miniatyr|Kalottmodell av polyvinylklorid. miniatyr|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 procent av världens totala plastproduktion (2019).
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 Första gången PVC framställdes var 1838 av den franske fysikern och kemisten Henri Victor Regnault. Andra gången var 1872 av den tyske 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 passande material för byggbranschen. miniatyr|339x339px|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
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 cirka 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 stor utsträckning och detta i sin tur har medfört att PVC är 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 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 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 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 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 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 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. Därför 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 Styv PVC har mycket god kemikaliebeständighet och har därför funnit stor användning i bland annat kemiska fabriker.
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 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 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 en 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 PVCThe Vinyl Institute, Technical Information 1988EgenskapEnhetStyv PVCSlagseg PVCMjukgjord PVC
(40% mjukgörare)Densitetkg/m31380-14201350-14001350-1700Längdutvidgningskoefficient10-6/K70-8050-10050-200Värmeledningsförmåga10-3W/m K1,92,51,3-1,6VärmekapacitivitetkJ/kg K0,92-1,010,90-1,201,26-2,01Vattenabsorption
ASTM D 570%0,10,1-0,40,1-0,4Hårdhet Shore
ISO 2039-2 -83-84(D)60-90(A)Slaghållfasthet
DIN53455MPa50-7540-5010-25Brottöjning
DIN 53455%10-5030-100150-400Böjhållfasthet
DIN 53452MPa70-9070-80Ej bestämbarElasticitetsmodul
DIN 53457GPa2,72,0-2,6Ej bestämbarSkårslaghållfasthet
DIN 53453, +20°CKJ/m22-55-20Inget
brottVicat-mjukningspunkt
ISO 306°C75-8273-82Ej bestämbarNedböjningstemp.
ISO 75°C70-8265-82Ej bestämbarVolymresistivitet
ASTM D 257, +23°CΩ m>1014>1013109-1013Dielektricitetskonstant
ASTM D 150, 1 MHz och +23°C2,80-3,102,80-3,103,30-4,50Förlustfaktor
ASTM D 150
,1MHz och +23°Ctan ∂ 10-460-19060-19040-1400Genomslagsspänning. Korttidsprov
ASTM D 149, +23°CMV/m14-2014-2012-16Självantändningstemperatur°C450450Flamantändningstemperatur°C390390Oxygenindex%504525-35Flambarhetstemperatur°C>400>400200-400Förbränningsvärme
(NBS Cone Calorimeter)MJ/kg2020-2520-30Max värmeutveckling
(NBS Cone Calorimeter)kW/m290-110100-150200Rökparameter
(NBS Cone Calorimeter)kW kg 10-50,4
Användningsområden 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