Polyvinylklorid

Från Wikipedia
Hoppa till navigering Hoppa till sök
Kalottmodell av polyvinylklorid.
Strukturformel av polyvinylklorid

Polyvinylklorid förkortat till PVC, är en termoplastisk polymer och den tredje största av de vanligaste plastsorterna, som tillsammans med polyeten (PE), polypropen (PP) och polystyren (PS) kallas volymplaster eller basplaster. Totalt tillverkas cirka 56 miljoner ton PVC per år i världen vilket motsvarar cirka 15 % av världens totala plastproduktion (2019)[1].

PVC tillverkas genom kedjepolymerisation av vinylkloridmolekyler och kan efter användningsområden indelas i två former:

  • Styv PVC (PVC-U, "unplasticised", eller r-PVC, "rigid"). Den styva PVC:n används främst inom bygg-och konstruktionssektorn, såsom för profiler till fönster och dörrar och till rör för vatten, avlopp och gas. Den används också till folier för förpackningar och olika typer av kort, till exempel bank- och kreditkort
  • Mjuk eller flexibel PVC (PVC-P, ”plasticised”). För att tillverka mjuka eller flexibla PVC-produkter tillsätts mjukgörare till polymeren. PVC får då egenskaper som gör den lämplig för användning till kabelisolering, medicinska slangar och blodpåsar, golvmattor och tapeter, konstläder och presenningar, med flera.

Upptäckt och historik[2][redigera | redigera wikitext]

Första gången PVC framställdes var 1838 av den franska fysikern och kemisten Henri Victor Regnault. Andra gången var 1872 av den tyska forskaren Eugen Baumann. Vid båda tillfällena bildades polymeren som ett vitt fast pulver inuti flaskor med den nyupptäckta gasen vinylklorid, som hade lämnats och utsatts för solljus.

Men materialet var svårt att bearbeta och ingen såg därför någon kommersiell tillämpning. År 1913 tog den tyske uppfinnaren Friedrich Heinrich August Klatte patent på PVC. Hans metod baserades på att vinylklorid polymeriserades med hjälp av solljus.

Det kommersiella genombrottet skedde i USA när företaget B.F. Goodrich anlitade den industrielle vetenskapsmannen Waldo Semon för att utveckla en syntetisk ersättare för det allt dyrare naturgummit och valet föll på PVC.

Under lågkonjunkturen på 1920-talet upptäckte Waldo Semon att PVC var utmärkt som en vattenfast beläggning för tyger. De första produkterna var alltså folier men även rör för vatten och avlopp (Tyskland). Försäljningen tog snabbt fart med ett snabbt växande produktsortiment. Efterfrågan ökade ytterligare under andra världskriget, när PVC snabbt ersatte traditionella material för att bland annat isolera ledningarna på militära fartyg.

Under 1950-talet började fler företag att tillverka PVC för att möta den ökade efterfrågan runt om i världen. Materialutvecklingen ledde till att PVC fick förbättrad hållfasthet. Detta i kombination med motståndskraft mot ljus, kemikalier och korrosion gjorde att PVC blev ett utmärkt material för byggbranschen.

PVC-pulver

Världskonsumtionen av PVC ökade markant under 1960- och 1970-talen, då förbrukningen ungefär sexdubblades. I dag ligger världskonsumtionen kring 50 miljoner ton, varav Europa svarar för cirka 25 procent.

I Sverige hade kabelindustrin redan 1939 börjat pröva PVC som kabelisolering och mantling. Tillverkning av PVC-polymer startades i Sundsvall 1945 av dåvarande Fosfatbolaget, och utökades med en ny anläggning i Stenungsund 1967. Den svenska PVC-produktionen är idag koncentrerad till anläggningen i Stenungsund som idag ingår i Europas största PVC-producent INOVYN.

Egenskaper[3][4][redigera | redigera wikitext]

PVC är ett vitt pulver som saknar lukt och smak. Smälts pulvret bildar det en styv färglös polymer med densiteten cirka 1400 kg/m3 och med en mjukningstemperatur vid ca 82°C. Dessutom är PVC en termoplast, en plast som vid uppvärmning blir formbar och som upprepade gånger kan överföras till plastiskt tillstånd, och är därmed (till skillnad från härdplast) återvinningsbar genom omsmältning.

PVC är blandbar med ett flertal tillsatsmedel, såsom mjukningsmedel, fyllmedel och slagseghetstillsatser. På så sätt kan dess slutegenskaper varieras i mycket stor utsträckning och detta i sin tur har medfört att PVC är mycket mångsidig och en av de volymmässigt största polymererna.

Produkter av PVC kan indelas i två huvudgrupper:

  • Styv PVC (icke mjukgjord)
  • Mjukgjord PVC (flexibel)

En av anledningarna till att man gör denna indelning är att styv och mjukgjord PVC har väsensskilda egenskaper. När man beskriver PVC:s materialegenskaper är det därför viktigt att man skiljer på styv och mjukgjord PVC.

Styv PVC

Styv PVC har bra beständighet mot de flesta kemikalier. Styv PVC har också generellt goda mekaniska egenskaper såsom hög hållfasthet, styvhet och dimensionsstabilitet. Den är dock spröd vid låga temperaturer och har relativt låg mjukningstemperatur. Styv PVC är självslocknande och kan med rätt tillsatsmedel bearbetas till glasklara produkter. Styv PVC har också god slitstyrka.

Mjukgjord PVC

Egenskaperna för mjukgjord PVC kan inte generaliseras eftersom de är helt beroende av mängd och typ av mjukgörare. Hårdheten kan till exempel varieras från helt styv till gummiliknande. Kemikalie- och oljebeständigheten försämras normalt vid mjukgörartillsats, men kan förbättras avsevärt genom tillsats av till exempel polymermjukgörare. Vissa mjukgörare är speciellt lämpliga för lågtemperaturanvändning men samtidigt kan andra egenskaper påverkas.

Allmänfysikaliska och mekaniska egenskaper[redigera | redigera wikitext]

På grund av det höga klorinnehållet har PVC mycket hög densitet. Densiteten sjunker givetvis med tillsats av mjukgörare och slagseghetstillsats och ökar med tillsats av mineraliska fyllmedel. De mekaniska egenskaperna förbättras med ökande molekylvikt (längd på polymerkedjan) och försämras med ökande temperatur. Styv PVC (PVC-U) har mycket goda mekaniska egenskaper med elasticitetsmodul på upp till 3100 MPa. Slagsegheten är god men faller med fallande temperatur liksom för alla plaster. Vid tillsats av slagseghetsbefrämjande additiv erhålls mycket god slagseghet, dock medför detta då sänkning av elasticitetsmodulen.

Termiska egenskaper[redigera | redigera wikitext]

Som alla andra termoplaster mjuknar PVC vid högre temperaturer. Mjukningspunkten ökar något med ökande molekylvikt, däremot sjunker mjukningspunkten med tillsats av flytande additiv. PVC-produkter har normalt en maximal användningstemperatur på cirka 60°C.

Längdutvidgningskoefficienten för styv PVC (PVC-U) är låg.

Liksom de flesta polymerer har PVC goda värmeisoleringsegenskaper vilket reducerar kondensation och dämpar temperatursvängningar.

Brandegenskaper[redigera | redigera wikitext]

Styv PVC innehåller en hög andel klor, närmare bestämt 56,8 procent, vilket ger PVC mycket goda brandegenskaper. Styva PVC-produkter är därför svåra att antända och är fullständigt självslocknande. Det krävs till exempel mer än 100°C högre temperatur att antända styv PVC än vad det krävs för att antända trä. Medan man till andra plasttyper ibland tillsätter till exempel klor- och bromhaltiga föreningar för att förbättra brandegenskaperna, behövs inga sådana tillsatser till styv PVC. Vid en fullt utvecklad brand brinner givetvis även styv PVC. Plaster som droppar när de brinner är naturligtvis mycket farliga när det gäller brandspridningen. Sådana plaster är polyolefiner (PE och PP), polystyren (PS) med flera. PVC visar ingen som helst tendens till droppning.

Även mjukgjorda PVC-produkter är självslocknande upp till en viss mjukgörarandel. En PVC-blandning som innehåller minst 35 procent klor är självslocknande.

PVC är sålunda mindre brännbart än de flesta andra plaster. Den avger dessutom mindre värme och brinner långsammare än de flesta organiska material.

Elektriska egenskaper[redigera | redigera wikitext]

De elektriska egenskaperna är av störst intresse för mjukgjord PVC, såsom för kabelisolering

PVC är en god elektrisk isolator, men på grund av dess polära natur är de elektriska egenskaperna sämre än för icke-polära polymerer som polyeten och polypropen. Härav passar PVC bäst för medium- och lågspänningsapplikationer.

Förlustfaktorn är på grund av molekylens polaritet hög, vilket utnyttjas vid så kallad högfrekvenssvetsning av PVC-produkter.

Kemiska egenskaper[redigera | redigera wikitext]

Styv PVC har mycket god kemikaliebeständighet och har därför funnit stor användning i kemiska fabriker och andra användningsområden, där man behöver god kemikaliebeständighet.

Vid temperaturer upp till 60°C är styv PVC resistent mot de flesta oorganiska vätskor inklusive moderat koncentrerade syror samt alkali och icke-oxiderande saltlösningar i alla koncentrationer. Den angrips däremot av starkt oxiderande ämnen, som till exempel rykande svavelsyra och salpetersyra.

Styv PVC är resistent mot väteperoxid och även koncentrerade lösningar av kaliumpermanganat. Torr klorgas angriper inte styv PVC, men den kan angripas vid högre temperaturer om gasen är fuktig. Brom och fluor angriper däremot styv PVC även vid rumstemperatur. Styv PVC är resistent mot oljor, fett, alkoholer och bensin. Den angrips däremot av aromatiska och klorerade lösningsmedel samt ketoner, estrar och cykliska etrar, aminer och nitroföreningar.

Mjukgjord PVC har givetvis inte lika god kemikaliebeständighet som styv PVC. Kemikaliebeständigheten kan förbättras avsevärt genom användning av polymera mjukgörare. PVC har därför funnit stor användning i oljebeständig kabel med mera.

Väderbeständighet[redigera | redigera wikitext]

UV-ljus och temperatur anses vara de faktorer som svarar för den huvudsakliga nedbrytningen vid utomhusåldring av plast. I likhet med andra plaster bryts PVC ned av solljus. Den fotokemiska nedbrytningen accelereras vid höjd temperatur.

Både styv och mjuk PVC har med väl vald receptuppbyggnad utmärkt väderbeständighet. Fönsterbågar av styv PVC har idag en garanterad livslängd på minst 30 år utan något underhåll, och mjukgjorda PVC-produkter som takfolier, fendrar och presenningar klarar minst 15 år i skandinaviskt klimat.

Fysikaliska data för styv, slagseg och mjukgjord PVC[5][4][6]
Egenskap Enhet Styv PVC Slagseg PVC Mjukgjord PVC

(40% mjukgörare)

Densitet kg/m3 1380-1420 1350-1400 1350-1700
Längdutvidgningskoefficient 10-6/K 70-80 50-100 50-200
Värmeledningsförmåga 10-3W/m K 1,9 2,5 1,3-1,6
Värmekapacitivitet kJ/kg K 0,92-1,01 0,90-1,20 1,26-2,01
Vattenabsorption

ASTM D 570

% 0,1 0,1-0,4 0,1-0,4
Hårdhet Shore

ISO 2039-2

- 83-84(D) 60-90(A)
Slaghållfasthet

DIN53455

MPa 50-75 40-50 10-25
Brottöjning

DIN 53455

% 10-50 30-100 150-400
Böjhållfasthet

DIN 53452

MPa 70-90 70-80 Ej bestämbar
Elasticitetsmodul

DIN 53457

GPa 2,7 2,0-2,6 Ej bestämbar
Skårslaghållfasthet

DIN 53453, +20°C

KJ/m2 2-5 5-20 Inget

brott

Vicat-mjukningspunkt

ISO 306

°C 75-82 73-82 Ej bestämbar
Nedböjningstemp.

ISO 75

°C 70-82 65-82 Ej bestämbar
Volymresistivitet

ASTM D 257, +23°C

Ω m >1014 >1013 109-1013
Dielektricitetskonstant

ASTM D 150, 1 MHz och +23°C

2,80-3,10 2,80-3,10 3,30-4,50
Förlustfaktor

ASTM D 150

,1MHz och +23°C

tan ∂ 10-4 60-190 60-190 40-1400
Genomslagsspänning. Korttidsprov

ASTM D 149, +23°C

MV/m 14-20 14-20 12-16
Självantändningstemperatur °C 450 450
Flamantändningstemperatur °C 390 390
Oxygenindex % 50 45 25-35
Flambarhetstemperatur °C >400 >400 200-400
Förbränningsvärme

(NBS Cone Calorimeter)

MJ/kg 20 20-25 20-30
Max värmeutveckling

(NBS Cone Calorimeter)

kW/m2 90-110 100-150 200
Rökparameter

(NBS Cone Calorimeter)

kW kg 10-5 0,4

Användningsområden[7][8][redigera | redigera wikitext]

En av fördelarna med PVC är den goda beständigheten. Därför används PVC främst för långlivade produkter. PVC är en av de mest använda plasterna i världen och förekommer inom en rad områden såsom byggsektorn, sjukvården, transport och elektronik. Exempel på nya användningsområden är kärnmaterial i vingarna på vindkraftverk. PVC har unika egenskaper. Det gör att materialet kan användas inom vitt skilda användningsområden, från extremt mjuka produkter som slangar och blodpåsar inom sjukvården till hårda produkter som vatten- och avloppsrör.

Plasten PVC började användas redan på 1930-talet. Flera av produkterna tillverkade på den tiden är fortfarande i bruk, till exempel PVC-rör och PVC-kablar.

Profiler[redigera | redigera wikitext]

Ungefär 35 procent av Europas PVC-användning går till produktion av profiler. Detta utgörs främst av fönsterprofiler, som är det dominerande fönstermaterialet i central-Europa och Nordamerika, men har en betydligt mindre marknadsandel i Norden (cirka 10 procent). Andra exempel på PVC-profiler är till exempel fasad-profiler (”sidings”), golv-och taklister, dörrfoder, hängrännor och stuprör. I takt med utbyggnad av vindkraft har styva PVC-skum kommit till omfattande användning som kärnmaterial i vingarna på vindkraftverk. Samma produkttyp använd också i extrema båtskrov och i flyg-och tågchassin.

Rör och rördelar[redigera | redigera wikitext]

Rör och rördelar för dricksvatten, avlopp och dränering förväntas idag ha en livslängd på minst 100 år. Inom detta användningsområde passar därför produkter av PVC mycket bra med sin goda hållbarhet och extremt långa livslängd utan degradering. PVC-rör används också för kabelskydd i mark och i innerväggar (PV-slang), för gas-distribution och i olika industriella applikationer. Totalt utgör rör- och rördelar cirka 23 procent av PVC-användningen i Europa

Film och folier[redigera | redigera wikitext]

PVC-folier har många användningsområden. Mjukgjorda folier kan användas till vattensängsmadrasser, simkuddar med mera, medan styva folier förekommer som kredit-och id-kort, faner-folier till köksluckor och möbler och till portionsförpackade mediciner (blisterförpackning) Detta utgör cirka 17 procent av PVC-användningen.

Kabel[redigera | redigera wikitext]

Cirka 8 procent av all PVC i Europa går till kabelanvändning, dels som isolering och dels som mantel (ytterhölje) där de goda brandegenskaperna är en stor fördel. PVC används främst för låg- och mellanspänning i infrastruktur- och byggsektorerna. Detta är en minskande marknad för PVC, som ersätts med så kallade halogenfria material, medan PVC är dominerande inom bilindustrin.

Golv[redigera | redigera wikitext]

Golv av PVC används i många olika byggnadstyper, till exempel bostäder men främst i offentliga lokaler som kontor, skolor och sjukhus. PVC-golv konstrueras antingen av ett homogent, kompakt PVC-skikt, eller så byggs det upp av ett antal olika plastskikt med ett slitstarkt transparent slitskikt på toppen. PVC-golv är slitstarka, utgör en god fuktspärr, relativt enkla att hålla rena och är lämpliga för sterila utrymmen, som i operationssalar. Flexibla PVC-golv har länge varit dominerande men de senaste 10 åren har styvare, så kallade LVT-golv vuxit kraftigt. Dessa plank-lika golv utgör idag cirka 10 procent av PVC-golvmarknaden. Cirka 5 procent av den totala PVC-marknaden utgörs av golv.

Belagd väv[redigera | redigera wikitext]

Med hjälp av bestrykning görs mycket olika material; regnkläder, presenningar, takmembran, bordsdukar med mera. Ett viktigt område för PVC-användning är konstläder. Materialet används till bilklädsel, skor, väskor, möbelklädsel med mera. Genom den speciella produktionsprocessen får man en skinnliknande yta. Under denna yta finns ett skumlager som ger materialet dess mjukhet, medan bäraren ger dess rivhållfasthet.

Medicinskt[redigera | redigera wikitext]

Plast är ett viktigt konstruktionsmaterial för medicinska produkter. Cirka 40 procent av dessa består av PVC. De viktigaste produkterna är behållare för blod, urin, stomi, flytande mediciner eller näringslösning, och slangar för att ta och ge blod, katetrar, hjärt-lungmaskiner, dialys med mera. PVC har använts för detta ändamål i över 50 år på grund av dess fina transparens, låga vikt, mjukhet, rivstyrka, kinkmotstånd, möjlighet att sterilisera och utmärkta biokompatibilitet. Andra produkter av PVC är handskar och förkläden för engångsbruk, madrassfolier och golv i operationssalar och duschutrymmen. Den totala användningen utgör dock mindre än 1 procent av den totala PVC-förbrukningen.

Bilindustrin[redigera | redigera wikitext]

Allt eftersom biltillverkarna har sökt efter lättare material har fler och fler detaljer i bilen blivit tillverkade i plast. Detta har gjort att PVC och andra plaster har kommit att användas i olika delar av bilen. PVC används idag till kabel, beklädnad av dörrsidor, stolpar, instrumentbrädor och för rostskyddsmassor.

Övrigt[redigera | redigera wikitext]

Handskar[redigera | redigera wikitext]

En mängd olika handskar görs idag av PVC; vävburna handskar till olje- och fiskeindustrin, hushållshandskar och medicinhandskar. Alla typer av handskar doppas vid tillverkningen.

Bojar, fendrar och leksaker[redigera | redigera wikitext]

Genom rotationsgjutning tillverkas bojar, fendrar och vissa leksaker, t.ex. dockhuvuden och även en del proteser.

Tillverkning[9][redigera | redigera wikitext]

Polyvinylklorid tillverkas genom kedjepolymerisation, så kallad friradikalpolymerisation, av monomeren vinylklorid.

Vinyl chloride Polymerization V1

Traditionellt talar man om tre olika polymerisationsförfaranden. Oavsett polymerisationsmetod får man huvudsakligen ataktiska polymerkedjor, men den kristallina andelen av kedjorna, som utgör cirka 10 procent, är av syndiotaktisk karaktär.

Cirka 80 procent av all PVC tillverkas med suspensions-polymerisation (S-PVC), cirka 12 procent med emulsions-polymerisation (E-PVC eller P-PVC) och cirka 8 procent med mass-polymerisation (M-PVC).

S-PVC[redigera | redigera wikitext]

Polymerisationen sker i en reaktor, en så kallad autoklav, vanligtvis med en storlek av 30-150 m³. Vinylklorid och vatten tappas in i reaktorn tillsammans med initiator och skyddskolloid. Genom intensiv omrörning bildas en suspension av mycket små vinylkloriddroppar i vattenfasen och skyddskolloiden förhindrar att dessa droppar slås samman till större aggregat. Reaktionen startas av initiatorn, vanligen en organiska peroxid, som lösts i vinylkloriddropparna. Reaktionen är exoterm och kräver därför kylning till en definierad reaktionstemperatur som också då avgör vilken längd man får på polymerkedjorna. Efterhand som polymerkedjorna växer inne i monomerdropparna faller dessa ut som fast PVC och polymerisationen fortgår sedan i dessa lösningsmedelssvällda partiklar. En polymerkedja av PVC innehåller normalt cirka 1000 – 1500 monomerenheter, vilket motsvarar en molekylvikt på 62000 – 94000.

När reaktionen har klingat av har man fått en slurry av ett vitt poröst PVC-pulver uppslammat i vatten. Denna slurry avgasas och strippas för att avlägsna oreagerad vinylklorid, som återvinns. Polymeren centrifugeras därefter för att avlägsna merparten av vattnet, varefter den torkas ytterligare i varmluftsbädd för att nå ett vatteninnehåll under 0,3 procent. Slutligen siktas PVC-pulvret för att avlägsna eventuella flagor och stora partiklar.

Vid suspensions-polymerisation får man pulverpartiklar med en storlek av cirka 100-180 µm.

E-PVC[redigera | redigera wikitext]

Den tidigaste tillverkningsmetodiken var emulsionspolymerisation (första gången 1929). E-PVC tillverkning är i många stycken mycket lik S-PVC tekniken men skiljer sig på några väsentliga punkter.

Vinylklorid och vatten tappas in i reaktorn tillsammans med initiator och emulgatorer. Genom intensiv omrörning och med hjälp av emulgatorerna bildas en emulsion av vinylkloriddroppar i vattenfasen . Reaktionen startas av initiatorn, en vattenlöslig peroxid, när temperaturen ökas. De där bildade mycket små primärpartiklarna, cirka 1-5 µm, avgasas och strippas genom undertryck och den återstående vinylkloriden återvinns. Emulsionen av PVC-partiklar torkas genom att små vätskepartiklar skapas med spridarskiva eller dysa och vätskan förångas av varmluft, varefter ett kvarn-vindsiktsystem maler och avskiljer alltför grova partiklar. Denna torkmetodik innebär att de tillsatta emulgatorerna blir kvar i PVC-partiklarna.

Vid emulsions-polymerisation fås vanligtvis partikelstorlek av cirka 5-50 µm.

M-PVC[redigera | redigera wikitext]

Vid masspolymerisation sker polymerisationen direkt i flytande vinylklorid tillsammans med en däri upplöst initiator.

Även i denna process avgasas och strippas PVC-pulvret för att återvinna oreagerad vinylklorid. M-PVC har en tydligt högre renhet jämfört med S-PVC och E-PVC och lämpar sig därför speciellt för transparenta produkter med hög klarhet.

Partikelstorleken är väldigt lik den för S-PVC det vill säga cirka 100-150 µm.

Kritik och nackdelar[redigera | redigera wikitext]

Kritik mot PVC består dels av generell kritik mot plast, och dels av specifik kritik mot PVC. Det som särskiljer PVC från andra plaster såsom PE är att den innehåller klor. Kloret är fast bundet men frigörs som klorväte vid förbränning, vilket omvandlas till saltsyra vid kontakt med vatten. Ytterligare problem kan orsakas av mjukgörare och andra tillsatta ämnen. Dessa kan långsamt lämna plasten och några av dessa förekommande ämnen misstänks vara hälsofarliga eller miljöskadliga. Till exempel har några av ftalaterna visats ha reproduktionsstörande påverkan i djurförsök.[10] [11] En stor mängd skadliga ämnen bildas vid förbränning, liksom vid förbränning av de flesta brännbara ämnen, och misstanke finns att även dioxin kan uppstå.

Brandskador orsakade av PVC[redigera | redigera wikitext]

PVC är svårantändligt och självslocknande. Den brinner sämre än diverse andra plast såsom PE eller polystyren. Men om förbränning underhålls av annat som brinner, bildas saltsyra och klorerade kolväten på grund av plastens innehåll av klor. Även stabilisatorer och mjukgörare frigörs vid förbränning.

En vanlig användning av PVC är som isolering på elektriska ledningar. I elektroteknisk utrustning kan betydande mängder PVC ingå. Vid brand i lokaler där större mängder sådan utrustning finns blir effekten av saltsyreångorna förödande. Utrustning utanför den egentliga brandhärden, och som klarat sig från vanliga brandskador, kan ändå få betydande funktionsskador om den inte omgående saneras. Ofta räcker det med noggrann tvättning på alla ytor med stora mängder rent vatten och fullständig torkning därefter.

En smygande sekundär brandskada kan ligga dold i betongkonstruktioner kring en utbränd lokal, där PVC ingått i det som har brunnit. Den frigjorda saltsyran kan nämligen i en långsam process tränga in i betongens inre och orsaka rostskador på betongens armering. Blir rostangreppen tillräckligt svåra hotas styrkan på armeringen. Ett bidragande problem är att därvid armeringens volym ökar, vilket ger en sprängverkan i betongen. Hela konstruktionens hållfasthet äventyras. Det kan vara väggar och tak, trappor etcetera, som många år efter en storbrand kan kollapsa överraskande.

Källor[redigera | redigera wikitext]