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. Bekannt ist PVC vor allem durch seine Verwendung in Fußbodenbelägen. Er spielt darüber hinaus eine wichtige Rolle in der Bauwirtschaft, wo er unter anderem in Form von Fensterprofilen und Rohren Verwendung findet.

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Aufbau

Polyvinylchlorid wird durch radikalische oder ionische Polymerisation aus dem Monomer Vinylchlorid (chemische Formel CH₂ = CHCl) erzeugt.

Eigenschaften

Durch den Zusatz von Weichmachern lässt sich die Härte und Zähigkeit von PVC gut variieren. Es lässt sich gut einfärben. PVC nimmt kaum Wasser auf, ist beständig gegen Säuren, Laugen, Alkohol, Öl und Benzin. Angegriffen wird PVC von Aceton, Ether, Benzol, Chloroform, und konzentrierter Salzsäure. Hart-PVC lässt sich gut, Weich-PVC schlecht spanabhebend verarbeiten. Bei Temperaturen von 120 °C bis 150 °C kann es spanlos verformt werden. Verbindungen können mit Klebstoffen (Lösungsmittelklebstoffe, Zweikomponentenklebstoffe) oder durch Schweißen (verschiedene manuelle und maschinelle Schweißverfahren) hergestellt werden.

PVC brennt mit gelber, stark rußender Flamme und erlischt ohne weitere externe Beflammung schnell. Aufgrund des hohen Chlorgehalts ist PVC im Gegensatz zu anderen technischen Kunststoffen wie beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen schwer entflammbar.

Wie praktisch alle Kunststoffe ist PVC ein guter Isolator. Die Ausbildung von Dipolen und deren ständige Neuausrichtung im elektrischen Wechselstrom-Feld führt im Vergleich zu den meisten anderen Isolatoren zu verhältnismäßig hohen Dielektrizitätsverlusten. Bei Bränden entstehen giftige Chlorwasserstoffdämpfe. Wegen der hohen Festigkeit des Kabelmantels und der guten Isoliereigenschaften werden PVC-Kabel jedoch weiter verlegt. Für die Verlegung unter Putz oder im Freien sind PVC-Niederspannungskabel sehr gut geeignet.

Geschichte

Der französische Chemiker Henri 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 und Wasserstoff.

1912 erhielt der deutsche Chemiker Fritz Klatte von der Chemischen Fabrik Griesheim-Elektron (Griesheim bei Frankfurt), später ein Produktionsort der Firma Hoechst, den Auftrag, für den in großen Mengen vorhandenen Rohstoff Ethen (Ethylen) 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 I.G. Farben die PVC-Produktion auf.

1935 gelang in Bitterfeld die Plastifizierung von Hart-PVC bei Temperaturen von 160 Grad Celsius: erste Produkte waren Folien und Rohre. Letztere wurden 1935 in Bitterfeld und Salzgitter verlegt. Eine Produktmarke dieser Zeit, die umgangssprachlich auch das Ende der im Namen enthaltenen IG-Farben noch eine Zeit lang überlebte, war das Igelit. 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 hergestellt werden (Radikalkettenmechanismus). Auch die Emulsionspolymerisation wird zur Synthese eingesetzt.

Heute wird PVC in PVC-weich (PVC-P /P=plasticized) und PVC-hart (PVC-U /U=unplasticized) unterteilt. Ein bekannter Vertreter von PVC-weich ist das Kunstleder (Sonderherstellungsverfahren über Streichen von Pasten), es hat nichts zu tun mit Tischdecken, Duschvorhängen, Möbelfolie (DC-fix, Pretty, Portas) und anderen Kunststofffolien, die kalandriert werden. Aus Hart-PVC werden Rohre und Profile, z. B. für Fenster hergestellt, bzw. Pharmazie-Folien (Tablettenverpackungen, Pralinenverpackung, Lebensmittelverpackung, usw.). PVC-weich enthält bis zu 40 % Weichmacher und PVC-hart enthält grundsätzlich keinen Weichmacher (daher auch PVC-hart).

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, Stabilisatoren und Schlagzäh-Modifier an die verschiedensten Einsatzgebiete angepasst. Die Additive verbessern die physikalischen Eigenschaften wie die Temperatur-, Licht- und Wetterbeständigkeit, die Zähigkeit und Elastizität, die Kerbschlagzähigkeit, den Glanz 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: Umwelt- und Gesundheitsaspekte).

Mit Hilfe von Thermostabilisatoren 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. Weichmacher auf der Basis DOP oder ähnlicher Produkte können migrieren, es gibt jedoch Produkte anderer Hersteller (DSM Uraplast-Typen) auf anderer Basis die nicht mehr migrieren jedoch deutlich teurer sind und zunehmend zumindest in Europa eingesetzt werden.

Durch sogenannte Schlagzähmodifier werden Eigenschaften wie die Kerbschlagzähigkeit verbessert. Modifier bestehen in der Regel aus hocheffizienten Acrylatpolymeren. Außerdem können durch Modifier die Verarbeitung von PVC verbessert werden (Wirkung: schnellere Plastifizierung von PVC).

siehe auch: Als Dry-Blend werden Mischungen mit PVC-Pulver bezeichnet.

Verwendung

Etwa 40 % 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. Fensterprofile sind aus PVC sind pflegeleicht und wartungsarm. Sie zeichnen sich durch gute Witterungsbeständigkeit aus und sind in den verschiedensten Farben und Dekors herstellbar. Außerdem werden schwerentflammbare Kabel und Folien hergestellt, letztere z. B. für die Wasserkerne von Wasserbetten. Auch zur Herstellung von Kunstleder wird PVC verwendet.

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

Geschäumtes PVC in Plattenform (FOREX®) wird als Trägermaterial für Werbemedien, wie ausgeplottete Schriftzüge, Bilder und Grafiken verwendet. Hier überzeugt vor allem das geringe Gewicht und die einfache Verarbeitung.

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

Die besonders positiven Eigenschaften von PVC wie Säure-, Öl- und Seewasser-Beständigkeit sind bei vielen Anwendungen nicht erforderlich. Daher raten einige Umweltverbände dazu, die Herstellung von PVC baldmöglichst bis auf einige wenige Spezialanwendungen einzustellen.

In einigen 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.  

Eine sehr ungewöhnliche Verwendung findet dieser Kunststoff in den Instrumenten der Blue Man Group.

Wirtschaft

Bekannte Handelsnamen für Hart-PVC waren oder sind Astralon, Decelith-H (DDR), Ekadur (DDR), Hostalit , Luvitherm, Rhenadur, Rhenalon, Trovidur und Vinidur. Weich-PVC ist unter anderem unter den Namen Acella, Adretta, Alkar, Coroplast, Decelith-W (DDR), Ekalit (DDR), Igelit, Tautex, Koresal, Vinoflex und Mipolam erhältlich.

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. Darunter wird PVC auch in der Bodenbelagsherstellung verwendet. In Deutschland erwirtschaften im Jahr 2001 etwa 150.000 Beschäftigte in über 5.000 Unternehmen 20 Milliarden Euro Umsatz. Die PVC-Branche repräsentiert etwa ein Viertel der Kunststoffbranche.

Nachhaltigkeit

Bei einem vollständigen Vergleich in Ökobilanzen, inklusive einer vollständigen Wiederverwertung am Ende des Lebenszyklus eines Produkts, schneiden PVC-Produkte in Gutachten durchschnittlich ab – gut sind insbesondere ihre 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 weder zu einem Votum für einen generellen Verzicht auf PVC noch wurden PVC-Produkte als „nicht nachhaltig“ bewertet. Die Selbstverpflichtung der PVC-Industrie wurde als nicht alleine ausreichend und die problematische Verbrennung oder Deponierung von PVC als nur „vorübergehende Lösung“ bewertet. Eine Schlussfolgerung der EU-Kommission aus der Grünbuchdebatte ist geplant.

Umwelt- und Gesundheitsaspekte

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

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 Polychlorierte Dibenzodioxine und Dibenzofurane, sowie die am Ruß fixierten, hochgiftigen, teilweise auch cancerogenen polykondensierten Aromaten wie Benz(a)-Pyren, Pyren und Chrysen. 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 kunststoffverarbeitenden 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. Auch die Ausgangsstoffe zur Herstellung von PVC sind keineswegs unbedenklich.

Weich-PVC ist in manchen Einsatzbereichen durch die enthaltenen Weichmacher teilweise physiologisch bedenklich. Der Einsatz von Weich-PVC ist insbesondere für Spielzeuge problematisch, wobei dieses Material dennoch eine große Verbreitung bei Spielzeug verschiedenster Art hat. Die Weichmacher können über die Atemwege, Hautkontakt und Speichel in den Körper der Kinder gelangen. Die am häufigsten verwendeten Weichmacher aus der Gruppe der Phthalate sind zum Teil leber- und nierenschädigend 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 frucht- und fruchtbarkeitsschädigend eingeschätzt. Daher wurde Weich-PVC, welches Phthalatweichmacher enthält, zur Herstellung von Spielzeug für Kleinkinder in der EU schon im Jahre 1999 verboten. Das Umweltbundesamt kommentiert dies auf seiner Internetseite folgendermaßen: "Der menschliche Organismus nimmt PVC-Weichmacher in höheren Mengen auf, als bisher angenommen. Besonders gefährdet sind Kinder. Die weit verbreiteten Weichmacher Phthalate gelten als höchst gesundheitsgefährdend, weil sie in den Hormonhaushalt des Menschen eingreifen und die Fortpflanzung bzw. Entwicklung schädigen"

Auch die Verwendung von Weich-PVC in Lebensmittelverpackungen ist problematisch, da die Weichmacher in die Lebensmittel eindringen können. Besonders für fetthaltige Lebensmittel sollte Weich-PVC unbedingt vermieden werden, da beträchtliche Mengen der Weichmacher durch Diffusion in das Fett übergehen können.

Bestimmung

Bei einer Brennprobe riechen die Gase nach Chlorwasserstoff. Verbrennt beim Verbrennen auf Kupfer mit grüner Flamme, siehe auch Beilsteinprobe. Sowohl die Brennprobe als auch die Beilsteinprobe sind aufgrund der entstehenden chlororganischen Verbindungen gesundheitlich bedenklich und sollten nur mit Kleinstmengen (wenige Milligramm) durchgeführt werden.

PVC-Entsorgung

Zur PVC-Entsorgung gibt es drei Verfahren:

• Deponierung von organischen Abfällen:Dieses Verfahren war nur bis zum 31. Dezember 2004 erlaubt. Bis zum Jahr 1989 deponierte man circa siebzig Prozent des Abfallvorkommens. (Hart-PVC vergeht nicht und schadet auch weder Wasser noch Luft, allerdings beanspruchte er großen Raum der Deponie und dies wegen der Unvergänglichkeit für einen langen Zeitraum.) Leider kann keine Prognose getroffen werden ob der Hart-PVC nicht doch irgendwann durch Mikroorganismen oder chemische Vorgänge angegriffen werden kann. Von den PVC-weich-Stoffen kann man aber mit großer Sicherheit behaupten, dass diese aufgrund ihres Weichmachers das Sickerwasser und somit die Umwelt verschmutzen.
• Werkstoffliches Recycling: Mittlerweile hat man die Möglichkeit, die PVC-Abfälle wiederzuverwenden und als Recyclingmaterial in neue Produkte einzufügen. Während anfangs etwa achtzig Prozent Neu-PVC mit zur Mischung gegeben werden mussten kann man heute mit etwa siebzig Prozent Recyclingmaterial einen gleich hochwertigen und qualitativ guten Kunststoff herstellen. Ein Vorteil dieser Recyclingmethode ist der Fakt, dass durch die Verarbeitung unterhalb von 200 Grad Celsius keine hohen Emissionsmengen entstehen können.
• Stoffliches Chlorrecycling: Dieses Chlorrecycling-Konzept besteht seit Mitte der achtziger Jahre. Die bei der Verbrennung von PVC gewonnene Salzsäure wird gereinigt und zurück in den PVC-Kreislauf eingeleitet, oder sie wird direkt auf den Markt gegeben.

Literatur

• Schrader, Franke: Kleiner Wissensspeicher Plaste. Zentralinstitut für Schweißtechnik Halle (ZIS). Technisch-wissenschaftliche Abhandlung. Bd 61. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1970.
• Charles Levinson: PVC zum Beispiel. Krebserkrankungen bei der Kunststoffherstellung. Rowohlt, Reinbek 1985.
• Robert Hohenadel, Torsten Rehm, Oliver Mieden: Polyvinylchlorid (PVC). Kunststoffe 10/2005, S. 38 - 43 (2005), ISSN 0023-5563