidí. Když bylo používání tohoto změkčovadla ve Velké Británii omezeno, jeho maximální denní příjem se znatelně snížil. Nicméně byl pro změnu pozorován zvýšený příjem změkčovadla ATBC, jež bylo použito pro náhradu DEHA [17]. Je tedy zřejmé, že přidávání jiného změkčovadla, často s nedostatečně prozkoumanými účinky na lidské zdraví, problém neřeší.
Silnou diskusi na téma používání DEHA v potravinových obalech také rozpoutala zpráva Unie spotřebitelů [18], která si nechala otestovat několik druhů potravin balených v PVC na přítomnost tohoto změkčovadla. Například v České republice se problematikou PVC zabývá například sdružení Arnika, které si nechalo zanalyzovat několik náhodně vybraných PVC obalů na výskyt 4-nonylfenolu - látky, která je známa svým vlivem na funkci endokrinního systému. Výsledek byl takový, že ve 4 případech z 10 byla tato látka zjištěna a to i přesto, že podle platné legislativy by se v materiálech, které se dostávají do styku s potravinami neměla vůbec vyskytovat. Nejvyšší naměřené množství v jednom z obalů přitom přesáhlo hodnotu 1600 mg/kg [20].
Likvidace PVC odpadu
Na konci životního cyklu PVC, když se tento plast stane odpadem, nastává další problém, a to jak jej bezpečně zlikvidovat. Vzhledem k obsahu některých látek (těžkých kovů, ftalátů atd.) by mělo být řazeno mezi nebezpečný odpad. Tak tomu ale v praxi není a PVC končí jako odpad komunální nebo v nádobách na plasty. Komunální odpad je v České republice nejčastěji skládkován a spalován. Ani jedno z těchto řešení není bezpečné. Při skládkování se z PVC uvolňují nebezpečné ftaláty a těžké kovy. Spalování je vůbec nejhorším způsobem likvidace PVC, protože se uvolňují nebezpečné látky jako chlorovodík a dioxiny. Během hoření se rovněž uvolňují těžké kovy. Bylo zjištěno, že spálením 1 kg PVC v EU vzniká průměrně 0,8 - 1,4 kg nebezpečných odpadů jako důsledek neutralizace kyseliny chlorovodíkové, která vzniká z chlorovodíku, zásaditými činidly. PVC se pro svoje vlastnosti nehodí ani do směsného plastu určeného k recyklaci, protože negativně ovlivňuje jeho vlastnosti.
Alternativy k PVC
Náhrada PVC bezpečnějšími alternativami, s výrazně menšími dopady na životní prostředí, je v současné době zcela reálná a to i bez nebezpečí zásadního vzrůstu nákladů. Hlavní výhodou alternativních materiálů ve srovnání s PVC je mnohem nižší riziko výskytu nebezpečných látek v průběhu jejich výroby i finální likvidace. Ve většině případů u nich nehrozí vznik chlorovaných meziproduktů.
Také mezi plasty, které se dnes používají, existují značné rozdíly v míře, jakou zatěžují životní prostředí. Jiná analýza provedená Národní agenturou ochrany životního prostředí v Dánsku, v níž byly porovnávány nejčastěji používané plasty, tj. PVC, PE, PP, PS a PET, ukázala, že PVC se nachází v popředí seznamu plastů, které životní prostředí zatěžují nejvíce [22]. Zajímavé srovnání ekologických bilancí různých obalových materiálů nabízí také holandská studie z roku 1991 [23]. Používané materiály byly hodnoceny na základě několika kritérií, jako je spotřeba energie, obnovitelnost surovinových zdrojů, znečištění ovzduší vody a půdy, recyklovatelnost, produkce pevných odpadů, nepříznivé vlivy na ekosystémy a charakter krajiny a bezpečnost a toxicita. Na základě výsledků analýzy ekologické bilance byly jednotlivé běžně používané obalové materiály rozděleny do tří skupin a to na ekologicky šetrné (papír, lepenka, sklo a z plastů PE, PP a PET), následovala střední skupina byl z plastů zahrnut PS a PC, a jako materiály se závažným ekologickým dopadem byly hodnoceny hliník a z plastů PVC. V případě PVC bylo zejména přihlíženo k problémům s toxicitou, bezpečností práce a problémy s uvolňováním chlorovodíku při spalování.
| Materiál | Spotřeba energie | Obnovitelnost surovin | Znečištění ovzduší | Znečištění vody | Znečištění půdy | Recyklovatelnost | Produkce pevných odpadů | Vlivy na ekosystémy | Bezpečnost a toxicita | Celkový dopad |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Papír | Střední | Vysoká | Střední | Střední | Nízká | Vysoká | Střední | Nízká | Nízká | Nízký |
| Lepenka | Střední | Vysoká | Střední | Střední | Nízká | Vysoká | Střední | Nízká | Nízká | Nízký |
| Sklo | Vysoká | Nízká | Střední | Nízká | Nízká | Vysoká | Nízká | Nízká | Nízká | Nízký |
| PE | Nízká | Nízká | Nízká | Nízká | Nízká | Vysoká | Nízká | Nízká | Nízká | Nízký |
| PP | Nízká | Nízká | Nízká | Nízká | Nízká | Vysoká | Nízká | Nízká | Nízká | Nízký |
| PET | Střední | Nízká | Nízká | Nízká | Nízká | Vysoká | Nízká | Nízká | Nízká | Nízký |
| PS | Střední | Nízká | Střední | Střední | Střední | Střední | Střední | Střední | Střední | Střední |
| PC | Střední | Nízká | Střední | Střední | Střední | Střední | Střední | Střední | Střední | Střední |
| Hliník | Vysoká | Nízká | Vysoká | Střední | Vysoká | Vysoká | Střední | Střední | Střední | Závažný |
| PVC | Vysoká | Nízká | Vysoká | Vysoká | Vysoká | Nízká | Vysoká | Vysoká | Vysoká | Závažný |
Ekonomická stránka náhrady PVC
Vedle studií, které se zabývají porovnáváním ekologických dopadů různých materiálů, byly vytvořeny také některé propočty, které zkoumají možnosti náhrady PVC také z ekonomického hlediska. Univerzita v Tuftu publikovala zprávu, která vypočítává náklady, jenž by musely být vynaloženy k úplné náhradě PVC [24]. Ve studii se konstatuje, že náhrada PVC je dosažitelná a ekonomicky únosná, a dále poukazuje na to, že výhody PVC se v mnoha případech přeceňují a že PVC není ani výrazně levnější než mnohé alternativy, které navíc vykazují podobné, nebo i lepší užitné vlastnosti a současně jsou k dispozici prakticky ve všech případech, kde se dnes používá PVC. Přestože se stále setkáváme s tím, že cena alternativních materiálů je o něco málo vyšší, dá se očekávat, že jejich finanční náročnost bude klesat s tím, jak se jejich prodej bude rozšiřovat. V jiných případech jsou ceny alternativ již srovnatelné s PVC, a to pokud uvážíme dobu použitelnosti alternativního materiálu. Ekologická rizika PVC, které nejsou do jeho ceny v současné době bohužel započteny, pak tento plast staví do výrazně nevýhodného postavení ve srovnání s ostatními materiály.
Alternativy v obalech na potraviny
Pokud jde o obaly na potraviny, tak zde je náhrada PVC za jiné materiály bezesporu možná. Sdružení Arnika provádělo v průběhu několika posledních let monitoring zastoupení PVC obalů v některých českých supermarketech [25]. Z šetření vyplynulo, že obaly z PVC v současnosti používá jen omezená skupina dodavatelů, přičemž majoritu obalových materiálů tvoří plasty typu PE, PP, PET nebo PS. Nejčastěji používaným PVC obalem je smršťovací folie, která bývá používána zejména při balení masných výrobků. Tato fólie je nicméně dobře nahraditelná například fólií z PE, která je v současné době používána již mnoha výrobci. Méně měkčené PVC se také poměrně často používá při výrobě mističek a vaniček, v kterých bývají skladovány saláty, pomazánky apod. To, že většina dodavatelů nicméně již pro tyto účely běžně používá např. PS nebo PP, ukazuje na to, že i zde je výměna možná.
tags: #dielektricke #vlastnosti #pvc #informace