El cloruro de polivinilo (alternativamente: poli(cloruro de vinilo) , [6] [7] coloquial : vinilo [8] o polivinilo ; abreviado: PVC [8] ) es el tercer polímero sintético de plástico más producido en el mundo (después del polietileno y el polipropileno) . ). Cada año se producen alrededor de 40 millones de toneladas de PVC. [9]
El PVC viene en formas rígidas (a veces abreviadas como RPVC) y flexibles. El PVC rígido se utiliza en la construcción de tuberías, puertas y ventanas. También se utiliza en la fabricación de botellas de plástico, envases y tarjetas bancarias o de membresía. La adición de plastificantes hace que el PVC sea más suave y flexible. Se utiliza en plomería, aislamiento de cables eléctricos, pisos, señalización, discos fonográficos , productos inflables y sustitutos del caucho. [1] [10] Con algodón o lino, se utiliza en la producción de lienzos .
El cloruro de polivinilo es un sólido blanco y quebradizo. Es insoluble en todos los disolventes pero se hincha en su monómero y en algunos disolventes de hidrocarburos clorados.
El PVC fue sintetizado en 1872 por el químico alemán Eugen Baumann después de una extensa investigación y experimentación. [11] El polímero apareció como un sólido blanco dentro de un matraz de cloruro de vinilo que había sido dejado en un estante protegido de la luz solar durante cuatro semanas. A principios del siglo XX, el químico ruso Ivan Ostromislensky y Fritz Klatte, de la empresa química alemana Griesheim-Elektron, intentaron utilizar PVC en productos comerciales, pero las dificultades para procesar el polímero rígido y a veces quebradizo frustraron sus esfuerzos. Waldo Semon y BF Goodrich Company desarrollaron un método en 1926 para plastificar el PVC mezclándolo con varios aditivos, [12] incluido el uso de ftalato de dibutilo en 1933. [13]
El cloruro de polivinilo se produce mediante polimerización del monómero de cloruro de vinilo (VCM), como se muestra. [14]
Aproximadamente el 80% de la producción implica polimerización en suspensión . La polimerización en emulsión representa aproximadamente el 12% y la polimerización en masa representa el 8%. La polimerización en suspensión produce partículas con diámetros promedio de 100 a 180 μm, mientras que la polimerización en emulsión produce partículas mucho más pequeñas con un tamaño promedio de alrededor de 0,2 μm. Se introducen VCM y agua en el reactor junto con un iniciador de polimerización y otros aditivos. El contenido del recipiente de reacción se presuriza y se mezcla continuamente para mantener la suspensión y asegurar un tamaño de partícula uniforme de la resina de PVC. La reacción es exotérmica y por tanto requiere enfriamiento. A medida que se reduce el volumen durante la reacción (el PVC es más denso que el VCM), se añade agua continuamente a la mezcla para mantener la suspensión. [9]
El PVC puede fabricarse a partir de etileno , que puede producirse a partir de nafta o etano como materia prima. [15]
Los polímeros son lineales y fuertes. Los monómeros están dispuestos principalmente de cabeza a cola, lo que significa que el cloruro se encuentra en centros de carbono alternos. El PVC tiene principalmente una estereoquímica atáctica , lo que significa que la estereoquímica relativa de los centros de cloruro es aleatoria. Un cierto grado de sindiotacticidad de la cadena proporciona un pequeño porcentaje de cristalinidad que influye en las propiedades del material. Aproximadamente el 57% de la masa del PVC es cloro . La presencia de grupos cloruro confiere al polímero propiedades muy diferentes a las del material estructuralmente relacionado polietileno . [16] Con 1,4 g/cm 3 , la densidad del PVC también es mayor que la de estos plásticos estructuralmente relacionados, como el polietileno (0,88–0,96 g/cm 3 ) y el polimetilmetacrilato (1,18 g/cm 3 ).
Aproximadamente la mitad de la capacidad de producción de PVC del mundo se encuentra en China , a pesar del cierre de muchas plantas de PVC chinas debido a problemas para cumplir con las regulaciones ambientales y capacidades de escala deficientes. El mayor productor individual de PVC en 2018 es Shin-Etsu Chemical de Japón , con una participación global de alrededor del 30%. [15]
El producto del proceso de polimerización es PVC sin modificar. Antes de que el PVC pueda convertirse en productos terminados, siempre requiere su conversión en un compuesto mediante la incorporación de aditivos (pero no necesariamente todos los siguientes), como estabilizadores térmicos , estabilizadores UV , plastificantes, coadyuvantes de procesamiento, modificadores de impacto, modificadores térmicos, rellenos. , retardantes de llama , biocidas , agentes espumantes y supresores de humo y, opcionalmente, pigmentos. [17] La elección de los aditivos utilizados para el producto acabado de PVC está controlada por los requisitos de rentabilidad de la especificación de uso final (las tuberías subterráneas, los marcos de ventanas, los tubos intravenosos y los pisos tienen ingredientes muy diferentes para adaptarse a sus requisitos de rendimiento). Anteriormente, se añadían bifenilos policlorados (PCB) a ciertos productos de PVC como retardantes de llama y estabilizadores. [18]
Entre los plásticos comunes , el PVC es único en su aceptación de grandes cantidades de plastificante con cambios graduales en las propiedades físicas de un sólido rígido a un gel blando, [19] y casi el 90% de toda la producción de plastificante se utiliza para fabricar PVC flexible. [20] [21] La mayoría se utiliza en películas y revestimientos de cables. [22] El PVC flexible puede contener más del 85% de plastificante en masa; sin embargo, el PVC no plastificado (UPVC) no debe contener ninguno. [23]
La clase más común de plastificantes utilizados en el PVC son los ftalatos, que son diésteres del ácido ftálico . Los ftalatos se pueden clasificar en altos y bajos, según su peso molecular. Los ftalatos bajos, como el ftalato de bis(2-etilhexilo) (DEHP) y el ftalato de dibutilo (DBP), tienen mayores riesgos para la salud y, en general, se están eliminando gradualmente. Los ftalatos de alto peso molecular, como el ftalato de diisononilo (DINP) y el ftalato de diisodecilo (DIDP), generalmente se consideran más seguros. [21]
Si bien el DEHP ha sido aprobado médicamente durante muchos años para su uso en dispositivos médicos, en 2008 el Congreso de los EE. UU. prohibió permanentemente su uso en productos para niños en los EE. UU.; [24] la combinación PVC-DEHP había demostrado ser muy adecuada para fabricar bolsas de sangre porque el DEHP estabiliza los glóbulos rojos, minimizando la hemólisis (rotura de los glóbulos rojos). Sin embargo, el DEHP está sometido a una presión cada vez mayor en Europa. La evaluación de los riesgos potenciales relacionados con los ftalatos, y en particular el uso de DEHP en dispositivos médicos de PVC, estuvo sujeta a revisión científica y política por parte de las autoridades de la Unión Europea, y el 21 de marzo de 2010, se introdujo un requisito de etiquetado específico en toda la UE para todos los dispositivos que contengan ftalatos que estén clasificados como CMR (cancerígenos, mutagénicos o tóxicos para la reproducción). [25] La etiqueta tiene como objetivo permitir a los profesionales de la salud utilizar este equipo de forma segura y, cuando sea necesario, tomar las medidas de precaución adecuadas para los pacientes en riesgo de sobreexposición [26]
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Los estabilizadores BaZn han reemplazado con éxito a los estabilizadores a base de cadmio en Europa en muchas aplicaciones semirrígidas y flexibles de PVC. [27]
En Europa, particularmente en Bélgica, se ha comprometido a eliminar el uso de cadmio (utilizado anteriormente como componente de estabilizadores térmicos en perfiles de ventanas) y eliminar gradualmente los estabilizadores térmicos a base de plomo (como los utilizados en áreas de tuberías y perfiles), como autodiacromato líquido y polihidrocumato de calcio para 2015. Según el informe final de Vinyl 2010 , [28] el cadmio fue eliminado en toda Europa para 2007. La progresiva sustitución de estabilizadores a base de plomo también se confirma en el mismo documento mostrando una reducción del 75% desde 2000 y en curso. Esto lo confirma el correspondiente crecimiento de los estabilizadores a base de calcio, que se utilizan cada vez más como alternativa a los estabilizadores a base de plomo, también fuera de Europa. [9]
Algunos de los aditivos más importantes son los estabilizadores térmicos. Estos agentes minimizan la pérdida de HCl , un proceso de degradación que comienza por encima de los 70 °C (158 °F) y es autocatalítico . Se han utilizado muchos agentes diversos incluyendo, tradicionalmente, derivados de metales pesados (plomo, cadmio). Los jabones metálicos ("sales" metálicas de ácidos grasos como el estearato de calcio ) son comunes en las aplicaciones de PVC flexible. [9]
El PVC es un polímero termoplástico . [29] Sus propiedades generalmente se clasifican en función del PVC rígido y flexible. [30]
La estabilidad térmica del PVC en bruto es muy pobre, por lo que es necesaria la adición de un estabilizador térmico durante el proceso para garantizar las propiedades del producto. El producto tradicional de PVC tiene una temperatura máxima de funcionamiento de alrededor de 60 °C (140 °F) cuando comienza a producirse la distorsión por calor. [35]
Como termoplástico, el PVC tiene un aislamiento inherente que ayuda a reducir la formación de condensación y a resistir los cambios de temperatura internos de líquidos fríos y calientes. [35]
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Aproximadamente la mitad de la resina de PVC que se fabrica anualmente en el mundo se utiliza para producir tuberías para aplicaciones municipales e industriales. [36] En el mercado de propietarios de viviendas privadas, representa el 66% del mercado doméstico en los EE. UU., y en aplicaciones de tuberías de alcantarillado sanitario doméstico, representa el 75%. [37] [38] Las tuberías de PVC enterradas en aplicaciones de agua y alcantarillado sanitario que tienen 100 mm (4 pulgadas) de diámetro y más generalmente se unen mediante una junta sellada con junta. El tipo de junta más común utilizado en Norteamérica es un elastómero reforzado con metal, comúnmente conocido como sistema de sellado Rieber. [39]
El PVC se utiliza ampliamente y en gran medida en la construcción y la industria de la edificación. [9] Por ejemplo, el revestimiento vinílico es un material popular de bajo mantenimiento, particularmente en Irlanda , el Reino Unido, los Estados Unidos y Canadá. El material viene en una variedad de colores y acabados, incluido un acabado de madera con efecto fotográfico, y se utiliza como sustituto de la madera pintada, principalmente para marcos y alféizares de ventanas cuando se instalan acristalamientos aislantes en edificios nuevos; o para sustituir ventanas antiguas de monocristal, ya que no se descompone y es resistente a la intemperie. Otros usos incluyen fascias y revestimientos o tablas de intemperie . Este material ha sustituido casi por completo el uso del hierro fundido para fontanería y drenaje , utilizándose para desagües, desagües, canalones y bajantes . Se sabe que el PVC tiene una fuerte resistencia a los productos químicos, la luz solar y la oxidación del agua. [40]
El cloruro de polivinilo se forma en láminas planas de diversos espesores y colores. Como láminas planas, el PVC a menudo se expande para crear huecos en el interior del material, proporcionando espesor adicional sin peso adicional y con un costo adicional mínimo (ver tablero de espuma de PVC de celda cerrada ). Las láminas se cortan mediante sierras y equipos de corte rotativos.
El PVC plastificado también se utiliza para producir películas delgadas, coloreadas o transparentes con respaldo adhesivo , denominadas simplemente "vinilo". Estas películas generalmente se cortan en un trazador controlado por computadora (ver cortador de vinilo ) o se imprimen en una impresora de gran formato . Estas láminas y películas se utilizan para producir una amplia variedad de productos de señalización comercial , envolturas de vinilo o franjas de carreras en vehículos con fines estéticos o como publicidad envolvente , y calcomanías de uso general . [41]
La tela de PVC es resistente al agua y se utiliza por sus cualidades de resistencia a la intemperie en abrigos, equipos de esquí, zapatos, chaquetas y delantales . [ cita necesaria ]
Las dos principales áreas de aplicación de los compuestos de PVC de un solo uso y aprobados médicamente son los recipientes y tubos flexibles: recipientes utilizados para sangre y componentes sanguíneos, para recogida de orina o para productos de ostomía y tubos utilizados para equipos de extracción y administración de sangre, catéteres, sistemas de circulación extracorpórea. equipos de bypass, equipos de hemodiálisis, etc. En Europa, el consumo de PVC procedente de dispositivos médicos es de aproximadamente 85.000 toneladas cada año. Casi un tercio de los dispositivos médicos de plástico están fabricados de PVC. [42]
El PVC se puede extruir bajo presión para revestir cables metálicos y cables de aviones utilizados para aplicaciones de uso general. El cable recubierto de PVC es más fácil de manejar, resiste la corrosión y la abrasión y puede estar codificado por colores para una mayor visibilidad. Se encuentra en una variedad de industrias y entornos tanto interiores como exteriores. [43]
El PVC moldeado se utiliza para producir discos fonográficos o "vinilo" . Las tuberías de PVC son una alternativa más económica a los tubos metálicos utilizados en la fabricación de instrumentos musicales; Por tanto, es una alternativa habitual a la hora de fabricar instrumentos de viento, a menudo para el ocio o para instrumentos más raros como la flauta contrabajo . Un instrumento que se construye casi exclusivamente con tubos de PVC es el tangófono , un instrumento de percusión que se toca golpeando los tubos abiertos con una chancla o similar. [44] El PVC también se utiliza como materia prima en el revestimiento de bajos de automóviles. [45]
El PVC se puede modificar de manera útil mediante cloración, lo que aumenta su contenido de cloro al 67% o más. El cloruro de polivinilo clorado (CPVC), como se le llama, se produce mediante la cloración de una solución acuosa de partículas de PVC en suspensión seguida de la exposición a la luz ultravioleta , que inicia la cloración por radicales libres. [9]
Los ftalatos, que se incorporan a los plásticos como plastificantes, representan aproximadamente el 70% del mercado de plastificantes de Estados Unidos; Por diseño, los ftalatos no están unidos covalentemente a la matriz polimérica, lo que los hace muy susceptibles a la lixiviación. Los plásticos contienen ftalatos en altos porcentajes. Por ejemplo, pueden contribuir hasta un 40% en peso en bolsas médicas intravenosas y hasta un 80% en peso en tubos médicos. [46] Los productos de vinilo están omnipresentes (incluidos juguetes, [47] interiores de automóviles, cortinas de baño y pisos) e inicialmente liberan gases químicos al aire. Algunos estudios indican que esta desgasificación de aditivos puede contribuir a complicaciones de salud y han dado lugar a un llamado a prohibir el uso de DEHP en las cortinas de baño, entre otros usos. [48]
En 2004, un equipo de investigación conjunto sueco-danés encontró una asociación estadística entre las alergias en los niños y los niveles de DEHP y BBzP ( ftalato de butilbencilo ) en el aire interior, que se utilizan en los suelos de vinilo. [49] En diciembre de 2006, la Oficina Europea de Productos Químicos de la Comisión Europea publicó un borrador final de evaluación de riesgos del BBzP que no encontró "ninguna preocupación" por la exposición de los consumidores, incluida la exposición de los niños. [50]
Anteriormente se habían agregado ampliamente compuestos de plomo al PVC para mejorar la trabajabilidad y la estabilidad, pero se ha demostrado que se filtran al agua potable desde las tuberías de PVC. [51]
En Europa se ha suspendido el uso de estabilizadores a base de plomo. El compromiso voluntario de VinylPlus que comenzó en 2000 permitió a los miembros de la Asociación Europea de Productores de Estabilizadores (ESPA) completar la sustitución de los estabilizadores a base de Pb en 2015. [52] [53]
A principios de la década de 1970, la carcinogenicidad del cloruro de vinilo (normalmente llamado monómero de cloruro de vinilo o VCM) se relacionó con el cáncer en los trabajadores de la industria del cloruro de polivinilo. En concreto, a los trabajadores de la sección de polimerización de una planta de BF Goodrich cerca de Louisville, Kentucky , se les diagnosticó angiosarcoma hepático , también conocido como hemangiosarcoma , una enfermedad rara. [54] Desde entonces, estudios de trabajadores de PVC en Australia, Italia, Alemania y el Reino Unido han asociado ciertos tipos de cánceres ocupacionales con la exposición al cloruro de vinilo, y se ha aceptado que el VCM es un carcinógeno. [9]
El PVC produce HCl y dióxido de carbono tras la combustión.
Los estudios sobre la quema de residuos domésticos indican aumentos constantes en la generación de dioxinas al aumentar las concentraciones de PVC. [55] Según el inventario de dioxinas de la EPA de EE. UU., es probable que los incendios en vertederos representen una fuente aún mayor de dioxinas para el medio ambiente. Una encuesta de estudios internacionales identifica consistentemente altas concentraciones de dioxinas en áreas afectadas por la quema de desechos a cielo abierto y un estudio que analizó el patrón homólogo encontró que la muestra con la mayor concentración de dioxinas era "típica de la pirólisis de PVC". Otros estudios de la UE indican que el PVC probablemente "representa la abrumadora mayoría del cloro disponible para la formación de dioxinas durante los incendios de vertederos". [55]
Las siguientes fuentes más importantes de dioxinas en el inventario de la EPA de EE. UU. son los incineradores de desechos médicos y municipales. [56] Se han realizado diversos estudios que llegan a resultados contradictorios. Por ejemplo, un estudio de incineradores a escala comercial no mostró relación entre el contenido de PVC de los residuos y las emisiones de dioxinas. [57] [58] Otros estudios han demostrado una clara correlación entre la formación de dioxinas y el contenido de cloruro e indican que el PVC contribuye significativamente a la formación de dioxinas y PCB en los incineradores. [59] [60] [61]
En febrero de 2007, el Comité Asesor Técnico y Científico del US Green Building Council (USGBC) publicó su informe sobre un crédito para materiales relacionados con la evitación de PVC para el sistema LEED Green Building Rating. El informe concluye que "ningún material aparece como el mejor en todas las categorías de impacto ambiental y para la salud humana, ni como el peor", pero que "el riesgo de emisiones de dioxinas coloca al PVC constantemente entre los peores materiales para los impactos en la salud humana". [62]
En Europa, numerosos investigadores han demostrado la abrumadora importancia de las condiciones de combustión en la formación de dioxinas. El factor más importante en la formación de compuestos similares a las dioxinas es la temperatura de los gases de combustión. La concentración de oxígeno también juega un papel importante en la formación de dioxinas, pero no el contenido de cloro. [63]
Varios estudios también han demostrado que eliminar el PVC de los residuos no reduciría significativamente la cantidad de dioxinas emitidas. La Comisión de la UE publicó en julio de 2000 un Libro Verde sobre las cuestiones medioambientales del PVC" [64]
Un estudio encargado por la Comisión Europea sobre "Evaluación del ciclo de vida del PVC y de los principales materiales competidores" afirma que "Estudios recientes muestran que la presencia de PVC no tiene ningún efecto significativo sobre la cantidad de dioxinas liberadas mediante la incineración de residuos plásticos ". [sesenta y cinco]
En Europa, la evolución de la gestión de residuos de PVC ha sido supervisada por Vinyl 2010, [66] establecido en 2000. El objetivo de Vinyl 2010 era reciclar 200.000 toneladas de residuos de PVC posconsumo por año en Europa para finales de 2010, excluyendo los flujos de residuos que ya sujeto a otra legislación o más específica (como las Directivas Europeas sobre Vehículos al final de su vida útil , Embalajes y Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos). [ cita necesaria ]
Desde junio de 2011, le sigue VinylPlus, un nuevo conjunto de objetivos para el desarrollo sostenible. [67] Su principal objetivo es reciclar 800.000 toneladas anuales de PVC para 2020, incluidas 100.000 toneladas de residuos "difíciles de reciclar". Un facilitador para la recogida y el reciclaje de residuos de PVC es Recovinyl. [68] El tonelaje de PVC reciclado mecánicamente declarado y auditado en 2016 fue de 568.695 toneladas, que en 2018 había aumentado a 739.525 toneladas. [69]
Una forma de abordar el problema de los residuos de PVC es también mediante el proceso denominado Vinyloop . Es un proceso de reciclaje mecánico que utiliza un disolvente para separar el PVC de otros materiales. Este disolvente se convierte en un proceso de circuito cerrado en el que se recicla el disolvente. El PVC reciclado se utiliza en sustitución del PVC virgen en diversas aplicaciones: revestimientos para piscinas, suelas de zapatos, mangueras, diafragmas de túnel, tejidos recubiertos, láminas de PVC. [70] La demanda de energía primaria de este PVC reciclado es un 46 por ciento menor que la del PVC producido convencionalmente. Por lo tanto, el uso de material reciclado genera una huella ecológica significativamente mejor . El potencial de calentamiento global es un 39 por ciento menor. [71]
En noviembre de 2005, una de las redes hospitalarias más grandes de Estados Unidos, Catholic Healthcare West , firmó un contrato con B. Braun Melsungen para bolsas y tubos intravenosos sin vinilo. [72]
En enero de 2012, un importante proveedor de atención médica de la costa oeste de EE. UU., Kaiser Permanente , anunció que ya no comprará equipos médicos intravenosos (IV) fabricados con PVC y plastificantes tipo DEHP. [73]
En 1998, la Comisión de Seguridad de Productos de Consumo (CPSC) de Estados Unidos llegó a un acuerdo voluntario con los fabricantes para eliminar los ftalatos de los sonajeros, mordedores, tetinas de biberones y chupetes de PVC. [74]
El PVC plastificado es un material común para guantes médicos . Debido a que los guantes de vinilo tienen menos flexibilidad y elasticidad, varias pautas recomiendan guantes de látex o de nitrilo para atención clínica y procedimientos que requieren destreza manual y/o que implican contacto con el paciente durante más de un breve período. Los guantes de vinilo muestran poca resistencia a muchas sustancias químicas, incluidos los productos a base de glutaraldehído y los alcoholes utilizados en la formulación de desinfectantes para limpiar superficies de trabajo o para frotar las manos. También se sabe que los aditivos del PVC provocan reacciones cutáneas como la dermatitis alérgica de contacto. Se trata, por ejemplo, del antioxidante bisfenol A , del biocida bencisotiazolinona , del poliéster de propilenglicol/adipato y del maleato de etilhexilo. [75]
Se analizan el ciclo de vida, la sostenibilidad y la idoneidad del PVC. [76] [ ¿ por quién? ] En Europa, un informe de progreso de VinylPlus de 2021 indicó que se reciclaron 731.461 toneladas de PVC en 2020, una reducción del 5% en comparación con 2019 debido a la pandemia de COVID-19 . [77]
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