Поливинилбутираль

Поливинилбутираль (ПВБ, PVB) — это аморфный термопластичный полимер, получаемый в результате химической реакции поливинилового спирта с масляным альдегидом (бутиральдегидом). Относится к классу поливинилацеталей. Основные отличительные свойства — высокая адгезия к стеклу, прозрачность, эластичность, прочность и способность образовывать прочные плёнки. ПВБ широко используется в качестве промежуточного связующего слоя в многослойных (триплексных) стёклах, в том числе в лобовых стёклах автомобилей и остеклении зданий, а также в производстве защитных покрытий, клеев и красок.

История

Поливинилбутираль был впервые синтезирован в 1930-х годах в США. Разработка технологии его получения была связана с поиском материала, способного скреплять слои стекла в безопасных триплексных конструкциях, которые не разлетаются на осколки при ударе. Первоначально для этих целей использовался целлулоид, но он был пожароопасен и недолговечен. В 1935 году компания «DuPont» начала промышленное производство плёнки из ПВБ под торговой маркой «Butacite». В 1938 году эта плёнка была впервые применена в лобовых стёклах автомобилей «Ford». В СССР промышленный выпуск ПВБ был освоен в 1950-х годах.

Получение

Поливинилбутираль получают в две стадии. Сначала поливинилацетат омыляют (гидролизуют) до поливинилового спирта. Затем поливиниловый спирт вступает в реакцию ацеталирования с масляным альдегидом (бутаналем) в присутствии кислотного катализатора (например, серной или соляной кислоты). В результате часть гидроксильных групп поливинилового спирта замещается на циклические ацетальные группы, образуя поливинилбутираль. Степень ацеталирования (доля замещённых групп) обычно составляет 70–80 %, а остаток — это свободные гидроксильные группы (около 18–25 %) и остаточные ацетатные группы (около 1–2 %). Соотношение этих групп определяет физико-механические свойства конечного полимера, в частности его адгезию, пластичность и растворимость.

Свойства

Физические свойства

• Внешний вид: белый или слегка желтоватый порошок или гранулы.
• Плотность: 1,07–1,08 г/см³.
• Температура стеклования: 60–80 °C (зависит от молекулярной массы и степени ацеталирования).
• Температура размягчения: 140–170 °C.
• Показатель преломления: около 1,49.
• Растворимость: растворяется в спиртах (метанол, этанол), кетонах (ацетон, метилэтилкетон), сложных эфирах, хлорированных углеводородах; нерастворим в воде, алифатических углеводородах и маслах.

Механические свойства

• Прочность на разрыв: 25–40 МПа (для плёнок).
• Относительное удлинение при разрыве: 200–400 %.
• Модуль упругости: 100–300 МПа.
• Адгезия к стеклу: высокая, обусловлена водородными связями между гидроксильными группами ПВБ и силанольными группами на поверхности стекла.

Химическая стойкость

ПВБ устойчив к действию разбавленных кислот и щелочей, масел, жиров и топлива. Под действием концентрированных кислот и щелочей, а также ультрафиолетового излучения может деградировать (гидролизоваться или окисляться). Для повышения устойчивости к УФ-излучению и термоокислению в состав ПВБ вводят стабилизаторы (например, бензофеноны, пространственно-затруднённые амины).

Применение

Производство триплексного стекла

Основное и наиболее массовое применение ПВБ — изготовление многослойного безопасного стекла (триплекса). Плёнка из ПВБ (толщиной 0,38; 0,76; 1,14 мм и более) помещается между двумя листами стекла, после чего пакет нагревается и проходит через каландры (вальцы) для удаления воздуха, а затем автоклавируется при температуре 130–150 °C и давлении 10–15 атм. В результате получается монолитная конструкция, в которой ПВБ служит упругим связующим слоем. При ударе такое стекло не разбивается на осколки — трещины расходятся, но плёнка удерживает фрагменты, предотвращая травмы. Кроме того, ПВБ-слой обеспечивает звукоизоляцию (снижение шума на 3–5 дБ) и задерживает до 99 % ультрафиолетового излучения.

Автомобильная промышленность

Лобовые стёкла всех современных автомобилей (за исключением некоторых моделей с закалённым стеклом) изготавливаются по технологии триплекс с использованием ПВБ-плёнки. Это обязательное требование безопасности, закреплённое в международных стандартах (например, ECE R43). В боковых и задних стёклах также может применяться триплекс, но чаще — закалённое стекло.

Строительство

В архитектурном остеклении (фасады, витражи, купола, светопрозрачные перегородки) применяется триплекс с ПВБ-плёнкой. Такие конструкции обеспечивают защиту от выпадения людей (противоударное стекло), взломостойкость, а также защиту от ураганов и взрывов (при использовании плёнок повышенной толщины). ПВБ-плёнка может быть окрашена или тонирована, что позволяет создавать декоративные стеклопакеты.

Клеи и покрытия

ПВБ используется в качестве компонента термоклеев, грунтовок и антикоррозионных покрытий. Он входит в состав некоторых клеёв для склеивания металлов, пластмасс, дерева и кожи. В электронной промышленности ПВБ применяется как связующее в производстве керамических конденсаторов и печатных плат.

Лакокрасочные материалы

ПВБ добавляют в краски и лаки для улучшения адгезии к стеклу, металлу и пластику. Такие покрытия обладают высокой эластичностью и стойкостью к истиранию.

3D-печать

ПВБ используется в качестве филамента для 3D-печати методом FDM. Он обладает низкой усадкой, хорошей адгезией между слоями и позволяет получать прозрачные или полупрозрачные изделия. Однако для печати требуется подогреваемый стол (температура 60–80 °C) и сопло с температурой 190–220 °C.

Экологические аспекты

Поливинилбутираль не является биоразлагаемым полимером. При сжигании он выделяет углекислый газ, воду и следовые количества оксидов азота (при наличии азотсодержащих добавок). В промышленности ведётся работа по рециклингу отходов ПВБ — например, обрезки плёнки и бракованный триплекс перерабатываются в гранулы, которые используются для производства технических плёнок, клеёв и строительных материалов. Однако в бытовых отходах ПВБ практически не перерабатывается из-за сложности отделения от стекла.

Интересные факты

• Плёнка из ПВБ способна растягиваться до 4 раз от первоначальной длины без разрыва, что делает её незаменимой в противоударных стёклах.
• В 1990-х годах компания «DuPont» разработала технологию нанесения на ПВБ-плёнку металлизированного покрытия, что позволило создавать «умные» стёкла с регулируемым пропусканием света.
• В некоторых моделях бронированных автомобилей толщина ПВБ-слоя в триплексе может достигать 10–15 мм.

Источники

• Энциклопедия полимеров. Том 2. — М.: Химия, 1974.
• Handbook of Polyvinyl Butyral (PVB) / Ed. by J. A. Brydson. — Elsevier, 2012.
• «Поливинилбутираль: свойства, получение, применение» // Пластические массы, 2005, № 4.
• ГОСТ 9438-85 «Плёнка поливинилбутиральная. Технические условия».
• «Safety Glass and Laminated Glass» // Glass International, 2018.