02632706060

با ما در تماس باشید

پی وی سی چیست؟ شناخت انواع و کاربردها

03 آبان 1400 ساعت 23:27

محصولات صنایع شیمیایی و پتروشیمی از مواد گوناگونی ساخته می‌شوند که هر کدام خواص و ویژگی‌های متفاوتی داشته تا نیازهای مصرف کننده را بر طرف کند؛ یکی از این مواد پی وی سی PVC است که در ساخت انواع مختلفی از محصولات بکار برده می‌شود.

در این مقاله با ساختار، کاربرد، انواع، نحوه تولید پی وی سی و... آشنا خواهید شد، با ما همراه باشید.

پی وی سی PVC چیست؟

پی وی سی  PVC مخفف پلی وینیل کلراید (poly vinyl chloride) است. ساختار شیمیایی و فیزیکی پلی وینیل کلراید  آن را به یک پلیمر منحصر به فرد در دنیای پلیمرها تبدیل کرده است. پی ‌وی ‌سی که یک ترموپلاستیک (گرما نرم) بوده که از پلیمریزاسیون رادیکال آزاد مونومر وینیل کلراید با وزن مولکولی‌های مختلف به دست می‌آید.

به طور کلی  PVC با وزن مولکولی و خواص مختلف وجود دارد که بسته به کاربرد نهایی توسط مصرف‌ کننده انتخاب می‌شوند.

ساختار PVC در شکل زیر نمایش داده شده است.

ساختار پی وی سی

 

عبارت پی وی سی معمولا وقتی استفاده می‌شود که منظور همو پلیمر وینیل کلراید باشد، اما همو پلیمر وینیل کلراید خود عضو گروه بزرگتر از پلاستیک ها بر پایه پلی ونیل کلراید (پلیمر وینیلی) بوده که شامل هموپلیمرهای ونیلی کلراید، کوپلیمر وینیل کلراید و... می‌باشد.

زمانی که پلیمر بر پایه پلی وینیل کلراید باشد ولی همو پلیمر وینیل کلراید نباشد، به جای عبارت PVC  معمولا از vinyl (وینیل) استفاده می‌شود که از جمله کاربردهای آن می‌توان به کفپوش وینیلی اشاره کرد. 

در شکل زیر ساختار هموپلیمر PVC  به صورت شماتیک نشان داده شده است.(در عمل همه زنجیره ها در پلیمر یکسان نیستند و شاخه های جانبی وجود دارد.)

زنجیره پی وی سی

تاریخچه (PVC)

وینیل هالید برای اولین بار در سال ۱۸۳۵ در آزمایشگاه توسط V. Regnault سنتز و جامد سفید و آمورف از در معرض قرار گرفتن آن در مقابل نور خورشید مشاهده شد.

در سال ۱۸۷۳ E. Baumann مشاهده کرد که در اثر در معرض قرار گرفتن وینیل کلراید ( که از واکنش دی کلرواتان و پتاس الکی حاصل شده بود) در مقابل نور خورشید یک پودر سفید حاصل می‌شود. همچنین در سال ۱۹۱۲ اولین پتنت PVC توسط Chemische Fabrik ثبت شده که در آن وینیل کلراید از واکنش استیلن و هیدروژن کلراید تهیه شده بود و واکنش پلیمریزاسیون مربوطه توسط نور خورشید انجام شده بود.

اولین روش تقریبا صنعتی برای تولید وینیل کلراید توسط شرکت آلمانی  I.G. Farbenindustrie که امروزه با نام شرکت  BASF شناخته می‌شود در سال ۱۹۱۶  توسعه داده شد.

در بین سال‌های ۱۹۲۸ تا ۱۹۳۰ PVC توجه بیشتری به خود جلب کرد و پتنت های مختلفی برای توسعه این پلیمر ارائه شد.

از جمله می‌توان به پتنت ارائه شده برای تولید کوپلیمر وینیل کلراید/وینیل استات توسط شرکت Du Pont-  پتنت ارائه شده توسط شرکت آمریکایی Ostromislensky  برای تولید وینیل هالیدها- پتنت تولید PVC  امولوسیون توسط شرکت BASF اشاره کرد.

اولین پی وی سی نرم با ترکیب نرم کننده phthalate esters توسط B. F. Goodrich   در سال ۱۹۳۰ سنتز شد. در همین سال روش پلیمریزاسیون سوسپانسیون پی وی سی توسط شرکت انگلیسی ICI ارائه شد.

اگر چه تا سال ۱۹۳۰ روش‌های مختلفی برای تولید PVC ارائه شده بود، اما این پلاستیک به علت پایداری حراراتی پایین پی وی سی  کاربرد تجاری چندانی نداشت؛ زیرا دمای فیوژن PVC از دمای تخریب آن بالاتر است و قبل از رسیدن به فیوژن دچار تخریب می‌شود.

این موضوع سبب شد تا کوپلیمر ونیلیل کلراید توسعه پیدا کند ( کوپلیمرها با وجود پایداری حرارتی کمتر امکان فرآیند شدن در دمای پایین تر را داشتند)،‌ اما با معرفی نرم کننده‌ پی وی سی و تهیه پی وی سی نرم امکان فرآیند PVC  در دمای قابل قبول فراهم گردید که این نقطه آغازی برای گسترش کاربردهای  PVCبود.

اولیه روش‌های تولید و فرآیند PVC بر اساس ماشین آلات تولید لاستیک بود از جمله می‌توان به روش کلندرینگ-اکستروژن- قالبگیری فشاری و روش‌های کامپاندیگ اشاره کرد.

 پی وی سی چه ساختاری دارد؟

PVC تجاری به عنوان یک پلیمر نیمه بلوری (آمورف) با درصد بلور ۸ تا ۱۰ درصد در نظرگرفته می‌شود. میزان بلورینگی پی وی سی با آنالیز X-ray  تعیین شده است که سایر آنالیزهای حرارتی از جمله DSC  نیز آنرا تایید کرده اند.

بلورینگی با نظم ساختاری پلیمر در ارتباط هست در واقع زنجیره‌های PVC ( یا به طور کلی هر پلیمری) اگر به صورت منظم کنار یکدیگر قرار بگیرند به آن ساختار بلوری و اگر به صورت نامنظم قرار بگیرند به آن ساختار آمورف گفته می‌شود.

بهتر است بدانید که دمای انتقال شیشه ای برای PVC در حدود ۸۰ تا ۸۴ درجه سانتی گراد می‌باشد. دانسیته پی وی سی  برای فاز کریستال ۱.۵۳۰ و برای فاز آمورف ۱.۳۳۷ گرم بر سانتی متر مکعب می‌باشد.

در جدول زیر برخی از خواص مهم PVC از جمله استحکام کششی، مقاومت ضربه، مقاومت فشاری، مدول خمشی، شیرینکیج (جمع شدگی) و دمای نرمی ویکات در پی وی سی نرم و سخت بررسی شده است.

 مقاله پیشنهادی: بررسی بیشتر خواص فیزیکی و مکانیکی pvc  و مقایسه آن با سایر پلیمرها (کلیک کنید)

خواص پی وی سی

نحوه تولید پی وی سی

 PVC ذاتا پلاستیکی سخت بوده و از پایداری حرارتی پایینی برخوردار است و عملا بدون استفاده از افزودنی‌ها قابل تولید نیست.

افزودنی ها به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند.

  • افزودنی اصلی: شامل استابلایزر، روان کننده، نرم کننده، اصلاح کننده ضربه، کمک فرآیند، پیگمنت، فیلر
  • افزودنی فرعی: شامل آنتی یو وی، براق کننده، آنتی اکسیدان، عامل فوم زا و...

این افزودنی‌ها ابتدا با پی وی سی در میکسرهای مخصوصی با هم ترکیب می‌شوند؛ به ترکیب حاصل کامپاند گفته می‌شود.(جهت مشاهده پکیج میکس و کامپاندسازی پی وی سی کلیک کنید.)

کامپاند می‌تواند مایع یا جامد باشد که در نهایت توسط فرآیندهای شکل دهی مختلفی از جمله اکستروژن، تزریق پلاستیک- کلندرینگ، اکستروژن دمشی و... به شکل محصول نهایی در می‌آید.

در شکل زیر فرآیند تولید به صورت کلی نشان داده شده است.

پلیمر پی وی سی چگونه تولید می‌شود؟

۸۰ درصد از کل حجم تولید به وسیله روش پلیمریزاسیون سوسپانسیونی، حدود ۱۰ درصد به روش امولوسیون و در حدود ۱۰ درصد نیز به روش پلیمریزاسیون بالک  تولید می‌شود.

روش دیگری به نام پلیمریزاسیون محلولی وجود دارد که از اهمیت کمتری برخوردار بوده و در موارد محدودی مثل تولید پوشش‌های پی وی سی استفاده می‌شود.

به طور کلی در پلیمریزاسیون PVC  ابتدا مونومر وینیل کلراید در اثر واکنش اتیلن و هیدروکلریک اسید تولید می‌شود؛ این مونومرها طی یک واکنش رادیکالی در حضور آغاز گر به یکدیگر متصل شده و پلیمر PVC را ایجاد می‌کنند.

در شکل زیر پلیمریزاسیون PVC به شکل شماتیک نشان داده شده است.

پلیمر رادیکالی پی وی سی

 

  • روش پلیمریزاسیون سوپانسیون

مونومر وینیل کلراید که در آب نا محلول است در فرآیند پلیمریزاسیون سوپانسیون با بهم زدن شدید در آب توزیع شده و به حالت سوسپانسیون در می‌آید.

آغازگرهای رادیکالی محلول در وینیل  کلراید مانند (azobisisobutyronitrile) شروع کننده واکنش خواهند بود. در این فرآیند از عوامل تعلیق (Suspending agents) همچون پلی وینیل الکل به میزان ۰.۰۵ تا ۰.۵ درصد جهت جلوگیری از اگلومره شده قطرات وینیل کلراید استفاده می‌شود.

در نهایت PVC  با اندازه ذرات ۵۰ تا ۲۰۰ میکرون حاصل شده که با نام S-PVC  شناخته می‌شود. شكل ظاهري محصول نهايي شبيه به "پاپ كورن" است كه شكل نامنظمي دارد و همين عدم نظم شرايط بهتري براي جذب نرم‌كننده‌ها و افزودني‌ها و هم‌چنين تشكيل آميزه پودري بهتر را فراهم مي‌كند.

  • پی وی سی میکروسوپانسیون

در صورتی که از ۰.۰۱ تا ۰.۰۳ درصد از امولوسیون کننده استفاده شود پراکندگی ذرات وینیل کلرات بهتر و در نتجیه ذرات ریز تری در حدود ۵ تا ۱۰ میکرون تشکیل می‌شود که ویژگی‌های مشابهی با PVC امولوسیون دارند.

این نوع که با نام MS-PVC  شناخته می‌شود خواص الکتریکی خوبی داشته و از جذب آب پایین و خلوص بالا برخوردار است. اندازه ذرات پایین و سطح صاف‌تر  باعث مي‌شود نرم كننده‌ها در دماي محيط جذب آن نشوند.

 

  • روش پلیمریزاسیون امولوسیون

این روش پلیمریزاسیون نسبت به روش‌های دیگر قدیمی‌تر است. در این روش سیستم شامل وینیل کلراید، آب، امولوسیون کننده ( با غلظت ۲ تا ۳ درصد) و آغازگار محلول در آب است که به دو صورت batch وcontinuous  انجام می‌شود.

در روش اول از حدود ۱ درصد امولوسیون کننده و در روش دوم بین ۲.۵ تا ۳.۵ درصد امولوسیون کننده استفاده می‌شود.

امولوسیون کننده ها در پلیمریزایسیون امولوسیون از نوع فعال سطحی بوده (الکیل سولفانات، نمک آمونیوم و اسیدهای چرب) که بعد از مرحله خشک کردن نیز در پی وی سی باقی می‌مانند؛ این فرآیند سبب ویژگی هایی مثل روان کنندگی و خواص آنتی استاتیک می‌شوند. اندازه ذرات PVC تولید شده در این روش در حدود ۱ تا ۲ میکرون است و با نام E-PVC شناخته می شود.

 

  • روش پلیمریزاسیون بالک

روش پلیمریزاسیون بالک بدون حضور آب و تنها شامل مونومر وینیل کلراید و آغازگر انجام می‌شود این روش تحت فشار(به دلیل اینکه مونومر VCM  به صورت مایع باشد) و در دمای ۴۰ تا ۷۰ درجه سانتی گراد که در طی دو مرحله و معمولا در یک راکتور عمودی و یک راکتور افقی مجهز به همزن و کندانسور انجام می‌شود.

پی وی سی تولید شده به این روش از شفافیت و درخشندگی بالا برخوردار است (M-PVC) که از نظر اندازه ذرات، شكل و كاربرد (البته بيشتر پي ‌وي‌ سي سخت) مشابه با S-PVC است. تفاوت اصلي اين دو روش توليد در اختلاف دانسيته است كه در وزن مولكولي يا پارامتر K برابر، دانسيته توده‌اي پي‌وي‌سي جرمي بالاتر از پي ‌وي ‌سي سوسپانسيوني دارد.

کاربرد پی وی سی

 

کاربردهای پی وی سی بر اساس نوع پلیمریزاسیون

انواع کاربردهای PVC را می‌توان به چند دسته کلی تقسیم کرد:

  • نرم (محصولاتی چون کابل، شلنگ، فیلم بسته بندی، زیره کفش، چرم مصنوعی، کفپوش، کیسه خون)
  • سخت (محصولاتی چون لوله، اتصالات، ورق، دیوارپوش، پروفیل در و پنجره، پروفیل فنی، داکت)
  • خمیر(اسباب بازی، روکش فلز)
  • لاتکس
  • محلولی

 

انواع گریدهای پی وی سی

با توجه به نوع و شرایط پلیمریزاسیون همه پی وی سی‌های تولید شده با یکدیگر یکسان نیستند. اندازه ذرات، طول زنجیره و میزان شاخه های جانبی و... بسته به نوع PVC متفاوت خواهد بود.

یکی از ویژگی های گرید پی وی سی K-value  یا شاخص k  است K-value .پی وی سی بسته به شرایط واکنش دارد و با افزایش دما و فشار پلیمریزاسیون، کاهش می‌یابد.

این شاخص نشان ‌دهنده وزن مولکولی می باشد. به بیان ساده می‌توان گفت با افزایش عدد k  فرایند پذیری سخت شده و سخت و سفتی افزایش می‌یابد بطوری که تقریبا در k-value بالای ۷۰ بدون استفاده از نرم کننده تولید PVC ممکن نیست.

این در حالی است که با کاهش عدد k فرآیند پذیری بهتر شده ولی برخی از خواص افت پیدا خواهند کرد. در شکل زیر ارتباط K-value  با وزن مولکولی PVC نشان داد شده است.

 

ارتباط وزن مولکولی با kvalue

 

 از نگاه صنعتی ۵۴k-value تا ۶۸ برای PVC سخت و ۷۰ تا ۷۴ برای  PVC نرم استفاده می‌شوند. در شکل زیر انواع کاربردهای PVC بر اساس k-value نشان داده شده است.

 مفهوم کد گریدهای مختلف که نشان دهنده نوع پلیمریزاسیون- ویسکوزیته و دانسیته PVC است در شکل زیر نشان داده شده است.

گریدهای پی وی سی

 

تولید محصولات

محصولات تولید شده از پی وی سی امروزه بسیار گسترده هستند. اولین محصولات تولیدی از PVC کفپوش‌ها، صفحه گرامافون و سیم و کابل بودند.

با توسعه افزودنی‌های مختلف برای PVC و همچنین روش‌های فرآیندی مختلف امروز محصولاتی بسیاری از جمله لوله آب، پروفیل در و پنجره، قطعات الکترونیکی، قطعات خودرو، لوازم ورزشی، لوازم بهداشتی و پزشکی، فیلم‌های بسته بندی غذا و دارو، رنگ ساختمانی‌، پوشش، چسب و... تولید شده که همگی از پی وی سی و سایر پلیمرهای وینیلی ساخته می‌شوند. 

انواع PVC بر اساس نوع محصول

به طور کلی PVC را می‌توان به روش‌های مختلفی دسته بندی کرد؛ یکی از این روش‌ها دسته بندی بر اساس کاربردی پی وی سی و خواص محصول نهایی است که بر مبنای میزان سختی و نرمی PVC می‌باشد.

در این روش PVC به  سه دسته نرم (PPVC)، نیمه سخت (semi-rigid PVC) و سخت (UPVC) تقسیم بندی می‌شود. در فرمولاسیون پی وی سی نرم نرم کننده‌ای وجود ندارد، پی وی سی نیمه ساخت می‌تواند تا حدود ۲۵ درصد نرم کننده داشته باشد و در پی وی سی نرم بیش از ۲۵ درصد نرم کننده وجود دارد.

البته این دسته بندی بسیار کیفی است، دسته بندی صحیح تر می‌‌تواند بر اساس مدول الانگیشن باشد. ( مدول الانگیشن برای PVC نیمه سخت بین ۷۰ تا ۷۰۰ مگاپاسکال و برای PVC نرم بیش از ۷۰۰ مگاپاسگال در نظر گرفته می‌شود.)

نکته: نوع دیگری از پی وی سی با مقاومت ضربه بالا (high impact resistance) وجود دارد که با نام IPVC نیز شناخته میشود.

در یک دسته بندی دیگر می توان PVC را از نوع شکل کامپاندیگ آن به کامپاندیگ -مایع و کامپاندیگ- جامد تقسیم بندی کرد. PVC نرم  و سخت که در بالا توضیح داده شده به روش کامپاندیگ جامد و PVC خمیری، PVC لاتکس و PVC محلول به روش کامپاندیگ  به روش کامپاندینگ مایع تقسیم بندی می‌شوند.

انواع دیگر پی وی سی

  • کوپلیمر پی وی سی

کشف و توسعه کوپلیمرهای PVC به همان سال‌های ابتدای معرفی آن بر می‌گردد.. به علت مشکلات فرآیند پذیری  PVC در سال‌های اولیه، کوپلیمرها با هدف برطرف کردن این مشکل و فرآیند پذیری بهتر توسعه داده شده‌اند. کوپلیمر زمانی حاصل می‌شود که در فرآیند پلیمریزاسیون بیش از یک نوع مونومر شرکت داشته باشند.

به طور مثال زمانی که از مونومر وینیل کلراید و یک مونومر دیگر مانند وینیل استات به طور همزان در فرآیند پلیمریزاسیون استفاد شود یک کوپلیمر حاصل خواهد شد که کوپلیمر وینیل کلراید/وینیل استات نامیده می‌شوند.

اگر چه با معرفی گریدهای جدید  PVC و همچنین افزودنی‌های آن از جمله نرم کننده و استابلایزر، توسعه کوپلیمرها کم رنگ شد و از نظر حجم تولید نتواسته به اندازه PVC رشد کند، اما هنوز محصولات ویژه‌ای از کوپلیمر وینیل کلراید ساخته می‌شوند؛ مانند: چسب، پوشش و رنگ

 

  • پی وی سی کلرینده شده

 CPVC  نیز از دیگر انواع پی وی سی است. این نوع از میزان کلر بیشتر و خواص ویژه‌ای برخوردار است. این خواص شامل:

  • مقاومت بالاتر نسبت به مواد شیمیایی
  • نقطه نرمی بالا
  • ماکزیمم درجه حرارت قابل تحمل بالاتر نسبت به PVC
  • مقاومت شعله ور شدن بالاتر و...

بیشترین کاربرد این نوع پی وی سی در ساخت لوله های CPVC  است که مصارف خاص خود را دارند.

 

کلام آخر

همان طور که گفته شد پی وی سی با ساختاری خاص و پیچیده می‌تواند در تولیدات مختلفی نظیر لوله، کابل، شلنگ و... استفاده شود؛ هر کدام از این محصولات در محیط‌ها و زمینه‌هایی گوناگونی کاربرد دارند که می‌توان گفت کمتر جایگزینی برای آن‌ها پیدا می‌شود؛ به همین دلیل می‌توان PVC را یک ماده ضروری در ساخت و تولید در نظر گرفت به طوری که پایه ساخت بسیاری از محصولات را تشکیل می‌دهد.

تهیه و تنظیم: سایت پلینو

 

 

 

ثبت نظر


( نظر خود را درباره این مقاله ثبت نمایید )