پی وی سی (PVC) چیست؟ آشنایی با کاربرد و ویژگی‌های پلی وینیل کلراید

PVC-U

PVC-U سخت و سفت است و دارای حداکثر تنش کششی تقریباً 52 مگاپاسکال در دمای 20 درجه سانتیگراد است و در برابر اکثر مواد شیمیایی مقاوم است. به طور کلی PVC-U را می توان در دماهای تا 60 درجه سانتی گراد استفاده کرد، اگرچه محدودیت دمای واقعی به تنش و شرایط محیطی بستگی دارد.

PVC-M

PVC-M (اصلاح شده) سفت است و چقرمگی را به ویژه در ضربه بهبود بخشیده است. مدول الاستیک، تنش تسلیم و استحکام کششی نهایی معمولاً کمتر از PVC-U است. این ویژگی ها به نوع و مقدار اصلاح کننده مورد استفاده بستگی دارد.

پی وی سی نرم

پی وی سی نرم سختی کمتری دارد. قدرت ضربه بالایی دارد؛ اکسترود و قالب گیری آن آسان تر است. مقاومت دمایی پایین تری دارد؛ در برابر مواد شیمیایی مقاومت کمتری دارد و معمولاً استحکام کششی نهایی کمتری دارد. تنوع تبدیل به ترکیب در PVC پلاستیکی بیشتر از PVC-U است.

PVC-C

PVC-C (کلردار) در بیشتر خواصش شبیه PVC-U است اما مقاومت دمایی بالاتری دارد و می تواند تا دمای 95 درجه سانتیگراد کارایی داشته باشد. در 20 درجه سانتیگراد حداکثر تنش نهایی دارد و حداکثر تنش کششی در حدود 15 مگاپاسکال در 80 درجه سانتیگراد است.

PVC-O

PVC-O (PVC جهت دار) گاهی اوقات HSPVC (PVC با مقاومت بالا) نامیده می شود. لوله های PVC-O یک پیشرفت بزرگ در فناوری صنعت لوله پی وی سی است.

PVC-O توسط فرآیندی تولید می شود که منجر به جهت گیری ترجیحی مولکول های پی وی سی با زنجیره بلند در جهت محیطی یا حلقه می شود. این افزایش قابل توجه خواص را در این جهت فراهم می کند. علاوه بر مزایای دیگر، مقاومت کششی نهایی تا دو برابر PVC-U را می توان برای PVC-O به دست آورد. در کاربردهایی مانند لوله های تحت فشار، که در آن جهت تنش به خوبی تعریف شده وجود دارد، می توان دستاوردهای بسیار قابل توجهی در استحکام و یا صرفه جویی در مواد ایجاد کرد.

خواص معمول PVC-O در جهت حلقه عبارتند از:

• مقاومت کششی PVC-O - 90 مگاپاسکال
• مدول الاستیک PVC-O - 4000 مگاپاسکال

افزایش خواص با جهت گیری مولکولی به خوبی شناخته شده است و برخی از نمونه های صنعتی بیش از سی سال است که تولید شده اند. در زمان های اخیر، آن را برای محصولات مصرفی مانند فیلم ها، کیسه های زباله با استحکام بالا، بطری های نوشابه های گازدار و موارد مشابه به کار برده اند.

تکنیک اعمال جهت گیری مولکولی برای لوله های PVC در دهه 1970 توسط یورک شایر امپریال پلاستیک صورت گرفت و در واقع اولین تاسیسات آزمایشی در سال 1974 با لوله 100 میلی متری توسط اداره آب یورکشایر انگلستان انجام شد.

استحکام کششی

استحکام کششی PVC-O تا دو برابر PVC-U معمولی است. استحکام کششی PVC-M کمی کمتر از PVC-U استاندارد است.

چقرمگی

هر دو PVC-O و PVC-M تحت هر شرایط، رفتاری پیوسته منعطف دارند. در برخی شرایط نامطلوب، در صورت وجود یک بریدگی یا نقص، PVC-U استاندارد می تواند ویژگی های شکننده را از خود نشان دهد.

عوامل ایمنی

طراحی لوله‌های PVC برای کاربردهای فشار شامل پیش‌بینی خواص بلندمدت و استفاده از یک فاکتور ایمنی است. مانند تمام طراحی های مهندسی، بزرگی ضریب ایمنی نشان دهنده سطح اطمینان در پیش بینی عملکرد است. اطمینان بیشتر در رفتار قابل پیش بینی برای مواد نسل جدید PVC-M و PVC-O این مزیت را دارد که امکان استفاده از ضریب ایمنی کمتر در طراحی را فراهم می کند.

طراحی تنش

لوله‌های PVC-O و PVC-M در طراحی، تنش بالاتری نسبت به لوله‌های PVC-U استاندارد عمل می‌کنند که نتیجه آن کاهش ضریب ایمنی است و در مورد PVC-O، استحکام بالاتر در جهت حلقه و زنجیر است.

الاسیسیته و خزش

PVC-O دارای 24٪ مدول الاستیسیته بیشتر از PVC-U معمولی در جهت زنجیره ها و مدول مشابه PVC-U استاندارد در جهات دیگر است. مدول الاستیک PVC-M اندکی کمتر از PVC-U استاندارد است.

ویژگی های ضربه

ضریب  PVC-O از PVC-U استاندارد با حداقل 2 و حداکثر 5 بیشتر است. PVC-M همچنین مقاومت ضربه ای بیشتری نسبت به PVC-U استاندارد دارد. آزمایش‌های عملکرد ضربه برای لوله‌های PVC-M روی به دست آوردن مشخصه شکست شکل‌پذیر تمرکز دارد.

هوازدگی

هیچ تفاوت قابل توجهی در ویژگی های هوازدگی PVC-U، PVC-M و PVC-O وجود ندارد.

اتصال

لوله های PVC-U و PVC-M را می توان توسط رینگ های لاستیکی یا ملات سیمانی متصل کرد. PVC-O فقط در لوله های متصل شده به رینگ لاستیکی در دسترس است. PVC-O را نمی توان با ملات سیمانی متصل کرد.

خواص معمولی مواد لوله پی وی سی

خواص فیزیکی پی وی سی

خواص مکانیکی پی وی سی

خواص الکتریکی پی وی سی

خواص حرارتی پی وی سی

عملکرد در برابر آتش

ویژگی های مکانیکی

برای PVC، مانند سایر مواد ترموپلاستیک، پاسخ تنش/کرنش هم به زمان و هم به دما بستگی دارد. هنگامی که یک بار ثابت به یک ماده پلاستیکی اعمال می شود، رفتار کرنش حاصل بسیار پیچیده است. یک پاسخ الاستیک فوری وجود دارد که به محض برداشتن بار به طور کامل بازیابی می شود. علاوه بر این، تغییر شکل آهسته‌تری وجود دارد، که تا زمانی که پارگی اعمال می‌شود، به طور نامحدود ادامه می‌یابد. این به عنوان خزش شناخته می شود. اگر بار قبل از خرابی برداشته شود، بازیابی ابعاد اولیه به تدریج در طول زمان اتفاق می افتد. سرعت خزش و بازیابی نیز تحت تأثیر دما است. در دماهای بالاتر، نرخ خزش تمایل به افزایش دارد. به دلیل این نوع پاسخ، پلاستیک ها به عنوان مواد ویسکوالاستیک شناخته می شوند.

خط رگرسیون تنش

پیامد خزش این است که لوله‌هایی که تحت تنش‌های بالاتر قرار می‌گیرند در مدت زمان کوتاه‌تری نسبت به لوله‌هایی که تحت تنش‌های کمتری قرار می‌گیرند، خراب می‌شوند. برای کاربرد لوله های تحت فشار، عمر طولانی یک نیاز ضروری است. بنابراین، مهم است که لوله‌ها به گونه‌ای طراحی شوند که با تنش های موجود در دیوار آسیب نبینند و تضمین کند لوله، عمر طولانی‌تری داشته باشد.

برای تعیین خواص طولانی مدت، تعداد زیادی از نمونه های آزمایشی، به شکل لوله، تا زمان پارگی آزمایش می شوند. سپس تمام این نقاط داده جداگانه بر روی یک نمودار رسم شده و تجزیه و تحلیل رگرسیون انجام می شود. تجزیه و تحلیل رگرسیون خطی برای به دست آوردن تنش شکست، 97.5٪ پایین تر ازحد پیش بینی در نقطه طراحی است که باید از حداقل تنش لازم (MRS) تجاوز کند، برون یابی می شود.

سپس یک ضریب ایمنی به MRS اعمال می‌شود تا حداکثر تنش عملیاتی برای مواد لوله که برای ابعاد لوله‌ها از درجه‌بندی فشار استفاده می‌شود، به دست آید. در اروپا و استرالیا، نقطه طراحیISO، 50 سال یا 438000 ساعت اتخاذ شده است. در آمریکای شمالی، نقطه طراحی 100000 ساعت در طول تاریخ مورد استفاده قرار گرفته است. این نقطه طراحی کاملاً دلخواه است و نباید به عنوان نشانه ای از عمر مورد انتظار لوله PVC تفسیر شود. خط رگرسیون تنش به طور سنتی بر روی محورهای لگاریتمی ترسیم می شود که تنش محیطی یا حلقه ای را در مقابل زمان گسیختگی نشان می دهد.

برای PVC-M و PVC-O، نقطه مشخصات 50 ساله یک نقطه حد اطمینان 97.5 درصد کمتر است تا اطمینان حاصل شود که حداقل ضریب ایمنی به دست آمده.

مدول خزش

برای PVC، رابطه مدول یا تنش/کرنش باید در زمینه سرعت یا مدت بارگذاری و دما در نظر گرفته شود.

یک روش جهانی ارائه داده، منحنی کرنش در مقابل زمان در تنش ثابت است. در یک دمای معین، یک سری منحنی در سطوح مختلف تنش برای نمایش تصویر کامل مورد نیاز است. یک مدول را می توان برای هر ترکیب تنش/کرنش/زمان محاسبه کرد و معمولاً به آن مدول خزش گفته می شود.

چنین منحنی هایی برای مثال در طراحی بارهای عرضی کوتاه مدت و بلند مدت لوله ها مفید هستند.

آزمایش‌های انجام‌شده در انگلستان و استرالیا نشان داده‌اند که PVC-O سفت‌تر است، یعنی برای شرایط معادل در جهت جهت‌گیری نسبت به PVC-U استاندارد حدود 24 درصد مدول بالاتری دارد. از کارهای دیگر، به نظر می رسد که تغییر قابل توجهی در جهت محوری وجود ندارد.

خواص دما بالا

رتبه بندی فشار در دماهای بالا

خواص مکانیکی PVC در دمای 20 درجه سانتیگراد ذکر شده است. ترموپلاستیک ها به طور کلی با افزایش دما در استحکام کاهش یافته و شکل پذیری آن افزایش می یابد و تنش های طراحی باید متناسب با آن تنظیم شوند.

بازگشت

اصطلاح "بازگشت" به تغییر ابعاد در محصولات پلاستیکی در نتیجه "حافظه ماده" اشاره دارد. محصولات پلاستیکی شکل اولیه خود را "به خاطر می سپارند" و اگر متعاقباً دچار اعوجاج شوند، تحت گرما به شکل اولیه خود باز می گردند.

در واقع، برگشت در تمام دماها انجام می شود، اما با اکستروژن با کیفیت بالا، در لوله های ساده در دمای کمتر از 60 درجه سانتی گراد و در لوله PVC-O در دمای کمتر از 50 درجه سانتی گراد، اهمیت عملی ندارد.

هوازدگی و تخریب خورشید

اثر "هوازدگی" یا تخریب سطح توسط انرژی تابشی، در ارتباط با عناصر، بر روی پلاستیک به خوبی مورد بررسی قرار گرفته است. تابش خورشید باعث تغییراتی در ساختار مولکولی مواد پلیمری از جمله PVC می شود. بازدارنده ها و بازتابنده ها معمولاً در مواد گنجانده می شوند که فرآیند را به یک اثر سطحی محدود می کند.

از دست دادن براقیت و تغییر رنگ در شرایط جوی شدید مشاهده خواهد شد. فرآیندها نیاز به انرژی ورودی دارند و اگر مواد محافظت شده باشد، نمی توانند ادامه پیدا کنند، به عنوان مثال لوله های زیرزمینی از دیدگاه عملی، توده مواد تحت تاثیر قرار نمی‌گیرند و عملکرد تحت آزمایش‌های اولیه یعنی در مقاومت کششی و مدول تغییری نشان نمی‌دهد.

با این حال، اختلالات میکروسکوپی روی یک سطح هوازده می‌تواند باعث شکستگی در شرایط تنش شدید موضعی شود، به عنوان مثال تاثیر بر سطح بیرونی، بنابراین استحکام ضربه تحت آزمایش کاهش می یابد.

حفاظت در برابر تخریب خورشید

معمولا لوله های پی وی سی تولید شده دارای سیستم های حفاظتی هستند که در دوره های عادی نگهداری و نصب در برابر اثرات مضر اطمینان حاصل می کنند. برای دوره‌های نگهداری بیش از یک سال، تا حدی که مقاومت ضربه‌ای برای نصب مهم است، حفاظت اضافی ممکن است توصیه شود.

این ممکن است با ذخیره سازی زیر پوشش، یا با پوشاندن پشته های لوله با مواد مناسب مانند حصیر فراهم شود. باید از گیر افتادن گرما خودداری کرد و تهویه را فراهم کرد. از ورقه های پلاستیکی سیاه رنگ نباید استفاده کرد. سیستم‌های لوله‌های تحت فشار بالای زمین ممکن است با پوششی از رنگ PVA سفید یا پاستلی محافظت شوند. چسبندگی خوب به سادگی با شستشوی مواد شوینده برای از بین بردن هر گونه چربی و کثیفی حاصل می شود.

پیری مواد

استحکام نهایی PVC به طور قابل توجهی با افزایش سن تغییر نمی کند. استحکام کششی نهایی کوتاه مدت آن به طور کلی افزایش جزئی را نشان می دهد. مهم است که درک کنیم که خط رگرسیون تنش نشان دهنده تضعیف ماده با گذشت زمان نیست، به عنوان مثال، لوله ای که برای چندین سال تحت فشار مداوم نگه داشته شود همچنان همان فشار ترکیدگی نهایی کوتاه مدت را مانند لوله جدید نشان می دهد.

با این حال، این ماده با گذشت زمان در مورفولوژی تغییر می کند، به این ترتیب که "حجم آزاد" در ماتریس کاهش می یابد و تعداد پیوندهای متقابل بین مولکول ها افزایش می یابد. این منجر به برخی تغییرات در خواص مکانیکی می شود:

• افزایش جزئی در استحکام کششی نهایی
• افزایش قابل توجه تنش تسلیم
• افزایش مدول در سطوح کرنش بالا

به طور کلی، این تغییرات سودمند به نظر می رسد. با این حال، پاسخ مواد در سطوح تنش بالا به این دلیل تغییر می‌کند که تسلیم موضعی در متمرکزکننده‌های تنش مهار می‌شود و قابلیت کرنش مقاله کاهش می‌یابد. احتمال وقوع شکستگی از نوع ترد بیشتر است و ممکن است کاهش کلی در مقاومت ضربه مشاهده شود.

این تغییرات به صورت تصاعدی با گذشت زمان، به سرعت بلافاصله پس از شکل‌گیری، و با گذر زمان آهسته‌تر رخ می‌دهند. پیری مصنوعی را می توان با عملیات حرارتی در دمای 60 درجه سانتی گراد به مدت 18 ساعت به دست آورد. PVC-O در فرآیند جهت گیری دچار چنین پیری می شود و ویژگی های آن شبیه به یک ماده کاملاً قدیمی است، اما با استحکام نهایی بسیار افزایش یافته است.

مقاومت در برابر سایش

پلاستیک ها معمولاً در شرایط سایشی عملکرد عالی از خود نشان می دهند. ویژگی های اصلی که به این امر کمک می کند مدول الاستیک پایین و ضریب اصطکاک است که این ماده را قادر می‌سازد تا ذرات به جای سایش سطح، تمایل به لغزش دارند.

مواد شناخته شده با اصطکاک کم مانند تفلون، نایلون و پلی یورتان ها ویژگی های برجسته ای دارند. با این حال، اقتصاد یک عامل اصلی است و عملکرد PVC در زمینه نرخ سایش/هزینه واحد عالی است. عوامل موثر بر سایش پیچیده هستند و ارتباط داده های آزمایش با شرایط عملی دشوار است.

موسسه سازه های هیدرومکانیک و هیدرولیک دانشگاه فنی دارمشتات در آلمان غربی مقاومت سایشی چندین محصول لوله را آزمایش کرد. شن و ماسه رودخانه ای مواد ساینده مورد استفاده در لوله های بتنی، لوله های سفالی شیشه ای لعابدار و لوله های پی وی سی بودند که نتایج زیر حاصل شد:

اثرات میکروبیولوژیکی

PVC در برابر حمله ارگانیسم های میکروبیولوژیکی که معمولاً در سیستم های آبرسانی و فاضلاب زیرزمینی با آن مواجه می شوند مصون است.

حمله ماکروبیولوژیکی

پی وی سی منبع غذایی نیست و در برابر آسیب موریانه ها و جوندگان بسیار مقاوم است.

اثر سولفیدهای خاک

تغییر رنگ خاکستری لوله‌های PVC زیرزمینی ممکن است در حضور سولفیدهایی که معمولاً در خاک‌های حاوی مواد آلی یافت می‌شوند، مشاهده شود. این به دلیل واکنش با سیستم های پایدار کننده مورد استفاده در فرآیند است. این یک اثر سطحی است و به هیچ وجه عملکرد را مختل نمی کند.