ПВХ — это материал, получаемый при нулевом содержании пластификатора. Буква «U» означает «непластифицированный», а полное название — «непластифицированный поливинилхлорид». Этот единственный вариант рецептуры обеспечивает все свойства, указанные покупателем в спецификации ПВХ-композита.
Цифры плотно сгруппированы: плотность 1.38-1.42 г/см³, прочность на растяжение 40-51 МПа, деформация при нагреве 65-70 °C, температура стеклования 82-85 °C и расчетный срок службы по стандарту ISO 50 лет для подземных ПВХ-труб высокого давления. Без добавления 20-50 частей на 100 частей ПВХ, необходимого для гибкого ПВХ, жесткость достигается гарантированным результатом.
Для специалиста по компаундированию ПВХ, разработчика рецептур или инженера по закупкам, читающего сертификат анализа, вопрос заключается в рецептуре. Значение K базовой смолы, системы стабилизаторов и класса ячеек, указанные в техническом описании, находятся на уровне рецептуры — там, где фактически указывается состав ПВХ.
Что представляет собой ПВХ на уровне рецептуры
УПВХ — это жесткий ПВХ, разработанный с нулевым содержанием пластификатора на 100 частей каучука. (частей на сто смолы). В основе лежит суспензионный ПВХ K65-K67, а остальную часть компаунда заполняет пакет термостабилизаторов/смазочных материалов/модификаторов ударопрочности.
Молекулярная структура объясняет, почему именно это единственное отсутствие обеспечивает жесткость. Около 57% массы ПВХ составляет хлор, что придает полимеру плотность 1.40 г/см³ и присущую ему огнестойкость — оба показателя значительно выше, чем у семейства полиолефинов, составляющих 0.88–0.96 г/см³. Без пластификатора, смазывающего движение цепей, плотно упакованные C-Cl-цепочки остаются зафиксированными ниже температуры стеклования при комнатной температуре, и соединение ведет себя как жесткое твердое вещество.
В основе каждого сертификата анализа ПВХ лежат два решения, касающиеся рецептуры: марка базовой смолы и набор добавок.
Базовый сорт смолы (K65-K67 S-PVC)
Примерно 80% мирового производства ПВХ осуществляется методом суспензионной полимеризации (S-PVC), в результате чего образуются частицы размером 100-180 мкм. В этой группе марок K-67 типична для экструзии жестких профилей из ПВХ; K-57 используется для каландрирования листов ПВХ и изготовления фитингов методом литья под давлением.
В пределах спецификации K57±1 вязкость масштабируется примерно как K^3.4 — разброс значений K на 5% соответствует изменению вязкости примерно на 18%, поэтому уровни смазки корректируются от партии к партии. Различные марки ПВХ-смолы по-разному ведут себя в жестком и пластифицированном состоянии.
Пакет присадок (термостабилизатор + смазка + модификатор ударопрочности)
Непластифицированный материал не означает отсутствие добавок. Термостабилизаторы (обычно 1-3 phr Ca-Zn или оловоорганические соединения), 0.5-2 phr смазочных материалов и 0-10 phr модификаторов ударной вязкости являются обязательными компонентами любого компаунда UPVC. Пакет добавок для ПВХ выполняет большую часть технологических процессов, которые в гибких марках выполняются пластификаторами.
Свойства ПВХ: плотность, прочность на растяжение, температура тепловой деформации (HDT) и температура стеклования (Tg).
При нулевой концентрации пластификатора свойства ПВХ оказываются в пределах узкой шкалы. Приведенные ниже данные взяты из столбца свойств AzoM, взятого из базы данных Plascams RAPRA — это типичные значения для немодифицированного ПВХ, тогда как современные композиты с модифицированной ударной вязкостью немного смещают температуру хрупкости и температуру тепловой деформации вверх.
| Свойства | Типичное значение ПВХ | Условие теста |
|---|---|---|
| Плотность | 1.40 g / cm³ | 20 ° C |
| Прочность на разрыв | 51 МПа | Типовой стандарт ASTM D638 |
| Модуль упругости при изгибе | 3 ГПа | - |
| Зазубренный удар Изода | 0.08 кДж/м | немодифицированных |
| Относительное удлинение при разрыве | 60% | - |
| HDT при 0.45 МПа | 70 ° C | с низкой нагрузкой |
| HDT при 1.80 МПа | 67 ° C | высокая нагрузка |
| Кислородный индекс (LOI) | 45% | изначально огнестойкий |
| Огнестойкость по стандарту UL94 | V0 | - |
| Объемное сопротивление | 10¹⁴ Ом·см | - |
| Максимальная непрерывная работа | 50 ° C | - |
| Линейное тепловое расширение | 6 × 10⁻⁵ /°С | - |
В технических характеристиках ПВХ часто путают два показателя теплопроводности. Температура стеклования (Tg) непластифицированного ПВХ составляет 82-85 °C — по данным Уилкса. Справочник по ПВХ Указана температура 82 °C; измерения ДСК, проведенные Нетцшем на ПВХ-U, показывают 84 °C с шагом 0.32 Дж/(г·К).
Температура тепловой деформации (HDT) — это меньшее значение, 65-70 °C, поскольку деформация под воздействием тепла измеряет размягчение под нагрузкой при заданном напряжении, а не калориметрический переход подвижности цепей. Профиль из ПВХ с маркировкой «эксплуатация при 80 °C» заимствует значение из температуры стеклования (Tg); при проектировании несущих конструкций необходимо учитывать температуру тепловой деформации (HDT).
Зависимость Tg от K удивляет специалистов, ожидающих, что механические характеристики будут масштабироваться в зависимости от длины цепи. Значение Tg = 356 K – 506 / Xn^0.666 позволяет предположить, что K-57 и K-67 отличаются друг от друга всего на 1 °C, при этом оба материала приближаются к максимальному значению в 83 °C.
Измеренная в лаборатории температура 84 °C отражает повышение температуры за счет стабилизатора/смазочного материала, а не марки смолы. Значение K определяет пористость и технологичность; тепловые характеристики определяются самим химическим составом полимера.
Место ПВХ в континууме пластификаторов ПВХ
ПВХ находится на одном конце континуума. Одна и та же базовая смола K65-K67, смешанная с постепенно увеличивающимся содержанием DINP, позволяет производить все механические классы ПВХ, представленные на рынке. Каскад от жесткого к гибкому монотонно проходит через плотность, твердость, жесткость, прочность на растяжение и удлинение.
| Пластификатор (% ДИНП) | Удельный вес | Берег А | Жесткость на изгиб (МПа) | Растяжение (МПа) | Относительное удлинение (%) | Области применения |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0% (ПВХ) | 1.49 | 90 | 3,000 | 41 | Жесткие трубы, профили, оконные рамы | |
| 25% | 1.26 | 94 | 69 | 31 | 225 | Виниловое напольное покрытие, полужесткие трубы |
| 33% | 1.22 | 84 | 12 | 21 | 295 | Изоляция проводов и кабелей |
| 44% | 1.17 | 66 | 3.4 | 14 | 400 | Ботинки, надувные изделия, одежда |
| 86% | 1.02 | - | - | - | Пластизольные чернила, мягкие приманки |
Каскадная схема меняет представление о том, что такое ПВХ. ПВХ — это не другой полимер, отличный от «ПВХ» — ПВХ представляет собой ту же самую суспензионно-полимеризуемую базовую смолу с другим составом добавок.
Компаундировщик проводов и кабелей с концентрацией DINP 33 phr и экструдер ПВХ-труб с концентрацией UPVC=0 закупают идентичный порошок S-PVC. Пакет добавок, используемый после выбора смолы, разделяет две производственные линии.
Стандарты для ПВХ: ASTM D1784 Классы ячеек и NSF/ANSI 61
Соответствующие требованиям компаунды из ПВХ определяются двумя стандартами: ASTM D1784 для минимальных механических свойств и NSF/ANSI 61 для контакта с питьевой водой.
Классы ячеек ASTM D1784: 12454 / 12364 / 14333
Стандарт ASTM D1784 классифицирует жесткие компаунды ПВХ и ХПВХ по пятибалльной шкале: основной материал, ударная вязкость по методу IZOD, прочность на растяжение, модуль упругости при растяжении и температура прогиба под нагрузкой. Шкала 12454 является доминирующим стандартом для муниципальных труб высокого давления, требующим минимальной прочности на растяжение 7,000 psi (≈ 48 МПа) и модуля упругости при растяжении 400 000 psi.
Состав 12364 предназначен для канализационных труб с твердыми стенками, работающих под действием силы тяжести, при давлении 6,000 фунтов на квадратный дюйм. Состав 14333 — это более высококачественный материал, используемый в водопроводной продукции, сертифицированной NSF. Почти все муниципальные трубы высокого давления в США соответствуют стандарту 12454, а показатель прочности на растяжение AzoM (51 МПа) на 6% выше минимального значения в 48 МПа — это запас прочности, который обеспечивает типичная партия.
Стандарт NSF/ANSI 61 для ПВХ-материалов, используемых в питьевой воде.
Для питьевой воды применяется стандарт NSF/ANSI/CAN 61. В редакции 2024 года был добавлен комплекс из семи тестов на ПФАС, чтобы привести его в соответствие с Национальными основными правилами EPA по ПФАС в питьевой воде. Соответствие новым требованиям к тестированию должно быть обеспечено к 1 января 2028 года.
Всем, кто планирует использовать трубы или фитинги из ПВХ в системах питьевого водоснабжения США до указанного срока, следует убедиться, что сертификация NSF-61 поставщика соответствует требованиям по содержанию ПФАС после 2024 года. Для более старых сертификаций может потребоваться повторная сертификация.
Почему ПВХ не является материалом без добавок, несмотря на то, что он не содержит пластификаторов
Даже если удалить пластификатор из ПВХ-компаунда, смолу все равно нельзя будет переработать методом плавления. ПВХ имеет атактическую стереохимию и расположение мономеров «голова к хвосту», что обеспечивает лишь несколько процентов синдиотактической кристалличности — слишком низкую для того, чтобы вести себя как полукристаллический полимер.
Указанный в технических характеристиках ПВХ «диапазон плавления» 150-220 °C — это зона разложения, а не истинная температура плавления (Tm). Выделение HCl становится автокаталитическим выше 70 °C, поэтому каждый коммерческий компаунд ПВХ содержит термостабилизатор на основе Ca-Zn, оловоорганических соединений или свинца — обычно в количестве 1-3 phr. Если удалить стабилизатор, полимер потемнеет и сшится до того, как зона шнека достигнет температуры формования.
Описание «непластифицированный» специально исключает категорию пластификаторов. ПВХ не исключает:
- Термостабилизаторы (1-3 phr) предотвращает автокаталитическую деградацию HCl
- смазочные материалы (0.5-2 phr) контроль сдвига, осаждения и отделения металла
- Модификаторы воздействия (0-10 phr) повышение температуры хрупкости выше ~5 °C для эксплуатации на открытом воздухе
- Пигменты, наполнители, вспомогательные вещества для обработки в соответствии с требованиями приложения
Подвесной ПВХ K65-K67 — это типичная базовая смола для экструзии профилей и труб из ПВХ. Компаунд из ПВХ — это не материал с одним ингредиентом, а рецептура из пяти-восьми ингредиентов, при этом одна конкретная категория ингредиентов исключена.
Что означает ПВХ на практике
Если в техническом задании указано «UPVC», воспринимайте это как спецификацию рецептуры, а не как категорию продукта. Содержание пластификатора на 100 частей смолы равно нулю, а в качестве базовой смолы используется суспензионный ПВХ K65-K67.
Технические характеристики вытекают из этих двух решений: 1.40 г/см³, предел прочности на растяжение 40-51 МПа, температура стеклования 82-85 °C, классификация ASTM D1784, ячейка 12454 или 14333.
Повторяются две ошибки при составлении спецификаций. Первая — это смешение Tg и HDT и расчет рабочей температуры на основе неверного значения.
Вторая ошибка заключается в том, что термин «непластифицированный» рассматривается как синоним термина «без добавок», и забывается, что именно стабилизирующие добавки делают ПВХ пригодным для переработки. Если правильно подобрать рецептуру, то технические характеристики напишутся сами собой.