Polyvinylchlorid (PVC) se řadí mezi komoditní termoplasty a díky svým vlastnostem a ceně se v hojné míře aplikuje ve stavebnictví a v obalech. Umístil se na třetí místo ve spotřebě plastů za polyetylen a polypropylen. Od výrobců PVC jej získávají zpracovatelé ve formě bílého prášku nebo granulí.
PVC je široce používaný syntetický plast, který hraje důležitou roli v mnoha oblastech. Je to produkt polymerizace vinylchloridu, obvykle známého pod svým počátečním VCM agregací. Polymery, jako je PVC, na druhé straně, prostřednictvím polymerace monomeru, jsou pevné a chemické stability materiálu, takže neovlivňují lidské zdraví.
Historie a vývoj PVC
PVC byl náhodně objeven v roce 1872 německým chemikem Baumannem. V roce 1913 byl udělen Fritzi Klattemu z Německa první patent na výrobu polyvinylchloridu (PVC). Waldo Semon z USA objevil v roce 1926 způsob modifikací vlastností PVC pomocí změkčovadel. První poloprovozní výroba PVC byla zahájena u IG Farben v Německu v roce 1934. Obchodní název pro PVC - Igelit - se následně stal synonymem názvu pro fólie a výrobky z nich, včetně fólií z později objevených polyetylenů a polypropylenů.
Ještě v roce 1950 se na celém světě spotřebovalo 220 000 tun PVC, v roce 2019 to bylo jenom v Evropě 5,1 mil. tun, což představovalo 10 % podíl na celkové evropské spotřebě plastů ve výši 50,7 mil. tun. Podle prognózy Ceresany má světová spotřeba PVC v roce 2030 vzrůst na více než 70 mil. tun. Ve spotřebě zaujímá PVC třetí místo za vedoucím polyetylenem a druhým v pořadí polypropylenem.
V zemích bývalého Československa se začalo s průmyslovým zpracováním PVC v roce 1940 ve Fatře Napajedla. Výroba PVC emulzní polymerací vinylchloridu byla zahájena v roce 1951 ve slovenské chemičce v Novákách. Velkokapacitní výroba suspenzní polymerizací byla zahájena v roce 1975 ve Spolaně Neratovice.
Čtěte také: Montáž chemické kotvy krok za krokem
Výrobní proces PVC
Výrobní proces PVC je rozdělen hlavně do metody karbidu vápenatého a metody ethylenu. PVC se vyrábí suspenzní (podíl 86 %) nebo emulzní (14 %) polymerizací monomeru vinylchloridu.
1. Příprava surovin
Výroba PVC začíná syntézou monomeru vinylchloridu (VCM), které je dosaženo reakcí ethylenu, chloru a kyslíku na katalyzátoru. Vinylchlorid se vyrábí chlorací etylenu a pyrolýzou etylendichloridu (EDC). VCM, surovina pro PVC, je plyn při teplotě okolí, ale obvykle se skladuje jako kapalina pod tlakem. Hlavní složkou je polyvinylchloridová pryskyřice, bílý prášek získaný z ethylenu a chloru.
Termickým krakováním nafty nebo zemního plynu vyrábí základní petrochemický průmysl mimo jiné etylen a propylen. Naftu dodává hlavně ropný rafinérský průmysl, který jako surovinu používá ropu.
V první fázi výrobního procesu PVC se ethylen a chlór spojují za vzniku ethylendichloridu uprostřed produktu; Poté se přemění na vinylchlorid, základní stavební kámen polyvinylchloridu nebo PVC.
Pro zlepšení vlastností konečného produktu se přidávají také přísady, jako jsou stabilizátory, změkčovadla a maziva. 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.
Čtěte také: Suchý beton – návod
2. Polymerizace
Po generování VCM je odeslán do polymeračního reaktoru, kde podléhá polymeraci volných radikálů pod působením polymerizačních katalyzátorů a tepelné energie. VCM je poté přeměněn na PVC prostřednictvím polymeračního procesu, kde jsou monomery chemicky spojeny dohromady za vzniku dlouhých řetězců. To lze provést buď suspenzními, emulzními nebo hmotovými polymeračními technikami, v závislosti na požadovaných vlastnostech konečného produktu. "Agregační" proces spojí a vytvoří řetězec molekul PVC vinylchloridu. Takto vyrobené PVC je ve formě bílého prášku.
3. Míchání a smíchávání
Suroviny procházejí pečlivým procesem míchání a smíchávání. PVC pryskyřice, přísady a pigmenty se pečlivě mísí v přesných poměrech pomocí vysokorychlostních míchadel. Tato homogenní směs se poté extruduje do jednotné hmoty. PVC pryskyřice, stabilizátory, změkčovače, plniva atd. jsou po sušení rozdrceny na jednotnou velikost částic, aby se usnadnilo míchání a vytlačování.
4. Tvarování a vytlačování
Poté vstupuje do fáze formování. Metody formování zahrnují hlavně vytlačování, vstřikování a foukání lisování. Směsný PVC se poté přivádí do extrudéru, kde se roztaví a protlačí matricí, aby se vytvořil souvislý profil. Matrice určuje profil a průměr vyráběné trubky. Jak roztavená směs PVC prochází matricí, nabývá požadovaného tvaru a vystupuje jako souvislá trubka.
5. Chlazení a kalibrace
Extrudovaná PVC trubka je při výstupu z formy stále horká a tvárná. Pro ztuhnutí a nastavení rozměrů trubky prochází chladicí lázní nebo stříkací komorou. Tento rychlý proces ochlazování zajišťuje, že si trubka zachová svůj tvar a strukturální integritu.
6. Řezání a konečná úprava
Vychlazená PVC trubka se pomocí specializovaných pil nařeže na předem určené délky. Konce trubek se oříznou a zkosí, aby se vytvořily hladké a čisté hrany. V případě potřeby lze použít další konečné úpravy, jako je potisk nebo značení.
Čtěte také: Postup leštění betonu
7. Kontrola kvality
V průběhu celého výrobního procesu procházejí PVC trubky přísnými kontrolami kvality. Rozměrová přesnost, tloušťka stěny, odolnost proti tlaku a celková integrita jsou pečlivě testovány, aby byla zajištěna shoda s průmyslovými normami a specifikacemi zákazníků.
Typy a vlastnosti PVC
Z poměrně široké škály komerčních typů PVC jmenujeme dva základní typy:
- Měkčený (flexibilní) s hustotou 1,10 - 1,35 g/ cm3, ve kterém změkčovadla snižují krystalinitu a způsobují flexibilitu. Měkčené PVC (známé též jako novoplast®) je využíváno pro výrobky polotuhé až elastické - fólie (nesprávný obecný název „igelit“), ochranné rukavice, kabely, podlahové krytiny (nesprávný obecný název „linoleum“), hadice, dýchací masky, zdravotnické vaky apod.
- Neměkčený (tuhý) s hustotou 1,30 - 1,35 g/cm3. Neměkčené PVC (známé též jako novodur®) se využívá pro „tvrdé“ výrobky, u kterých je žádoucí tvarová stálost po celou dobu životnosti - jde o trubky, profily, desky, nádoby apod.
Oba typy jsou odolné nárazům, vodě, povětrnosti, řadě chemikálií a koroznímu prostředí. Polymer PVC je chemicky stabilní, neutrální a netoxický. Většina komerčních plastů je vyrobena z uhlíku a vodíku. PVC se liší tím, že obsahuje chlór (asi 57 procent hmotnosti) a uhlík a vodík. Přítomnost chlóru v molekulách činí PVC obzvláště všestranným, protože je kompatibilní s řadou dalších materiálů. Obsah chlóru také přispívá k tomu, že PVC zpomaluje hoření. Může být také použit jako "štítek" pro rozlišení systému automatického třídění PVC recyklace plastů.
Použití PVC
V Evropě nalézají hlavní uplatnění ve stavebnictví (37% podíl na trubky a potrubí, 20,3 % na profily, 17,3 % na desky a folie), zbývající množství nachází uplatnění v obalech a v lékařství. Hlavním aplikačním segmentem PVC je stavebnictví, zejména ve formě profilů - třetinový podíl, trubek s 26 % podílem, dále následují desky, folie, podlahoviny a kabely.
Díky všestrannosti PVC je vhodný pro širokou škálu aplikací, včetně:
- Stavba a konstrukce: PVC se používá v okenních profilech, dveřních rámech, obkladech, trubkách a kování kvůli své odolnosti a nízkým nárokům na údržbu.
- Izolace vodičů a kabelů: Díky elektrickým izolačním vlastnostem je PVC ideální pro použití jako izolace vodičů a kabelů v různých elektrických aplikacích.
- Zdravotnické prostředky: Sterilizované PVC se používá při výrobě zdravotnických prostředků, hadiček a obalů kvůli jeho kompatibilitě s lékařskými tekutinami a snadné sterilizaci.
- Osobní péče a móda: PVC se používá při výrobě oděvů, obuvi, zavazadel a dalších osobních doplňků, které nabízejí kombinaci stylu a funkčnosti.
- Balení: Pevné PVC fólie se často používají pro blistrové balení, které poskytují ochranu a viditelnost produktům vystaveným v maloobchodních regálech.
PVC formulace mohou být tvarovány různými technikami a jsou vyráběny do finálních forem produktu s velmi malou energií.
Ekologické a zdravotní aspekty
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.
Rizika během výroby
Při výrobě může do prostředí uniknout jak toxický prvek chlór, tak primární Vinylchlorid monomer, jenž je karcinogenem vyvolávajícím zvláštní typ rakoviny jater (angiosarkom). Výrobu polyvinylchloridu doprovází vznik dioxinů, které patří mezi rizikové toxické látky. 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. Mezi chlororganické sloučeniny patří mimo jiné nechvalně známé dioxiny a furany, polychlorované bifenyly (PCB), hexachlorbenzen, hexachloretan a hexachlorbutadien. Přítomnost chlóru v těchto látkách způsobuje, že jsou velmi toxické, téměř se neodbourávají z prostředí a snadno se akumulují v potravním řetězci.
Aditiva a jejich vliv
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. 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.
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.
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.
- Skládkování: Při skládkování se z PVC uvolňují nebezpečné ftaláty a těžké kovy.
- Spalování: 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. Nicméně, téměř úplná recyklovatelnost odpadů, vzniklých z termoplastického PVC, je velmi přínosná.
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.
Zajímavé srovnání ekologických bilancí různých obalových materiálů nabízí holandská studie z roku 1991. 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. Následující tabulka ukazuje souhrnné vyhodnocení obalových materiálů podle jejich vlivu na životní prostředí:
| Kategorie | Materiály |
|---|---|
| Ekologicky šetrné | Papír, lepenka, sklo, PE, PP, PET |
| Střední ekologický dopad | PS, PC |
| Závažný ekologický dopad | Hliník, PVC |
V případě PVC bylo zejména přihlíženo k problémům s toxicitou, bezpečností práce a problémy s uvolňováním chlorovodíku při spalování.
Univerzita v Tuftu publikovala zprávu, která vypočítává náklady, jenž by musely být vynaloženy k úplné náhradě PVC. 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.
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. 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 fólie, 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.