ПВХ
Поливинилхлорид - (ПВХ, полихлорвинил, винил, вестолит, хосталит, виннол, корвик, сикрон, джеон, ниппеон, сумилит, луковил, хелвик, норвик и др.) — бесцветная, прозрачная пластмасса, термопластичный полимер винилхлорида. Отличается химической стойкостью к щелочам, минеральным маслам, многим кислотам и растворителям. ПВХ поливинилхлорид не горит на воздухе, но обладает малой морозостойкостью (−15 °C).
Сегодня поливинилхлорид получают путем суспензионной полимеризации винилового хлорида, либо его полимеризацией в массе. Чаще всего ПВХ используется для изготовления электроизоляции кабелей, проводов, а также для производства труб и листов. В данном случае используется хлорированный поливинилхлорид. Также из ПВХ изготавливается искусственная кожа, специальное поливинилхлоридное волокно, пленки для натяжных потолков, а также линолеум и мебельные кромки.
Свойства ПВХ
Поливинилхлорид устойчив к действию влаги, кислот, щелочей, растворов солей, промышленных газов (например, NO2, Cl2), бензина, керосина, жиров, спиртов. Нерастворим в собственном мономере. Ограничено растворим в бензоле, ацетоне. Растворим в дихлорэтане, циклогексаноне, хлор- и нитробензоле. Физиологически безвреден
Чистый поливинилхлорид представляет собой роговидный материал, который трудно перерабатывается. Поэтому обычно его смешивают с пластификаторами. Свойства конечного продукта варьируются от жесткого до очень гибкого пластика в зависимости от процента добавленного пластификатора, который может достигать до 30% массы.
Сегодня наиболее известной и широкой сферой применения поливинилхлорида является изготовление профилей для современных дверей о окон.
Часто материал поливинилхлорид применяется в качестве имитации материала под натуральную кожу, так как он обладает необходимой гладкостью и блеском. Также ПВХ имеет широкое применение в производстве особенно сложных механических затворов.
Используемый в быту и в производстве поливинилхлорид не представляет особой опасности ни для здоровья человека, ни для окружающей среды. Самую большую опасность поливинилхлорид представляет в процессе своей утилизации. Следует отметить, что сама по себе утилизация поливинилхлорида представляет определенную сложность, так как при обычном способе – сжигании – поливинилхлорид выделяет токсичные соединения, наиболее опасными среди которых являются диоксины. Диоксины известны тем, что обладают способностью особым образом вписываться в рецепторы любых живых организмов и оказывать неблагоприятное влияние на их жизненные функции. Кроме того, диоксины подавляют иммунитет человека, и вмешиваются в процесс деления клеток, что является причиной возникновения онкологических заболеваний. Также диоксины оказывают влияние на работу эндокринной системы человека, а также в его репродуктивную систему. Для того, чтобы определить степень вреда диоксинов на организм человека, был выведен даже специальный термин – «химический СПИД», что связано, в первую очередь, с разрушительным влиянием этого вещества на иммунную систему человека.
Однако следует отметить, что только в 10 процентах случаев диоксины могут попасть в организм человека вместе с пылью и воздухом. Остальные 90 процентов – это попадание диоксинов в человеческий организм вместе с пищей и водой, через желудочно-кишечный тракт.
Получение
Получается суспензионной или эмульсионной полимеризацией винилхлорида, а также полимеризацией в массе.Поливинилхлорид получают радикальной полимеризацией винилхлорида в присутствии пероксидных или азоинициаторов. В промышленных условиях полимеризацию осуществляют в основном в суспензии (в водной среде), а также в массе и в эмульсии. Марочный состав определяется способом получения ПВХ, а также величиной средней молекулярной массы полимера, характеризуемой константой Фикентчера К, которая рассчитывается по относительной вязкости раствора полимера. У промышленных марок константа Фикентчера изменяется от 50 до 80.
Применение
Поливинилхлорид благодаря высокой погодостойкости, стойкости к агрессивным жидкостям, хорошим технологическим свойствам входит в первую тройку производителей пластических масс, фактически деля второе, третье место с полипропиленом.
Из ПВХ можно получать жесткие пластмассы на основе непластифицированного ПВХ (винипласт пленочный и листовой), мягкие пластмассы на основе пластифицированного ПВХ (пластикаты, пасты), пористые и пенистые пластмассы. Для приготовления паст преимущественно используется эмульсионный ПВХ.
Пластмассы на основе ПВХ применяются во всех областях народного хозяйства: для изготовления труб, профильных изделий, пленок, кабельных оболочек, линолеума, искусственной кожи и т.п.
Промышленное значение имеют также сополимеры винилхлорида с винилиденхлоридом, обладающие более высокой теплостойкостью, чем ПВХ; сополимеры винилхлорида с винилацетатом (винилит), имеющие повышенную эластичность и растворимость; сополимеры винилхлорида с метилметакрилатом (винипроз); сополимеры винилхлорида с метилакрилатом (хловинит), хлорированный поливинилхлорид (перхлорвинил) и др.
Из мягких марок суспензионного ПВХ производят кабельный и обувной пластикат, линолеум и искусственную кожу (вальцево – каландровым методом), мягкие пленки, отделочные мягкие профили, мягкие электроизоляционные трубы, литьевые изделия и пластифицированные листы.
Из жестких марок суспензионного ПВХ изготавливают жесткие профильные изделия (конструкционные профили, подоконники, жесткие трубы); мягкие профильно-погонажные изделия (стеновые панели, сайдинг, напольный плинтус, настенные кабель-каналы, оконные откосы); жесткие пленки и непластифицированные листы.
Применяется для электроизоляции проводов и кабелей, производства листов, труб (преимущественно хлорированный поливинилхлорид), пленок, пленок для натяжных потолков, искусственных кож, поливинилхлоридного волокна, пенополивинилхлорида, линолеума, обувных пластикатов, мебельной кромки и т. д. Также применяется для производства грампластинок (т. н. виниловых), профилей для изготовления окон и дверей.
Поливинилхлорид также часто используется в одежде и аксессуарах для создания подобного коже материала, отличающегося гладкостью и блеском. Такая одежда широко распространена в альтернативных направлениях моды, среди участников готической субкультуры и сторонников сексуального фетиша.
Поливинилхлорид используют как уплотнитель в бытовых холодильниках, вместо относительно сложных механических затворов. Это дало возможность применить магнитные затворы в виде намагниченных эластичных вставок, помещаемых в баллоне уплотнителя.
Поливинилхлорид перерабатывается всеми известными способами переработки пластмасс: экструзией, литьем под давлением, каландрированием, прессованием, вальцеванием – и является одним из наиболее распространённых пластиков. Мировой выпуск поливинилхлорида составляет 16,5% от общего выпуска пластмасс – третье место в мировой табели о рангах полимерных материалов.
Ассортимент изделий, выпускаемых на основе поливинилхлорида и продуктов его переработки – винипласта и пластиката, чрезвычайно высок. Они используются в электротехнической, лёгкой, пищевой промышленности, тяжёлом машиностроении, судостроении, сельском хозяйстве, медицине, в производстве стройматериалов.
Из поливинилхлорида может быть получен широкий спектр пленок с различными свойствами за счет варьирования состава и степени ориентации. Изменения в составе, главным образом, введение пластификатора, позволяет получить пленки от твердых, хрупких до мягких, клейких, растяжимых. Изменяя степень ориентации, получают пленки от полностью одноосноориентированных до равнопрочных двухосноориентированных.
Пленки из ПВХ содержат стабилизаторы термической и термоокислительной деструкции, антистатическую добавку для предотвращения слипания за счет накопления статического электричества. Свойства пластифицированных поливинилхлоридных пленок зависят от природы и количества пластификатора. В целом увеличение содержания пластификатора увеличивает прозрачность и мягкость пленки, улучшая се свойства при низких температурах. Пластифицированные и непластифицированные ПВХ-пленки герметизируются высокочастотной сваркой. На оба типа пленок может быть нанесена печать без предварительной обработки поверхности в отличие от пленок из полипропилена и полиэтилена. Тонкие пленки из пластифицированного ПВХ широко используются как усадочные и растяжимые для заворачивания подносов и лотков с пищевыми продуктами, например со свежим мясом. Они должны обеспечить высокую кислородопроницаемость для сохранения пурпурного цвета свежего мяса. Толстые пленки из пластифицированного поливинилхлорида используются для производства упаковки для шампуня, смазочных масел. Благодаря прочности и легкой формуемости пленки из непластифицированного ПВХ и его сополимеров используют для термоформования различных изделий. Отличительным свойством материалов на основе сополимеров поливннилхлорида и поливинилиденхлорида (ПВДХ) является очень низкая паро- и газопроницаемость. ПВДХ-пленку часто используют как усадочную пленку для заворачивания птицы, ветчины, сыра. Использование для этих целей пленок из ПВДХ, обладающих низкой газопроницаемостью, диктуется необходимостью поддерживать вакуум для исключения возможности роста бактерий. Вакуумированные мешки ПВДХ используют также для созревания сыров. Применение ПВДХ при этом исключает дегидратацию и образование корки, позволяя получать более мягкие сыры. ПВДХ широко используется для покрытия различных подложек, таких, как бумага, целлофан, полипропилен.
Пластикат используют для изготовления изоляции и оболочек для электропроводов и кабелей, для производства шлангов, линолеума и плиток для полов, материалов для облицовки стен, обивки мебели, упаковки (в том числе для пищевых продуктов), для создания искусственной кожи, обуви. Прозрачные гибкие трубки из пластиката применяют в системах переливания крови и жизнеобеспечения в медицинской технике. Пластикат с повышенной теплостойкостью используется для производств волокна.
Свойства ПВХ-пластикатов
Поливинилхлоридный пластикат, применяемый в кабельной промышленности, представляет собой смесь поливинилхлоридной смолы (поливинилхлорида), получаемой полимеризацией хлористого винила (СН2=СНСl) с пластификаторами, стабилизаторами, наполнителями и другими компонентами.
Поливинилхлорид (ПВХ) – это высокомолекулярное соединение линейного строения, имеющее вид тонкодисперсного порошка. Молекулярная масса ПВХ 50000- 200000. Отсутствие двойных связей и наличие атомов хлора делает ПВХ стойким к кислотам и щелочам, а также озоностойким и негорючим материалом. В кабельных композициях ПВХ- пластикатов используют ПВХ суспензионной полимеризации, при которой полимер получается малоразветвленным с узким молекулярно-массовым распределением. Для кабельных пластикатов используют ПВХ, молекулярная масса которого 60000-100000.
При добавлении к поливинилхлоридной смоле пластификаторов, стабилизаторов и других компонентов повышаются ее физико-механические и технологические свойства, но снижаются диэлектрические свойства ПВХ- пластиката.
Поливинилхлоридные пластикаты, применяемые в кабельной промышленности, по своим свойствам и предъявляемым к ним требованиям можно разделить на три основные группы: изоляционные, обладающие высокими электрическими характеристиками в диапазоне рабочих температур; шланговые, защищающие основные конструктивные элементы кабеля от воздействия внешней среды; полупроводящие, занимающие по своим электрическим характеристикам промежуточное место между диэлектриком и проводником. Физико-механические характеристики ПВХ- пластикатов в основном определяются процентным содержанием в рецептуре пластификаторов.
Относительного удлинения ПВХ- пластиката при разрыве зависит от содержания пластификатора. Максимальное относительное удлинение получают при содержании 45-70 мас. ч. пластификатора. Количество и рецептура пластификатора также существенно влияют на удельное объемное электрическое сопротивление ρυ ПВХ- пластиката. С увеличением процентного содержания пластификатора ρυ ПВХ- пластиката уменьшается, так как ПВХ имеет ρυ=1015-1016 Ом∙км, а пластификаторы ρυ=1012-1014 Ом∙км. Поэтому в изоляционных рецептурах количество пластификатора не должно быть более 40-45%, так как при его увеличении ρυ ПВХ- пластиката будет 1∙1017Ом∙км, то есть меньше, чем требует стандарт.
ГОСТ 5960–72 «Пластикат поливинилхлоридный для изоляции и защитных оболочек проводов и кабелей» регламентирует основные параметры наиболее распространенных марок пластиката, каждой из которых присвоено условное обозначение, состоящее из букв и цифр. Первая (или две) буква марки обозначает область применения и тип пластиката: И– изоляционный, О– для оболочек (шланговый), ИО– для изоляции и оболочек.
Для изоляционного пластиката две цифры, следующие за буквами, характеризуют температуру хрупкости, а цифры, стоящие за ними (после дефиса), являются показателем степени удельного объемного электрического сопротивления данной марки (например, И40-14). При обозначении шланговых пластикатов температура хрупкости указывается через дефис после букв (например, 0-40).
Специальные свойства пластиката обозначаются стоящими после буквы И или О одной или несколькими начальными буквами слова, характеризующими дополнительное свойство данной рецептуры. Например, пластикат повышенной нагревостойкости, называемый «изоляционный термостойкий», обозначается ИТ-105 (через дефис указана максимальная рабочая температура).
В технологической документации на изготовление кабелей и проводов, как правило, указывают не только марку, но и номер рецептуры ПВХ-пластиката. Это позволяет более полно использовать его свойства. Например, широко известные рецептуры 251 и 230 согласно ГОСТ 5960–72 относятся к одной марке изоляционного пластиката И 40-13 и имеют одинаковые нормы на физико-механические и электрические характеристики. Рассматриваемые рецептуры отличаются друг от друга типом пластификатора. Пластикат рецептуры 251 содержит диоктилфталат (ДОФ) и получается менее энергоемким при переработке, что позволяет накладывать изоляцию при больших скоростях. Пластикат рецептуры 230 содержит диалкилфталат (ДАФ) обладает высоким удельным объемным электрическим сопротивлением и является тропикостойким (на нем практически не развиваются грибки и плесень).
Шланговые рецептуры 239 и 288 пластика марки 0-40 изготовляют с применением различных фталатных пластификаторов. Диалкилфталат 239 делает ПВХ-пластикат более тропикостойким, чем пластикат 288.
Наличие в ПВХ-пластикате различных пластификаторов делает зависимость механических, электрических и других характеристик от температуры более выраженной и сложной, чем поливинилхлоридной смолы.
Снижение удельного объемного электрического сопротивления ПВХ-пластиката различных рецептур при повышении температуры учтено в стандарте и контролируется при 20 и 70°С.
Поливинилхлоридный пластикат широко применяют для изоляции установочных, монтажных и специальных проводов, в силовых кабелях на напряжение 1-6 кВ и контрольных кабелях.
В шланговый пластикат, кроме основного пластификатора, добавляют 15-20% трикрезилфосфата, который повышает стойкость ПВХ-пластиката к горению. Увеличение пластифицирующей группы до 50-60% приводит к увеличению относительного удлинения при разрыве и снижению прочности на разрыв всех шланговых пластикатов.
Поскольку с повышением температуры резко возрастают значения ε и tgδ, ПВХ-пластикат невозможно широко применять в высоковольтных силовых кабелях на напряжение более 10 кВ и в качестве изоляции в кабелях связи.
Для создания холодостойких пластикатов марок 0-50, 0-55 и ОМБ-60 с температурой хрупкости минус – 50 минус 60°С используют 60–70% пластификатора (диоктилсебационат или диизодециадипинат), но при этом прочность на разрыв снижается до 11, а иногда до 10 МПа.
Полупроводящий ПВХ-пластикат необходим для выравнивания электрического поля и уменьшения интенсивности ионизации высоковольтных кабелей и проводов, а также для экранов гибких шахтных кабелей.
Особенностью таких пластикатов является снижение значений ρυ до 102-104 Ом∙см и менее за счет введения в рецептуру большого количества наполнителей (сажи, графита и порошков металлов).
Длительное воздействие температуры солнечных лучей и различных сред приводит к необратимым изменениям свойств пластикатов, называемых старением материала, которое оценивают снижением механических свойств и температурой хрупкости после определенных сроков выдержки их при различных температурах.
Различают тепловое, световое и другие виды старения. Если ПВХ- пластикат находится в воде, бензине, масле или другой среде, процесс его старения вызывается в основном вымыванием пластификатора и стабилизаторов.
Тепловое старение ПВХ- пластиката происходит из-за улетучивания пластификатора, в результате чего теряется эластичность пластиката и снижается его холодостойкость. Кроме того, под воздействием повышенной температуры происходят интенсивное окисление и деструкция смолы.
Во все кабельные ПВХ- пластикаты вводят стабилизаторы,. предотвращающие деструкцию материала в процессе его переработки и эксплуатации кабельных изделий. В шланговых кабельных пластикатах стабилизирующая группа, как правило, более эффективна, чем в изоляционных.
Процессы старения в пластикате, как и во многих других материалах, значительно ускоряются при попадании на них солнечных лучей. Это объясняется тем, что под воздействием солнечных лучей, в основном ультрафиолетового спектра, процессы окисления и деструкции происходят быстрее, чем под воздействием теплоты. Для придания ПВХ- пластикату (особенно шланговому) большей светостойкости в рецептуру вводят красители, которые, поглощая лучистую солнечную энергию, не дают ей проникать в толщу материала и сохраняют свойства пластиката. Наиболее эффективным пигментом, резко повышающим светостойкость материала, является сажа, вводимая в рецептуру в количестве 1-3%. Поливинилхлоридные пластикаты черного цвета обладают большей стойкостью к светостарению, чем темно-синего, красного, зеленого и других более светлых тонов.
Так как для светостойкости важен цвет, дисперсность и равномерность распределения красителя в массе пластиката, шланговые ПВХ- пластикаты поступают на кабельные заводы, как правило, в виде гранул черного и синего цветов. Чем равномерней распределение красителя, тем больше светостойкость материала.
На заводах химической промышленности для равномерного распределения красителя его тщательно перемешивают с пластикатом.
Для изоляционных марок допускается поставка гранул ПВХ- пластиката натурального цвета, а для окраски изоляции в экструдер добавляют 2-3% концентрированно окрашенных гранул. В этом случае контроль осуществляют по цвету, так как светостойкость изоляционного материала не имеет существенного значения.
При внедрении поточных автоматических линий на кабельных заводах учитывают не только физико-механические и диэлектрические свойства ПВХ- пластиката, но и его технологические свойства. Производительность одного и того же экструдера колеблется в пределах 20-30% в зависимости от рецептуры и технологических свойств пластиката. Проверку технологических свойств ПВХ- пластиката производят на экструдере диаметром червяка 32-60 мм. Для испытаний в головке экструдера применяют «глухой» дорн и матрицу, диаметр которой для изоляционного пластиката должен быть равен 2 мм, а для шлангового– 5 мм.