پلی وینیل الکل چیست؟

پلی وینیل الکل خالص (PVOH) یک پلیمر سنتزی محلول در آب و بصورت پودر سفید رنگ قابل ذوب می باشد که در دمای C°۲۳۰ تجزیه می¬شود. PVOH از یک خاصیت بسیار جذاب برخوردار است و آن، قابلیت تجزیه بیولوژیکی است. مونومرهای وینیل الکل ضعیف هستند و PVOH از جایگزینی گروه استات در وینیل استات با گروههای هیدروکسیل تهیه می شود؛ ساختار ۱و۳-گلایکول یا سر به دم مطلوب است. هیدرولیز گروه استات بوسیله متانول در حضور متیلات سدیم انیدرید یا محلول هیدروکسید سدیم در دما و فشار محیط انجام می شود. بسیاری از کارخانه های تولید PVOH یک فرآیند پیوسته برای تولید دارند که باعث تولید محصولی با هیدرولیز بیش از ۸۰% می شود. درجه هیدرولیز PVOH بر روی خواص آن تاثیر می گذارد از قبیل کشش سطحی، سازگاری، سینتیک واکنش، رئولوژی و حلالیت در آب.
PVOH تجاری دارای گرانروی و مقدار گروههای استیل متفاوتی هستند. PVOH که قسمتی از آن هیدرولیز شده باشد دارای دمای ذوب/تخریب پایین تری است، هیدرولیز زیاد باعث کاهش حلالیت می شود با افزایش وزن مولکولی گرانروی افزایش می یابد و PVOH تجاری دارای واحدهای مونومری ۳۵۰۰-۳۰۰۰ و وزن مولکولی ۲۰۰۰۰۰-۱۳۰۰۰ می باشند. در نامگذاری محصولات تجاری، اولین شماره درجه هیدرولیز و شماره دوم نشان دهنده گرانروی در واحد سانتی پواز ( محلول آب ۴% در دمای C°۲۰) می باشد. متناوبا درصد هیدرولیز با واژه های “عالی” برای ۹۹% به بالا، “کامل” برای %۹۹-۹۸، “متوسط” برای %۹۸-۹۰ و “جزئی” برای %۸۹-۸۵ مشخص می شود.
PVOH یک پلیمر سنتزی محلول در آب با ساختار یکنواخت می باشد. برای استفاده های نهایی، تعدادی استخلاف برای PVOH وجود دارد. PVOH معمولاً سهم کم و یا متوسطی (حداکثر %۲۰) از محصولاتی را که در آنها به کار می¬رود به خود اختصاص می¬دهد.

 

خواص، فن آوری و کاربرد
PVOH در حالت خشک پایدار، بدون بو، غیرسمی و برای حمل با دست ایمن و دوستدار محیط زیست است. با این حال باید مراقب بود تا میزان گردوغبار در هنگام حمل و نقل و ذخیره سازی به حداقل برسد تا از انفجار غبارجلوگیری به عمل آید. از PVOH می توان برای ساخت فیلم و پوشش هایی استفاده کرد که دارای قدرت کششی و انعطاف پذیری بالا هستند و در برابر نفوذ اکسیژن، دی اکسید کربن و دیگر بخارها مقاومند. PVOH در آب سرد و گرم محلول است. بعنوان مثال، PVOH با %۸۸ هیدرولیز در آب سرد و گرم حل می شود، اما PVOH با %۹۸ هیدرولیز فقط در آب گرم حل می شود. بقیه ویژگی ها با هم برابر هستن، درجه هیدرولیز بالاتر، حلالیت کمتر را سبب می شود.
کارایی های خاص PVOH با درجه هیدرولیز و گرانروی متغیر است. درجه هیدرولیز بالاتر باشد، مقاومت نسبت به آب نیز بهتر خواهد بود. برای مثال، چسب های مقاوم در برابر آب باید بطور کامل هیدرولیز شوند، اما کاربردهایی که مقاومت در برابر آب نیاز ندارند از PVOH با هیدولیز جزئی استفاده می کنند. بطور مشابه، کارخانه های تولید کاغذ درجات مختلفی از PVOH را با توجه به خواص مورد نیاز انتخاب می کنند مثل مقاومت در برابر آب و روغن و همینطور قابلیت جوهرپذیری.
در بازار منسوجات، جایی که از PVOH در مرحله¬ی آهار زدن نخ ها استفاده می¬شود تا در طول فرایند بافندگی پاره نشوند، PVOH بر اساس نوع نخ، نوع ماشین و ترکیبات دیگر محلول آهار زنی انتخاب می شود مثل آهار، گرانروی، مقاومت در برابر سایش و سهولت حذف محلول بعد از پارچه بافی.
محلول آبی PVOH نسبتا اسیدی است و مستعد رشد قارچ می باشد. رطوبت مثل یک نرم کننده عمل می کند و باعث کاهش قدرت کششی می شود ولی باعث افزایش ازدیاد طول و آستانه پارگی می شود. PVOH در زمان کوتاه و به طور کامل در محیط زیست تجزیه می¬شود و همین امر سبب می¬شود که این ماده به عنوان گزینه¬ی مناسبی برای استفاده در برخی کاربردها نظیر جلد شوینده¬های یک بار مصرف و یا ماهیگیری (جایی که یک بسته PVOH از طعمه بر سر قلاب بسته شده، در آب انداخته می¬شود و به تدریج با انحلال PVOH در آب، طعمه¬ها آزاد شده و در آب پخش می¬شوند) مطرح شود.
PVOH در حلال های نفتی نامحلول است و این ویژگی اجازه می دهد تا در پوشش ها و فیلم ها مورد استفاده قرار گیرد. در حال حاضر PVOHدر موارد متنوعی مورد استفاده قرار می¬گیرد که از آن جمله می¬توان به ترکیبات قالب¬گیری پلاستیک (بطور مثال اپوکسی به پوشش های PVOH نمی¬چسبد)، پوشش ها و فیلم های مقاوم به گازوئیل و سوخت، فرایند آهار زنی و تکمیل در نساجی، چسب¬ها، جوهرهای چاپ، شیشه های پوشش¬داده شده، وسایل آرایشی و تزئینی، مواد دارویی (به عنوان عامل افزایش دهنده گرانروی) و الیاف تقویتی بتن اشاره نمود.

 

بازار و هزینه ها
تولید PVOH یک کسب و کار سرمایه محور است که مستلزم هزینه های ثابت بالا است. بر این اساس، تولید کنندگان باید از نرخ بالای تولید و حاشیه سود کافی برخوردار باشند تا بتوانند هزینه¬های تعمیر و نگهداری تجهیزاتشان را تأمین کنند.
بسیاری از بازارهای مصرف PVOH کاملا رشد یافته¬اند و از رشد سالانه حدود ۲% برخوردارند، که پایینتر از نرخ رشد تولید ناخالص داخلی است. با این حال، در کشورهای مختلف این رشد متفاوت است.
در اروپای غربی و ایالات متحده آمریکا، بزرگترین بازار مصرف PVOH در تولید پلی وینیل بوتیرال (PVB) است، و در ادامه استفاده در مواردی از از قبیل آهار زدن در نساجی، چسب، پوشش ها و فیلم ها، مواد ساختمانی، کمک به پلیمریزاسیون، محصولات زیست تخریب پذیر، آرایشی و پزشکی دارد. آهار زنی و تکمیل منسوجات، کاغذ، مقوا و چسب حدود یک سوم از این بازار را در اختیار دارند. آهار زنی فرایندیست که موجب افزایش سختی و انعطاف پذیری نخ می¬شود. در طول سال های ۲۰۰۷-۲۰۰۳ کل تولید محصولات نساجی در ایالات متحده ۵۰% کاهش یافت واین روند کاهشی تقریباً خطی بود. به این ترتیب طی این مدت، تقاضا برای خرید PVOH نیز کاهش یافت.
PVB برای لایه زنی در شیشه جلو خودروها (ایجاد لایه میانی در شیشه جلو)، شیشه های ساختمانی مقاوم در برابر بار و صفحات شیشه ای سلول های خورشیدی استفاده می شود. کاهش اخیر (۲۰۱۰-۲۰۰۶) در میزان تولید خودرو ( به عنوان مثال، تولید در سال ۲۰۰۸ نسبت به سال ۲۰۰۷، ۱۵% کاهش یافته اما در سال ۲۰۱۱ مجدداً شاهد رشد بوده و به حالت اول بازگشته) و روند کاهش وزن کلی خودروها با جایگزینی شیشه¬های یکپارچه، سختکاری شده و نسبتاً سنگین عقب و کناری خودرو، با شیشه های ایمن، سبک و با لایه¬ی میانی PVOH باعث شده تا مصرف PVOH در این حوزه افزایش یابد. صفحات شیشه¬ایِ فوتوولتاییک با لایه¬یِ میانیِ PVOH که در سلول¬های خورشیدی مورد استفاده قرار می¬گیرند، یکی دیگر از بازارهایِ مصرفِ در حالِ رشدِ PVOH هستند، هرچند که انتظار نمی¬رود تقاضا در این بازار پیش از سال ۲۰۱۳ و یا حتی بعد از آن شاهد رشد شتابدار و سریع باشد.
در روند صعودی استفاده از الیاف بازیافتی در چاپ، PVOH به واسطه¬ی مقاومت بیشتری که در مقایسه¬ با سایر رزین¬ها مورد استفاده در این حوزه از قبیل کازئین، پروتئین سویا، و مواد نشاسته ای دارد، بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. رشد PVOH در این بخش، سالانه بیش از ۲% تخمین زده می¬شود.
PVOH بعنوان تعدیل کننده در چسب های امولسیونی پلی وینیل استات مورد استفاده در چسب¬های مایع تجاری در بازارهای چین، بکار می رود. تمرکز تولید PVOH در آسیاست به طوریکه، حجم تولید این ماده در آسیا، ۷۵% کل تولید جهانی را تشکیل می دهد. چین اخیراً واحدهای تولید PVOH بزرگی را راه اندازی کرده و به تنهایی ظرفیت تأمین ۵۰% نیاز جهانی را داراست. اما رکود اقتصاد جهان روی صادرات PVOH تاثیر گذاشته است: در سال ۲۰۰۶، چین ۴۲۰۰۰ میلیون تن صادرات داشته است اما در سال ۲۰۰۷ این میزان به ۳۰۰۰۰ میلیون تن کاهش یافته است. در سال ۲۰۰۷ ژاپن ۸۵۰۰۰ میلیون تن صادرات داشته ولی در سال ۲۰۰۸ میزان این صادرات به ۷۲۰۰۰ میلیون تن اُفت کرده است. این اطلاعات مصارف داخلی را شامل نمی شود.
مواد خام اصلی مورد استفاده برای تولید PVOH، گاز اتیلن، اسید استیک و مونومر متانول یا وینیل استات می¬باشد. اتیلن و اسید استیک با هم مخلوط شده و مونومر وینیل استات را تولید می کنند که به روشی که در مقدمه گفته شد پلیمریزه می شود. این مواد خام هزینه های اصلی تولید را تشکیل می دهند. گاز طبیعی (متان) یا مشتق آن اتان، ماده خام اولیه برای تولید مونور وینیل استات هستند و قیمت گاز طبیعی عامل اصلی در هزینه های تولید PVOH است.
PVOH نسبتاً از رقابت مصون است. برای بسیاری از کاربردها هیچ جایگزینی برای PVOH وجود ندارد اما در برخی از کاربردها، کربوکسی متیل سلولز، پلی وینیل استات، لاتکس استایرن بوتادین می تواند بصورت جایگزین استفاده شود. نشاسته بعنوان عامل آهار زدن در نساجی استفاده می شود و لاتکس استایرن بوتادین بعنوان بایندر و سفیدکننده نوری در تولید کاغذ مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال PVOH از هر دوی آنها کارآمدتر است.

 

خلاصه و نتیجه گیری
پلی وینیل الکل (PVOH) یک پلیمر سنتزی محلول در آب است که پودر سفیدرنگ آن می تواند ذوب شده و در دمای ۲۳۰ درجه تجزیه شود. PVOH در حالت خشک پایدار، بی بو و غیرسمی است و برای محیط زیست مضر نمی باشد. نکته مهم این است که این ماده قابلیت تجزیه بیولوژیکی دارد. برای بسیاری از کاربردها، برخی از مشتقات PVOH در دسترس است. PVOH در بسیاری از محصولاتی که در آنها بعنوان ماده اولیه استفاده می شود، حداکثر ۲۰% از هزینه نهایی را تشکیل می دهد. فشار قیمت بر روی PVOH به نظر می رسد تاثیر کمی بر روی هزینه نهایی محصولات دارد، اما قیمت گاز طبیعی در قیمت نهایی PVOH تاثیر بزرگی دارد.
PVOH از هیدرولیز پلی وینیل استات بدست می آید و انواع تجاری آن %۱۰۰-۸۰ هیدرولیز شده و وزن مولکولی آنها بین ۲۰۰۰۰۰-۱۳۰۰۰ می باشد. درجه هیدرولیز PVOH بر روی خواص فیزیکی از قبیل کشش بین سطحی محلول، سازگاری، سینتیک واکنش، رئولوژی و حلالیت در آب تاثیر می گذارد. اگر PVOH به طور جزئی هیدرولیز شده باشد دمای ذوب پایینی دارد، درجه هیدرولیز بالا موجب کاهش حلالیت می شود و گرانروی با افزایش وزن مولکولی افزایش می یابد.
PVOH می تواند بصورت فیلم و پوشش مورد استفاده قرار گیرد که فیلم و پوشش به دست آمده در این حالت از قدرت کششی و انعطاف پذیری بالا و مقاومت زیاد در مقابل نفوذ اکسیژن، دی اکسید کربن و دیگر بخارات گازی برخوردار است. PVOH از قابلیت انحلال در آب گرم و سرد برخوردار است.
PVOH در حلال های نفتی نامحلول بوده و درنتیجه برای استفاده در فیلم ها و پوشش ها مناسب است. PVOH در ترکیبات قالبگیری پلاستیک مورد استفاده قرار می¬گیرد (برای مثال اپوکسی به پوشش های PVOH نمی چسبد). از این ماده همینطور می¬توان در پوشش های سطح و فیلم های مقاوم به گازوئیل و سوخت، آهار زدن پارچه ها، چسب، جوهرهای چاپ، شیشه های چندلایه، مواد تزئینی، مواد آرایشی و بهداشتی و بعنوان الیاف برای تقویت بتن استفاده نمود.
در اروپای غربی و ایالات متحده، بیشترین بازار مصرف PVOH به تولید پلی وینیل بوتیرال و تولید شیشه های چندلایه و پوشش های کاغذ و منسوجات اختصاص دارد. افزایش استفاده از PVOHبصورت فیبرهای بازیافتی در چاپ مزیت های زیادی دارد زیرا که نسبت به دیگر بایندرها مثل کازئین، روغن سویا و نشاسته قدرت بیشتری دارد. تولید PVOH در آسیا متمرکز شده است که حدود ۷۵% ظرفیت جهانی تولید این ماده را به خود اختصاص می¬دهد، اما مقدار زیادی از این تولیدات بصورت داخلی مصرف شده و صادر نمی شود.
PVOH نسبتا بی رقیب است. در بسیاری از کاربردها هیچ جایگزینی برای آن نیست اما در برخی کاربردها، نشاسته، کربوکسی متیل سلولز، پلی وینیل استات و لاتکس استایرن بوتادین می توانند بعنوان جایگزینی برای PVOH باشند. نشاسته می تواند برای آهار زدن پارچه ها بکار رود و لاتکس بوتادین بعنوان بایندر و سفید کننده نوری در تولید کاغذ بکار می روند، با این وجود PVOH از هر دوی آنها کارآمدتر است.