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 se presenta en formas rígidas (a veces abreviadas como RPVC) y flexibles. El PVC rígido se utiliza en la construcción para tuberías, puertas y ventanas. También se utiliza para fabricar botellas de plástico, embalajes 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 en sustitutos del caucho. [10] Con algodón o lino, se utiliza en la producción de lonas .
El cloruro de polivinilo es un sólido blanco y quebradizo. Es soluble en cetonas , disolventes clorados, dimetilformamida , THF y DMAc [11] .
El químico alemán Eugen Baumann sintetizó el PVC en 1872 tras una extensa investigación y experimentación. [12] El polímero apareció como un sólido blanco dentro de un frasco de cloruro de vinilo que había estado 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 el PVC en productos comerciales, pero las dificultades para procesar el polímero rígido y a veces quebradizo frustraron sus esfuerzos. Waldo Semon y la BF Goodrich Company desarrollaron un método en 1926 para plastificar el PVC mezclándolo con varios aditivos, [13] incluido el uso de ftalato de dibutilo en 1933. [14]
El cloruro de polivinilo se produce mediante la polimerización del monómero de cloruro de vinilo (VCM), como se muestra. [15]
Alrededor del 80% de la producción implica polimerización en suspensión . La polimerización en emulsión representa alrededor del 12% y la polimerización en masa representa el 8%. La polimerización en suspensión produce partículas con diámetros promedio de 100-180 μm, mientras que la polimerización en emulsión da partículas mucho más pequeñas de tamaño promedio alrededor de 0,2 μm. El VCM y el agua se introducen 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 garantizar un tamaño de partícula uniforme de la resina de PVC. La reacción es exotérmica y, por lo tanto, requiere enfriamiento. A medida que el volumen se reduce durante la reacción (el PVC es más denso que el VCM), se agrega agua continuamente a la mezcla para mantener la suspensión. [9]
El PVC se puede fabricar a partir de etileno , que puede producirse a partir de nafta o etano como materia prima. [16]
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 alternados. 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 da un pequeño porcentaje de cristalinidad que influye en las propiedades del material. Alrededor del 57% de la masa del PVC es cloro . La presencia de grupos cloruro le da al polímero propiedades muy diferentes del material estructuralmente relacionado, el polietileno . [17] A 1,4 g/cm 3 , la densidad del PVC también es mayor que la de los 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 mundial de PVC se encuentra en China , a pesar del cierre de muchas plantas de PVC chinas debido a problemas para cumplir con las regulaciones ambientales y a la escasa capacidad de escala. El mayor productor individual de PVC en 2018 es Shin-Etsu Chemical de Japón , con una participación global de alrededor del 30 %. [16]
El producto del proceso de polimerización es PVC sin modificar. Antes de que el PVC pueda convertirse en productos terminados, siempre requiere la 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 de expansión y supresores de humo y, opcionalmente, pigmentos. [18] La elección de los aditivos utilizados para el producto terminado de PVC está controlada por los requisitos de rendimiento de costo de la especificación de uso final (las tuberías subterráneas, los marcos de ventanas, los tubos intravenosos y los pisos tienen todos ingredientes muy diferentes para satisfacer sus requisitos de rendimiento). Anteriormente, se añadían bifenilos policlorados (PCB) a ciertos productos de PVC como retardantes de llama y estabilizadores. [19]
Entre los plásticos comunes , el PVC es único en su aceptación de grandes cantidades de plastificante con cambios graduales en las propiedades físicas desde un sólido rígido a un gel blando, [20] y casi el 90% de toda la producción de plastificante se utiliza para fabricar PVC flexible. [21] [22] La mayoría se utiliza en películas y revestimientos de cables. [23] El PVC flexible puede constar de más del 85% de plastificante en masa, sin embargo, el PVC no plastificado (UPVC) no debe contener ninguno. [24]
La clase más común de plastificantes utilizados en el PVC son los ftalatos, que son diésteres del ácido ftálico . Los ftalatos pueden clasificarse como de alto y bajo peso molecular, dependiendo de su peso molecular. Los ftalatos de bajo peso molecular, como el ftalato de bis(2-etilhexilo) (DEHP) y el ftalato de dibutilo (DBP), presentan 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), en general se consideran más seguros. [22]
Aunque el DEHP ha sido aprobado médicamente durante muchos años para su uso en dispositivos médicos, su uso en productos infantiles fue prohibido permanentemente en 2008 por el Congreso de Estados Unidos; [25] la combinación PVC-DEHP había demostrado ser muy adecuada para fabricar bolsas de sangre porque el DEHP estabiliza los glóbulos rojos, minimizando la hemólisis (ruptura de glóbulos rojos). Sin embargo, el DEHP está siendo 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, fue objeto de una revisión científica y de políticas 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 contienen ftalatos clasificados como CMR (carcinógenos, mutagénicos o tóxicos para la reproducción). [26] La etiqueta tiene como objetivo permitir que los profesionales de la salud utilicen este equipo de forma segura y, cuando sea necesario, tomen las medidas de precaución adecuadas para los pacientes en riesgo de sobreexposición [27] .
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Los estabilizadores BaZn han reemplazado con éxito a los estabilizadores a base de cadmio en Europa en muchas aplicaciones de PVC semirrígido y flexible. [28]
En Europa, en particular en Bélgica, se ha asumido el compromiso de eliminar el uso de cadmio (que antes se utilizaba como componente de los estabilizadores térmicos en los perfiles de las ventanas) y de eliminar gradualmente los estabilizadores térmicos a base de plomo (que se utilizan en las áreas de tuberías y perfiles), como el autodiacromato líquido y el polihidrocumato de calcio, para el año 2015. Según el informe final de Vinyl 2010 , [29] el cadmio se eliminó en toda Europa en 2007. La sustitución progresiva de los estabilizadores a base de plomo también se confirma en el mismo documento, que muestra una reducción del 75 % desde el año 2000 y que continúa. Esto se confirma por el correspondiente crecimiento de los estabilizadores a base de calcio, que se utilizan como alternativa a los estabilizadores a base de plomo, cada vez más, 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, incluidos, tradicionalmente, derivados de metales pesados (plomo, cadmio). Los jabones metálicos ("sales" metálicas de ácidos grasos como el estearato de calcio ) son comunes en aplicaciones de PVC flexible. [9]
El PVC es un polímero termoplástico . Sus propiedades suelen clasificarse en PVC rígidos y flexibles. [30]
La estabilidad térmica del PVC crudo es muy pobre, por lo que es necesario agregar un estabilizador térmico durante el proceso para garantizar las propiedades del producto. El PVC tradicional tiene una temperatura máxima de funcionamiento de alrededor de 60 °C (140 °F) cuando comienza a producirse distorsión térmica. [35]
Como termoplástico, el PVC tiene un aislamiento inherente que ayuda a reducir la formación de condensación y a resistir los cambios de temperatura interna de líquidos calientes y fríos. [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 privados, 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 tanto en aplicaciones de agua como de alcantarillado sanitario que tienen un diámetro de 100 mm (4 pulgadas) y más se unen típicamente por medio de una junta sellada con junta. El tipo de junta más común utilizado en América del Norte es un elastómero reforzado con metal, comúnmente conocido como sistema de sellado Rieber. [39]
El PVC se utiliza a menudo como revestimiento aislante en cables eléctricos . Se elige el PVC por su buen aislamiento eléctrico, facilidad de extrusión y resistencia a las quemaduras. [40]
En caso de incendio, el PVC puede formar vapores de cloruro de hidrógeno ; el cloro sirve para eliminar los radicales libres , lo que hace que los cables recubiertos de PVC sean ignífugos . Si bien los vapores de cloruro de hidrógeno también pueden representar un peligro para la salud por sí mismos, se disuelven en la humedad y se descomponen en las superficies, en particular en áreas donde el aire es lo suficientemente frío para respirar, por lo que no se inhalaría. [41]
El PVC se utiliza ampliamente en la construcción y en la industria de la edificación, [9] por ejemplo, el revestimiento de vinilo 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 de ventanas y alféizares cuando se instalan vidrios aislantes en edificios nuevos; o para reemplazar ventanas antiguas de un solo vidrio, ya que no se descompone y es resistente a la intemperie. Otros usos incluyen fascia y revestimiento o revestimiento de madera . Este material ha reemplazado casi por completo el uso de hierro fundido para plomería y drenaje , y se utiliza para tuberías de desechos, desagües, canaletas y bajantes . Se sabe que el PVC tiene una fuerte resistencia a los productos químicos, la luz solar y la oxidación del agua. [42]
El cloruro de polivinilo se forma en láminas planas de distintos grosores y colores. En las láminas planas, el PVC suele expandirse para crear huecos en el interior del material, lo que proporciona un grosor adicional sin peso adicional y con un coste adicional mínimo (véase el cartón pluma de PVC de celda cerrada ). Las láminas se cortan con sierras y equipos de corte rotatorio.
El PVC plastificado también se utiliza para producir películas delgadas, de colores o transparentes, con respaldo adhesivo , denominadas simplemente "vinilo". Estas películas se cortan normalmente en un trazador controlado por ordenador (véase 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 , vinilos o franjas de carreras en vehículos por motivos estéticos o como publicidad envolvente , y pegatinas de uso general . [43]
La tela de PVC es resistente al agua y se utiliza por sus propiedades resistentes a la intemperie en abrigos, equipos de esquí, zapatos, chaquetas y delantales . [ cita requerida ]
Las dos principales áreas de aplicación de los compuestos de PVC de un solo uso aprobados para uso médico son los contenedores y tubos flexibles: contenedores utilizados para sangre y componentes sanguíneos, para la recogida de orina o para productos de ostomía y tubos utilizados para equipos de extracción y donación de sangre, catéteres, equipos de derivación cardiopulmonar, equipos de hemodiálisis, etc. En Europa, el consumo de PVC procedente de dispositivos médicos es de aproximadamente 85.000 toneladas al año. Casi un tercio de los dispositivos médicos de plástico están hechos de PVC. [44]
El PVC se ha aplicado a diversos artículos como: botellas, [45] películas de embalaje , [45] blísters , [45] envoltorios adhesivos , [45] y sellos en tapas metálicas.
El PVC se puede extruir bajo presión para revestir cables de acero y cables de aviación que se utilizan para aplicaciones de uso general. Los cables de acero revestidos con PVC son más fáciles de manipular, resisten la corrosión y la abrasión y pueden codificarse por colores para una mayor visibilidad. Se encuentran en una variedad de industrias y entornos, tanto en interiores como en exteriores. [46]
El PVC moldeado se utiliza para producir discos de fonógrafo o "vinilo" . Las tuberías de PVC son una alternativa más barata a los tubos de metal que se utilizan en la fabricación de instrumentos musicales; por lo tanto, es una alternativa común en la fabricación de instrumentos de viento, a menudo para el ocio o para instrumentos más raros como la flauta contrabajo . Un instrumento que se construye casi exclusivamente a partir de tubos de PVC es el tangófono , un instrumento de percusión que se toca golpeando los tubos abiertos con una chancla o algo similar. [47] El PVC también se utiliza como materia prima en el revestimiento de los bajos de los automóviles. [48]
El PVC se puede modificar de forma útil mediante cloración, que aumenta su contenido de cloro hasta el 67 % o más. El cloruro de polivinilo clorado (CPVC), como se lo denomina, se produce mediante la cloración de una solución acuosa de partículas de PVC en suspensión seguida de 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 estadounidense de plastificantes; por diseño, los ftalatos no están unidos covalentemente a la matriz polimérica, lo que los hace muy susceptibles a la lixiviación. Los ftalatos están presentes en los plásticos en porcentajes elevados. Por ejemplo, pueden contribuir hasta en un 40% en peso a las bolsas médicas intravenosas y hasta en un 80% en peso a los tubos médicos. [49] Los productos de vinilo son omnipresentes (incluidos los juguetes, [50] los interiores de los automóviles, las cortinas de ducha y los suelos) 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 llamamiento a la prohibición del uso de DEHP en las cortinas de ducha, entre otros usos. [51]
En 2004, un equipo de investigación conjunto sueco-danés encontró una asociación estadística entre las alergias en niños y los niveles en el aire interior de DEHP y BBzP ( ftalato de butilbencilo ), que se utiliza en suelos de vinilo. [52] En diciembre de 2006, la Oficina Europea de Sustancias Químicas de la Comisión Europea publicó un borrador final de evaluación de riesgos del BBzP que no encontró "ninguna preocupación" para la exposición de los consumidores, incluida la exposición de los niños. [53]
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. [54]
En Europa se ha dejado de utilizar 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 plomo en 2015. [55] [56]
A principios de los años 1970, la carcinogenicidad del cloruro de vinilo (generalmente llamado monómero de cloruro de vinilo o VCM) se relacionó con cánceres en 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 poco común. [57] Desde entonces, los estudios de trabajadores del 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 durante la combustión.
Los estudios sobre la quema de residuos domésticos indican un aumento constante de la generación de dioxinas con el aumento de las concentraciones de PVC. [58] Según el inventario de dioxinas de la EPA de los 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 sistemáticamente altas concentraciones de dioxinas en áreas afectadas por la quema de residuos a cielo abierto y un estudio que examinó el patrón homólogo encontró que la muestra con la concentración más alta de dioxinas era "típica de la pirólisis del 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 en vertederos". [58]
Las siguientes fuentes más importantes de dioxinas en el inventario de la EPA de los EE. UU. son los incineradores de desechos médicos y municipales. [59] Se han realizado varios estudios que llegan a resultados contradictorios. Por ejemplo, un estudio de incineradores a escala comercial no mostró ninguna relación entre el contenido de PVC de los desechos y las emisiones de dioxinas. [60] [61] 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. [62] [63] [64]
En febrero de 2007, el Comité Asesor Técnico y Científico del Consejo de Construcción Ecológica de los Estados Unidos (USGBC) publicó su informe sobre la concesión de créditos a los materiales relacionados con la eliminación del PVC para el sistema de clasificación de edificios ecológicos LEED . El informe concluye que "ningún material aparece como el mejor en todas las categorías de impacto ambiental y sobre la salud humana, ni como el peor", pero que "el riesgo de emisiones de dioxinas coloca al PVC sistemáticamente entre los peores materiales en términos de impacto sobre la salud humana". [65]
En Europa, numerosos investigadores han establecido la enorme 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 desempeña un papel importante en la formación de dioxinas, pero no el contenido de cloro. [66]
Varios estudios han demostrado también que la eliminación del PVC de los residuos no reduciría significativamente la cantidad de dioxinas emitidas. La Comisión Europea publicó en julio de 2000 un Libro Verde sobre las cuestiones medioambientales del PVC [67].
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 un efecto significativo en la cantidad de dioxinas liberadas a través de la incineración de residuos plásticos ”. [68]
En Europa, los avances en la gestión de residuos de PVC han sido supervisados por Vinyl 2010, [69] establecida 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 ya sujetos a otra legislación o más específica (como las Directivas europeas sobre vehículos al final de su vida útil , envases y equipos eléctricos y electrónicos de desecho). [ cita requerida ]
Desde junio de 2011, se ha implementado VinylPlus, un nuevo conjunto de objetivos para el desarrollo sostenible. [70] Su principal objetivo es reciclar 800.000 toneladas de PVC al año para 2020, incluidas 100.000 toneladas de residuos "difíciles de reciclar". Un facilitador para la recolección y reciclaje de residuos de PVC es Recovinyl. [71] El tonelaje de PVC reciclado mecánicamente reportado y auditado en 2016 fue de 568.695 toneladas, que en 2018 había aumentado a 739.525 toneladas. [72]
Una forma de abordar el problema de los residuos de PVC es mediante el proceso llamado Vinyloop . Se trata de 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 PVC reciclado se utiliza en lugar del PVC virgen en diversas aplicaciones: revestimientos para piscinas, suelas de zapatos, mangueras, diafragmas de túneles, tejidos revestidos, láminas de PVC. [73] 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 conduce a una huella ecológica significativamente mejor . El potencial de calentamiento global es un 39 por ciento menor. [74]
En noviembre de 2005, una de las redes hospitalarias más grandes de los EE. UU., Catholic Healthcare West , firmó un contrato con B. Braun Melsungen para bolsas y tubos intravenosos sin vinilo. [75]
En enero de 2012, un importante proveedor de atención médica de la Costa Oeste de Estados Unidos, Kaiser Permanente , anunció que ya no compraría equipos médicos intravenosos (IV) fabricados con plastificantes tipo PVC y DEHP. [76]
En 1998, la Comisión de Seguridad de Productos del Consumidor de Estados Unidos (CPSC) llegó a un acuerdo voluntario con los fabricantes para eliminar los ftalatos de los sonajeros, mordedores, tetinas de biberones y chupetes de PVC. [77]
El PVC plastificado es un material común para los guantes médicos . Debido a que los guantes de vinilo tienen menos flexibilidad y elasticidad, varias pautas recomiendan guantes de látex o nitrilo para la atención clínica y los procedimientos que requieren destreza manual o que implican contacto con el paciente durante más de un breve período. Los guantes de vinilo muestran poca resistencia a muchos productos químicos, incluidos los productos a base de glutaraldehído y los alcoholes utilizados en la formulación de desinfectantes para limpiar superficies de trabajo o en frotaciones de manos. También se sabe que los aditivos del PVC causan reacciones cutáneas como dermatitis alérgica de contacto. Estos son, por ejemplo, el antioxidante bisfenol A , el biocida benzisotiazolinona , propilenglicol/poliéster adipato y etilhexilmaleato. [78]
Se analiza el ciclo de vida, la sostenibilidad y la idoneidad del PVC. [79] [ ¿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 . [80]
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