Polyvinylchlorid

Polyvinylchlorid (Kurzzeichen PVC) ist ein amorpher thermoplastischer Kunststoff. Es ist hart und spröde, von weißer Farbe und wird erst durch Zugabe von Weichmachern und Stabilisatoren weicher, formbar und für technische Anwendungen geeignet.

Inhaltsverzeichnis
1 Aufbau
2 Eigenschaften
3 Geschichte
4 Technik
5 Verwendung
6 Wirtschaft
7 Nachhaltigkeit
8 Umweltaspekte
9 Weblinks

Aufbau

Polyvinylchlorid wird aus seinem Monomer, Vinylchlorid (chemische Formel CH2 = CHCl) erzeugt. Die Kettenverlängerung erfolgt entweder durch radikalische oder durch ionische Polymerisation. 

H     Cl       H   Cl  H   H
 \     /        |   |   |   |
  C = C   ··· - C - C - C - C - ···
 /     \        |   |   |   |
 H     H        H   H   H   Cl
 
Vinylchlorid Polyvinylchlorid

PVC brennt mit gelber, stark rußender Flamme, und erlischt ohne weitere externe Beflammung schnell. Aufgrund des hohen Chlorgehalts ist PVC schwerentflammbar, im Gegensatz zu anderen technischen Kunststoffen wie beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen, die für das Erreichen dieser Eigenschaft Zusätze von (teils problematischen) Flammhemmern benötigen.

Wie praktisch alle Kunststoffe ist PVC ohne spezielle Zusatzstoffe nicht elektrisch leitfähig. Die Ausbildung von Dipolen und deren ständige Neuausrichtung im elektrischen Wechselstrom-Feld führt im Vergleich zu den meisten anderen Isolatoren zu verhältnismäßig hohen Verlusten. Nichtsdestotrotz wird es häufig als Ummantelung für Stromkabel im Niederspanungsbereich verwendet.

Eigenschaften

Vergleichsparameter PVC-U (PVC hart) PVC-P (PVC weich)
mechanische Eigenschaften:
Dichte in g/cm³ 1,38 - 1,55 1,16 - 1,35
Zugfestigkeit N/mm² DIN 53455 50 - 75 10 - 25
Reißdehnung/Reißfestigkeit % DIN 53455 10 - 50 170 - 400
Zug-E-Modul N/mm² DIN 53457 1000 - 3500 xxx
Kugeldruckhärte 10-sec-Wert N/mm² DIN 53456 75 - 155 xxx
Schlagzähigkeit kJ/m² DIN 53453 o. Br./>20 o.Br.
Kerbschlagzähigkeit kJ/m² DIN 53453 2 - 50 o.Br.
spez. Durchgangswiderstand Ω DIN 53482 >1015 >1011
Oberflächenwiderstand Ω DIN 53482 1013 1011
elektrische Eigenschaften:
Dielektrizitätszahl DIN 53483 50 Hz 3,5 4 - 8
Dielektrizitätszahl DIN 53483 106 Hz 3,0 4 - 4,5

Geschichte

Der französische Chemiker Victor Regnault war 1835 der erste, der im Gießener Laboratorium von Justus von Liebig Vinylchlorid herstellte und bemerkte, dass sich daraus bei längerer Einwirkung von Sonnenlicht ein weißes Pulver – Polyvinylchlorid – bildete, konnte die Bedeutung seiner Entdeckung jedoch nicht erkennen.

Mit ein Grund für den heutigen Einsatz von Polyvinylchlorid ist sicher die Verwendung eines anderen Stoffes und ein daraus entstehendes Abfallproblem. Mit dem Aufblühen der chemischen Industrie wurde der Rohstoff Natronlauge, der auch heute für viele Prozesse und Verfahren eingesetzt wird, in immer größeren Mengen hergestellt. Die wichtigsten Einsatzbereiche der Natronlauge sind die Verarbeitung in der Seifenindustrie, die Celluloseherstellung und die Gewinnung von Aluminium aus Bauxit. Die Natronlauge wurde mit Hilfe elektrolytischer Zersetzung aus Kochsalz (Natriumchlorid) gewonnen, übrig blieb dabei Chlor.

1912 erhielt der deutsche Chemiker Fritz Klatte von der Chemischen Fabrik Griesheim, später ein Produktionsort der Firma Hoechst, den Auftrag, für den in großen Mengen vorhandenen Rohstoff Ethin neue Umsetzungsprodukte zu finden. Auch er setzte für seine Versuche, wie zuvor Regnault, Glasgefäße mit Vinylchlorid und verschiedenen Zusätzen dem Sonnenlicht aus. Seine Forschungen führten 1912 zur Synthese von Vinylchlorid aus Acetylen und Chlorwasserstoff. 1913 erhielt Klatte das Patent auf die „Polymerisation von Vinylchlorid und Verwendung als Hornersatz, als Filme, Kunstfäden und für Lacke“. Er legte damit die Grundsteine für die Herstellung von PVC, das vorerst nur die Bindung von Chlor ermöglichte und so die Lagerung in großen Mengen gestattete. Mit der Rohstoffknappheit während und nach dem ersten Weltkrieg wurden die Anstrengungen verstärkt, PVC als Rohstoff zu nutzen, um teure Rohstoffe durch kostengünstige Materialien zu ersetzen. Es kam jedoch erst Ende der 1920er Jahre zu weiteren Anwendungen. 1928 erfolgte die großtechnische Auswertung durch Produktion in den USA und 1930 in Rheinfelden durch die BASF; 1935 nahm die IG Farben die PVC-Produktion auf.

1935 gelang in Bitterfeld die Plastifizierung von Hart-PVC bei Temperaturen von 160 Grad Celcius: erste Produkte waren Folien und Rohre. Letztere wurden 1935 in Bitterfeld und Salzgitter verlegt. Nach 1945 war PVC der meist produzierte Kunststoff der Welt.

Die Entwicklung der Chlorchemie kann somit auf die Notwendigkeit zurückgeführt werden, die bei der Herstellung von Natronlauge durch elektrolytische Zersetzung von Natriumchlorid entstehenden großen Mengen an Chlor zu lagern und einer Verwendung zuzuführen. Möglich wurde dies durch die großtechnische und kommerzielle Erschließung des thermoplastischen Materials PVC.

Technik

Das anfänglich verwendete, inzwischen historische Additionsverfahren von Chlor zu Vinylchlorid wird so nicht mehr eingesetzt. Heute werden Rohöl (oder in geringerem Ausmaß Kohle) und weiterhin Kochsalz als preiswertere Rohstoffbasis eingesetzt. Vier verschiedene Polymerisationsverfahren werden benutzt, wobei etwa 80 % der gesamten Weltproduktion nach der, 1935 bei Wacker-Chemie entwickelten, so genannten „Polymerisation in Suspension“ unter Verwendung von Peroxiden als Startermolekül hergestelltwerden.

Heute wird PVC in PVC-weich (PVC-P) und PVC-hart (PVC-U) unterteilt. Ein bekannter Vertreter von PVC-weich ist das Kunstleder, aus Hart-PVC werden Rohre und Profile, z. B. für Fenster hergestellt.

PVC ist ein thermoplastischer Kunststoff, der normalerweise im Temperaturbereich von 160 bis 200 Grad Celsius verarbeitet wird. Das an sich spröde und harte PVC wird mit Additiven, in erster Linie Weichmachern und Stabilisatoren an die verschiedensten Einsatzgebiete angepasst. Die Additive verbessern die physikalischen Eigenschaften wie die Temperatur-, Licht- und Wetterbeständigkeit, die Zähigkeit und Elastizität, und sie dienen der Verbesserung der Verarbeitbarkeit. An die verwendeten PVC-Additive werden hohe Anforderungen gestellt: Sie müssen in möglichst geringer Konzentration eine hohe Wirkung aufweisen, die durch die unterschiedlichen Herstellungsprozesse für das Kunststoff-Formteil nicht beeinträchtigt werden darf. Sie müssen dem Formteil während dessen Gebrauchsdauer die gewünschten Eigenschaften verleihen. Sie sollen auch aus Konsumentensicht sicher anwendbar sein (siehe: Umweltaspekte).

Mit Hilfe von Stabilisatoren wird die Verarbeitung bei Temperaturen zwischen 160 und 200 Grad Celsius erst ermöglicht, da ohne sie Zersetzungsprozesse unter Abspaltung von Chlorwasserstoff einsetzen.

Der Zusatz von Weichmachern verleiht dem von Natur aus harten Werkstoff Eigenschaften ähnlich denen von Gummi. Als Weichmacher werden vor allem Phthalsäureester eingesetzt. Weniger Bedeutung haben Adipinsäureester und Phosphorsäureester. Die Weichmacher lagern sich bei der thermoplastischen Verarbeitung zwischen die Molekülketten des PVC ein und lockern dadurch das Gefüge auf. Da es sich bei der Einlagerung nicht um eine chemische Bindung handelt, können Weichmachermoleküle von der Oberfläche der PVC-Artikel verdampfen oder in andere Stoffe migrieren.

Verwendung

Etwa 70 % der PVC-Anwendungen entfallen auf den Bausektor, hierbei wird das PVC zu Fensterprofilen, Rohren, Fussbodenbelägen oder Dachbahnen verarbeitet. Die Rohre setzen sich wegen ihrer glatten Innenfläche wenig zu. Außerdem werden schwerentflammbare Kabel und Folien hergestellt, letztere z. B. für die Wasserkerne von Wasserbetten.

PVC-Hartschaum findet in der Faserverbundtechnologie Verwendung als Sandwichwerkstoff, zum Beispiel in Sportbooten, Rotorblättern für Windkraftanlagen und im Waggonbau.

Das niedrige Gewicht des Kunststoffs kann zu Energieeinsparungen in Anwendungsbereichen wie Verpackung (Kraftstoffersparnis bei der Verteilung) und Verkehr (geringerer Kraftstoffverbrauch) führen.

Die oft als besonders positiv hervorgehobenen Eigenschaften von PVC wie Säure-, Öl- und Seewasser-Beständigkeit sind bei vielen Anwendungen nicht erforderlich. Daher raten alle Umweltverbände dazu, die Herstellung von PVC (die zur Chlorchemie gehört) baldmöglichst bis auf einige wenige Spezialanwendungen (zum Beispiel Benzintanks und -kanister) einzustellen.

In vielen Anwendungsbereichen können auch andere Kunststoffe wie PP (Polypropylen) oder PE (Polyethylen) statt PVC eingesetzt werden. Insbesondere benötigen sie keine Weichmacher, die aus Weich-PVC ausdünsten können (typischer Plastik-Geruch) und stark gesundheitsschädlich sind.

Wirtschaft

Die PVC-Produktion nimmt weiterhin weltweit zu. Vorwiegend exportiert werden Fenster mit PVC-Rahmen, ebenso werden zum Beispiel Rohre für Kabeltrassen und Membrandächer häufig eingesetzt. In Deutschland erwirtschaften etwa 150.000 Beschäftigte in über 5.000 Unternehmen 20 Milliarden Euro. Die PVC-Branche repräsentiert etwa ein Viertel der Kunststoffbranche.

Nachhaltigkeit

Produkte aus PVC haben ebenso wie andere Produkte Umweltauswirkungen bei der Herstellung, Verwendung und Entsorgung. Zum Thema PVC finden viele kontrovers geführte Debatten statt, es konnte bisher weder eine Verschlechterung noch eine Verbesserung der Umweltbelastung durch Verzicht auf PVC nachgewiesen werden. Das Umweltbundesamt kommt in seiner Nachhaltigkeits-Studie von 1999 zum Ergebnis, dass eine Substitution von Hart-PVC bei Beachtung bestimmter Verbesserungen wie der Einführung einer fehlenden Wiederverwertung „zu keiner wesentlichen Verringerung von Umweltrisiken“ führt, empfiehlt bei Weich-PVC aufgrund des gegenüber anderen Kunststoffen hohen Anteils teilweiser problematischer Weichmacher aber als eine Möglichkeit auch das Ausweichen auf andere Stoffe.

Bei einem vollständigen Vergleich in Ökobilanzen, inklusive einer vollständigen Wiederverwertung am Ende des Lebenszyklusses eines Produkts, schneiden PVC-Produkte in Gutachten durchschnittlich ab – gut sind insbesondere ihrer Langlebigkeit und ihr vergleichsweise niedriger Energiebedarf bei der Herstellung. Alle bisher veröffentlichten Gesamt-Bewertungen empfehlen jedoch ökologische Verbesserungen, vor allem eben im Bereich der Wieder- bzw. Weiterverwertung.

Bisher findet die bei den von der Industrie veranlassten Gesamt-Bewertungen vorausgesetzte vollständige Wiederverwertung jedoch nicht statt, wodurch sich die Ökobilanz von PVC deutlich verschlechtert. Die europäische PVC-Branche hat im März 2000 eine Selbstverpflichtung zur nachhaltigen Entwicklung verabschiedet. Jedes Jahr wird ein Bericht über das jeweils abgelaufene Jahr veröffentlicht.

Von der Europäischen Kommission wurden 1999 fünf Studien zu Aspekten der PVC-Entsorgung in Auftrag gegeben, auf deren Basis die EU-Kommission im Juli 2000 ein Grünbuch PVC vorlegte. Aspekte von PVC-Erzeugnissen während des gesamten Lebenszyklus und wirtschaftliche Vor- und Nachteile wurden nicht oder nicht ausreichend analysiert. So kam es im April 2001 bei der Abstimmung des Europäischen Parlaments nicht zu einem Votum für einen generellen Verzicht auf PVC und zudem wurden PVC-Produkte auch nicht als „nicht nachhaltig“ bewertet. Weiterhin wurde die Selbstverpflichtung der PVC-Industrie als nicht alleine ausreichend und die problematische Verbrennung oder Deponierung von PVC nur als „vorübergehende Lösung“ bewertet. Eine Schlussfolgerung der EU-Kommission aus der Grünbuchdebatte ist geplant.

Umweltaspekte

PVC ist eine chemisch sehr stabile Verbindung, die nicht verrottet und auch durch Sonnenlicht nur oberflächlich und in den mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt wird. Produkte und Verpackungen aus PVC sind (meer-)wasser- und luftbeständig und damit während der Mülldeponierung weitestgehend grundwasser- und umweltneutral.

Bei der zerspanenden Bearbeitung von PVC entsteht gasförmiger Chlorwasserstoff.

Im Brandfall entsteht bei der Zersetzung von PVC unter anderem der stark ätzende gasförmige Chlorwasserstoff (HCl), beim Zusammentreffen mit Wasser entsteht daraus Salzsäure. Bei PVC-Bränden entstehen auch Dibenzodioxine und Dibenzofurane, auch Dioxine und Furane genannt, sowie die am Ruß fixierten, hochgiftigen, teilweise auch cancerogenen polykondensierten Aromaten wie Benz(a)-Pyren, Pyren und Chrysen. Aus diesen Gründen ist PVC als schwerentflammbarer Baustoff in Gebäuden nur eingeschränkt zugelassen und führt bei Bränden immer wieder zu starken Umweltverschmutzungen. Eine Verbrennung in einer Müllverbrennungsanlage ist nur unter besonderen Bedingungen ohne Umweltbeeinträchtigungen möglich. Es existieren für PVC-Bauprodukte wie Rohre und Fenster flächendeckende Rücknahmesysteme der kunsstoffverarbeitenden Industrie, um durch die Aussortierung die Umweltschäden zu verringern.

Am Beispiel des PVC wurde erstmals die Problematik bei der Herstellung und beim Umgang mit einem Kunststoff deutlich. Arbeiter in der PVC-Produktion erkrankten an der Lunge oder an den Gelenken. Die sogenannte „VC-Krankheit“ wurde von den Berufsgenossenschaften als Berufskrankheit anerkannt. Vinylchlorid kann beim Menschen Krebs erzeugen und wirkt erbgutverändernd.

Weich-PVC ist in manchen Einsatzbereichen durch die enthaltenen Weichmacher teilweise physiologisch bedenklich. Der Einsatz von Weich-PVC ist insbesondere für Spielzeuge problematisch. Die Weichmacher können über Hautkontakt und Speichel in den Körper der Kinder gelangen. Die in den Weichmachern enthaltenen Phthalate schädigen Leber und Nieren und stehen im Verdacht, krebserzeugend zu wirken. Dies ergaben mehrere Untersuchungen, in denen sich unter anderem deutliche Spuren im Blut fanden. Diethylhexylphthalat (DEHP) wurde durch eine EU-Arbeitsgruppe im Jahr 2000 als fruchtschädigend und fruchtbarkeitsschädigend eingeschätzt. Daher wurde Weich-PVC zur Herstellung von Spielzeug für Kleinkinder in der EU schon im Jahre 1999 verboten. Auch die Verwendung von Weich-PVC in Lebensmittelverpackungen ist problematisch, da die Weichmacher in die Lebensmittel eindringen können.

Weblinks

Polyvinylchlorid (PVC)

See also: Polyvinylchlorid, 1835, 1912, Additiv, Aluminium, Amorph, Aromaten, BASF, Bauxit, Berufskrankheit