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PVC - Polyvinylchlorid (Tygon®, THOMAVINYL-Reichelt Chemietechnik)

chem-Formel-PVC-1568f86db01515Polyvinylchlorid

andere Bezeichnungen: Polychlorethen, Poly(mono-chlorethen)

Kurzzeichen:  PVC

CAS-Nr.: 9002-86-2

 

Wichtige Handelsnamen und Markeneigner

APIFLEX®- API Appliczioni Plastiche Industriale S.p.A.
BENVIC® - Solvay-Benvic    
IGELIT® - I.G. Farbenindustrie AG i. L.
SOLVIN® - Solvin S.A.
THOMAFLUOR - RCT Reichelt Chemietechnik GmbH & Co.
VINIDUR®- Solvin S.A.
VINNOL®- Wacker Chemie AG.
VINOFLEX®-Solvin S.A.

 

Geschichtliches

Die Entwicklung von Polyvinylchlorid (PVC), heute einer der wichtigsten Kunststoffe, ist eng mit der stürmischen Entwicklung der deutschen Chemieindustrie am Ende des 19. Jahrhunderts verbunden: Natriumhydroxid (Natronlauge; NaOH) war zu einer wichtigen Grundchemikalie worden, die in zunehmenden Mengen für die Bauxitlaugung zur Aluminiumproduktion und für die Herstellung von Cellulose benötigt wurde.

Die Gewinnung von Natronlauge aus Natriumchlorid (Kochsalz) durch Chloralkali-Elektrolyse war Ende der 80er Jahre des 19. Jahrhunderts wissenschaftlich gelöst und bereits 1892 mit dem Bau der ersten Elektrolyse-Anlage in Deutschland durch die Chemische Fabrik Elektron Griesheim bei Frankfurt in die Praxis überführt worden. Bei diesem elektrochemischen Verfahren fielen jedoch außer Wasserstoff auch noch große Mengen Chlorgas als Nebenprodukt an, ein gefährliches Atem- und Umweltgift. Für Chlor sah man zunächst keine Verwendungsmöglichkeit und seine Entsorgung war ebenfalls ein ungelöstes, den Fortschritt hemmendes Problem. Der einzige Weg, das giftige Gas von Mensch und Umwelt fern zu halten, war seine Verwahrung unter Druck in Druckgasflaschen. 

Um dieselbe Zeit suchte der deutsch-österreichische Chemiker Fritz Klatte (1880-1934) in den Laboratorien der Chemischen Fabrik Elektron Griessheim bei Frankfurt nach einer zweckvollen Verwendung von Ethylen, das ein wesentlicher Bestandteil von Crackgasen ist. Er fand heraus, dass sich elementares Chlor, wie es bei der Chloralkalielektrolyse anfällt, mit Ethylen (CH2═CH2) in einer Additionsreaktion zu Dichlorethan (ClCH2–CH2Cl) umsetzt, das bei +400 °C  in Gegenwart von Katalysatoren, wie Tonerde (Hauptbestandteil Al2O3) oder Titandioxid (TiO2), Chlorwasserstoffgas (HCl) unter Bildung von Vinylchlorid (CH2═CHCl ) abspaltet. Außerdem entwickelte er eine direkte Synthese von Vinylchlorid durch Addition von Chlorwasserstoff an Acetylen (CHCH). Denn zu der Zeit war bereits bekannt, dass sich das bei Zimmertemperatur gasförmige Vinylchlorid unter Sonnenlicht zu einem festen, weißen Stoff umwandelt. Diese Stoffumwandlung hatte der französischen Physiker und Chemiker Henri Victor Regnauld (1810-1878) schon im Jahre 1838 beobachtet und beschrieben. Die Deutung dieses Vorgangs als UV-strahlungsinduzierte “radikalische  Polymerisation“ des Vinylchlorids zu Polyvinylchlorid war ihm allerdings noch nicht vergönnt. Sie blieb Fritz Klatte vorbehalten, der auf Regnaulds frühen Erkenntnissen aufbauen konnte.  

Am 4. Juli 1913 wurde der Chemischen Fabrik Griessheim-Elektron das Kaiserliche Patent Nr. 2818977 “Verfahren zur Herstellung einer auf Hornersatz, Films, Kunstfäden, Lacke u. dgl. verarbeitbare plastische Masse“ erteilt. Allerdings wurden für diese “plastische Masse“ keine geeigneten Anwendungen gefunden und deshalb das Patent bald wieder aufgegeben. Schließlich wurde die PVC-Synthese aber zur Bindung des Chlorgases aus der Chloralkalielektrolyse genutzt, das nun als Feststoff gefahrlos gelagert werden konnte. Erst am Ende der 20er Jahre des letzten Jahrhunderts wurde die enorme Bedeutung der grundlegenden Arbeiten Fritz Klattes erfaßt, mit denen er die Entwicklung des PVC zu einem vielseitig einsetzbaren Kunststoff schon Jahre zuvor eingeläutet hatte.

 

Allgemeine Beschreibung       

PVC gehört mit zu den weltweit meisten, großtechnisch produzierten Kunststoffen. Die günstige Ökonomie der PVC-Herstellung und viele Möglichkeiten zur gezielten Einflußnahme bei der Synthese auf seine physikalisch-chemischen Eigenschaften haben das Erschließen von Anwendungsfeldern für diesen Kunststoff stark gefördert.

Vinylchlorid, das Monomere des PVC, ist krebserregend. Es siedet bei -14 °C und ist unterhalb von -154 °C fest. Noch heute wird es nach dem von Klatte erarbeiteten Grundprinzip aus Chlor und Ethylen (CH2═CH2), das bei der Erdölverarbeitung anfällt, produziert. Das ebenfalls auf Klatte zurückgehende Syntheseverfahren für Vinylchlorid durch Addition von Chlorwasserstoff (HCl) an Acetylen (CHCH) hat für die moderne Großchemie wegen der energieaufwendigen Acetylengewinnung über Calciumcarbid (CaC2) seine wirtschaftliche Bedeutung verloren.

Die Polymerisation des Vinylchlorids zu Polyvinylchlorid erfolgt in Gegenwart von radikalischen Polymerisations-Initiatoren in Druck-Autoklaven bei Temperaturen < +80 °C.  Abhängig von den gewählten Reaktionsbedingungen werden dabei unterschiedliche PVC-Qualitäten gewonnen. Grundsätzlich wird zwischen Hart-PVC (PVC-U; U für unplastized) und Weich-PVC (PVC-P; P für plastized) unterschieden.

PVC-U-Qualitäten (Hart-PVC) unterscheiden sich praktisch nur in ihrem Polymerisationsgrad. Durch neuere Varianten bei der Polymersation, z. B. durch Quervernetzung, werden auch weiche PVC-U-Sorten hergestellt, so dass die historisch entstandene Bezeichnung “Hart-PVC“ für PVC-U heute nicht mehr immer zutreffend ist.

PVC-P (Weich-PVC) enthält wechselnde, meist nicht unerhebliche Mengen sogenannter Weichmacher. Weichmacher sind organische Stoffe, sog. Additive, wie Bis(2-ethylmethyl)phthalat (DEHP) oder die inzwischen verbotenen polychlorierten Biphenyle (PCB), die sich zwischen den Molekülketten des PVC einlagern, ohne dabei eine chemische Bindung einzugehen. Die sperrig aufgebauten Moleküle dieser Additive weiten das dichte Polymerengefüge auf, so dass der sonst bei Zimmertemperatur harte und starre Kunststoff weich und plastisch wird.

Durch andere Additivzusätze können die Eigenschaften von virginalen PVC weiter anwendungsorientiert modifiziert werden. Hierzu gehören spezifische Additive zur Erhöhung der Licht- und Thermostabilität sowie zur Verbesserung der chemischen und Witterungsbeständigkeit, ebenso auch Additive zur gezielten Anpassung der mechanischen Eigenschaften und Oberflächenbeschaffenheit des Kunststoffs.

 

Bearbeitung

Wie alle Thermoplaste behält PVC seine bei höheren Temperaturen eingenommene Form nach dem Abkühlen dauerhaft bei. Die Verformungstemperaturen liegen üblicherweise um +150 °C, bei Temperaturen über +200 °C werden gesundheitsschädliche Zersetzungsprodukte freigesetzt.

PVC-U wird durch Spritzguß, Extrudieren, Pressen, Ziehen oder Auswalzen verarbeitet. Durch Prägen können beliebige Oberflächenstrukturen erzeugt werden. PVC-U-Halbzeuge lassen sich biegen und ziehen, bei Zimmertemperatur lässt sich Hart-PVC auch spanabhebend bearbeiten, wie durch Bohren, Fräsen, Hobeln oder Drehen. PVC-U kann auch problemlos verklebt werden, ebenso kann es verschweißt werden.

PVC-P und andere, weiche PVC-Qualitäten werden wie PVC-U verarbeitet. Spanabhebende Verfahren kommen jedoch für diese Materialien naturgemäß nicht in Frage.

 

Verwendung

Hauptabnehmer für PVC-Erzeugnisse sind die Bauindustrie und Sanitärtechnik. Hier werden Rohre und Formstücke aller Größen, Absperrelemente gegen Feuchtigkeit, korrosionsfeste Auskleidungen und Ventile seit langem eingesetzt, weil sie metallischen Werkstoffen nicht selten überlegen sind. Ebenso werden für Bauzwecke heute viele, früher aus Holz gefertigte Elemente, wie Fenster- und Türrahmen sowie Stütz- und Abdeckprofile, in Großserien aus PVC gefertigt. Darüber hinaus sind witterungsstabile PVC-Modifikationen für Dachbedeckungen entwickelt worden. Additivarme PVC-Qualitäten werden auch zu strapazierfähigen Fußbodenbelägen verarbeitet.

Im Bereich der Elektroindustrie sind unverrottbare, spannungs- und wasserfeste Ummantelungen aus PVC für Kabel, insbesondere für erdverlegte elektrische Leitungen und Kabeltrassen, längst üblich. Anwendungsfördernd in diesem Bereich ist die generelle Nichtbrennbarkeit von PVC. Auch für Kleinteile, etwa im Automobil und Elektrobau, wird PVC eingesetzt, das beliebig und auch deckend einfärbbar ist.

PVC-Schläuche sind oft die preiswerte Alternative zu anderen Schlauchmaterialien. Hochwertige PVC-Schlauchqualitäten, die z. B. unter dem Handelsnamen TYGON® (Saint-Gobain S.A.) bekannt geworden sind, werden aus klarem, quervernetztem PVC gefertigt und enthalten keine Weichmacher. Sie sind in allen gängigen Abmessungen mit Innendurchmessern im Millimeterbereich bis zu mehrfachen Zollgrößen verfügbar und teilweise auch für Lebensmittel zugelassen. Generelle Eigenschaften des Materials sind Weichheit und hohe Verschleißfestigkeit, porenfreie, glatte Innen-Oberflächen sowie geringe Gas-Permeation (Gasdurchlässigkeiten). Einige TYGON®-Produkte erfüllen dabei die strengen Regeln von EPA (US Environmental Protection Agency) und CARB (California Air Recources Board).

Durch Einlagerung von Metallgewebe, Hart-PVC- oder Stahlspiralen in die Wandungen werden die Schläuche druckfest ausgerüstet. Wellrohrschläuche haben Wandungen mit Querrillenprofil. Sie verleihen dem Material Festigkeit bei gleichzeitiger Flexibilität. Solche Schläuche, für die sich auch härtere PVC-Qualitäten eignen, werden als Schutz- und Durchschussrohre beim Verlegen, Verbauen und Zusammenfassen von Leitungen, insbesondere von elektrischen Leitungen, verwendet. Für Schlauchpumpen wurden spezielle, sehr weiche PVC-Schlauchtypen mit fein abgestimmten und maßhaltigen Dimensionierungen als Mikro-Spezial-Analytikschläuche entwickelt, die durch Autoklavieren oder Ethylenoxid sterilisierbar sind.

Die Verwendung von PVC für Lebensmittelverpackungen sowie für Medizinprodukte ist sehr umstritten. Deshalb wird PVC inzwischen innerhalb dieser Anwendungsbereiche oft durch andere, physiologisch unbedenkliche Kunststoffe ersetzt. Die Verwendung bestimmter PVC-Qualitäten für Kinderspielzeug wurde bereits im Jahre 1999 EU-weit verboten.

 

chemische Eigenschaften

PVC ist ein wasserunlöslicher, amorpher Kunststoff. Enthält er jedoch Weichmacher, andere flüchtige Additive oder auch niedermolekulare Polymeranteile, sind Auslaugungen und Ausgasungen möglich. Deshalb ist der PVC-Einsatz in Innerraumbereichen problematisch. Der allmähliche Verlust dieser Stoffe verringert in jedem Fall auch die Lebensdauer des Kunststoffs, weil er dadurch versprödet.

Polare organische Lösungsmittel, wie Dioxan, Aceton, Methylethylketon oder Essigester, halogenierte Lösungsmittel und aromatischen Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, greifen PVC an. Hingegen ist PVC gegenüber unpolaren Lösungsmitteln, wie in Benzin und anderen aliphatischen Kohlenwasserstoffen sowie gegenüber Ölen und Fetten beständig. Allerdings können auch sie Weichmacher und andere Additive herauslösen und damit günstige Eigenschaften des Kunststoffs mindern.

Gegenüber Alkalilaugen, schwachen und starken Säuren, auch Flußsäure, ist PVC stabil, oxidierende Säuren, wie Salpetersäure oder Peressigsäure, zerstören den Kunststoff bei längerem Einwirken. Gamma- und UV-Strahlung zersetzen PVC strahlenchemisch. Durch entsprechende Additive kann jedoch eine hohe UV-Stabilität erreicht werden.

Alle PVC-Qualitäten sind zwar selbst nicht brennbar, sie zersetzen sich aber bei höheren Temperaturen, wie im Brandfall, unter Freisetzung von Kohlenmonoxid; die Brandgase enthalten zudem große Mengen Chlorwasserstoff sowie krebserregende Benzpyrene und hochgiftige Dioxine. Das Verbrennen von PVC-Abfällen kann nur in speziell dafür ausgerüsteten Anlagen erfolgen.

Das Langzeitverhalten von PVC in Deponien ist noch weitgehend unbekannt. Wegen der erheblichen Gefahr von Auslaugungen, insbesondere von Weichmachern, ist die Deponie von PVC-Abfällen jedoch problematisch. PVC Sortenreine PVC-Abfälle lassen sich zwar recyclen, die Sortenreinheit ist jedoch im Alltagsgebrauch kaum zu realisieren. Deshalb wird zunehmend die Forderung an die Industrie erhoben, den Einsatz von PVC weltweit zu verringern und es trotz seiner Preiswürdigkeit durch andere, umweltschonendere Kunststoffe, zu ersetzen.

 

Handelsformen

Der thermoplastische Kunststoff wird in unterschiedlichen PVC-U-Qualitäten als Pulver oder Granulat, produziert, das zu Halbzeugen verarbeitet wird, wie Platten, Rohre, Stangen und Profilstäbe, PVC-P außerdem zu Dichtprofilen, Folien und Schläuchen.  

 

Technische Daten für PVC-U  
allgemeine Eigenschaften  
Dichte 1,38 bis 1,40 g/cm3
Farbe weiß, beliebig einfärbbar
Lichtdurchlässigkeit opak bis klar (im verarbeiteten Zustand)
Wasseraufnahme bis 1,6 % (bei Lagerung unter Wasser)
Brennverhalten (UL 94) V-0 (IEC 60695-11-10)
Sauerstoffindex (LOI)   47 % (ISO 4589)
Sauerstoff-Permeationskoeffizient 0,4  · 10-9 cm2/sec · bar
Wasserdampf-Permeationskoeffizient 1,5 · 10-9 cm2/sec · bar
   
thermische Eigenschaften  
Wärmeleitfähigkeit  0,15 W/K · m (DIN 52612)
spezifische Wärmekapazität 0,85 J/g · K
Erweichungstemperatur  +80 °C (ISO 11357)
Wärmeformbeständigkeit +61 °C [1,8 MPa] (ISO 75 HDT/A)
+69 °C [0,45 MPa] (ISO 75HDT/B)
thermische Längenausdehnung 8 · 10-5/K (ISO 11359)
maximale Einsatztemperatur  
kurzzeitig +70 °C
dauerhaft +60 °C
minimale Einsatztemperatur -30 °C
   
elektrische Eigenschaften  
Dielektrizitätskonstante (50 Hz)   3,5 (IEC 60250) 
Dielektrizitätskonstante (1 MHz)  3,0 (IEC 60250) 
Dielektrischer Verlustfaktor (50 Hz)  1,2 · 10-2 (IEC 60250) 
Dielektrischer Verlustfaktor (1 MHz)   3,0 · 10-2 (IEC 60250) 
Durchschlagfestigkeit 40 kV/mm (IEC 60243-1)
spezifischer Durchgangswiderstand 1013 Ω /m (IEC 60093)
spezifischer Oberflächenwiderstand 1013 Ω /cm2 (IEC 60093)
Kriechstromfestigkeit (CTI)  600 (IEC 60112)
   
mechanische Eigenschaften  
Shore-Härte (D)  82 
Kugeldruckhärte  130 MPa (ISO 2039-1) 
Zugelastizitätsmodul 3,0 GPa (ISO 527)
Streckspannung 58 MPa (ISO 527)
Kerbschlagfestigkeit +23 °C (IZOD)  5 kJ/m2 (ASTM D 256/ISO 180/1A)
Biegefestigkeit  85 MPa (ISO 178)
   
chemische Beständigkeit  
Schmierstoffe, Benzin und andere aliphatische Kohlenwasserstoffe beständig
Benzol, Xylol und andere aromatische Kohlenwasserstoffe wenig beständig
halogenierte Lösungsmittel unbeständig
Ester und Ketone wenig beständig
organische Säuren und Mineralsäuren beständig
oxidierende Säuren wie Salpetersäure wenig beständig
Alkalilaugen und Amine  beständig 
Heißwasser   beständig 
UV-Strahlung  wenig beständig 
Gammastrahlung  unbeständig 
   
Technische Daten für PVC-P  

Für PVC-P können keine technischen Richtdaten angegeben werden, weil sie stark vom Gehalt an Weichmachern und anderen Additiven abhängig sind. Sie müssen im Zweifelsfall für den jeweiligen Einsatzfall erprobt werden.

Bei Weichmachergehalten, die bis zu 40 Gew.-% betragen können, steigt der Permeationskoeffizient für Wasserdampf gegenüber PVC-U bis zum Vierfachen an, für Sauerstoff bis zum Zehnfachen. Die Wärmeleitfähigkeit und der Einsatz-Temperaturbereich sind ähnlich den Werten für PVC-U. Die Dichte ist aber wegen der Aufweitung der Struktur des polymeren Molekülverbandes durch unterschiedliche Weichmachertypen und -mengen deutlich geringer. Sie beträgt zwischen 1,2 und 1,35 g/cm3. Der LOI-Index verringert sich mit zunehmendem Weichmachergehalt, erreicht aber keine kritischen Werte. Weichmacher nehmen auch Einfluss auf die dielektrischen Eigenschaften.

Die mechanischen Eigenschaften von PVC-U und PVC-P sind miteinander nicht vergleichbar, sie weisen naturbedingt starke Unterschiede auf.

Grundsätzlich sind die Beständigkeiten von PVC-P und PVC-U gegenüber Chemikalien einander ähnlich. Durch hohe Gehalte an Weichmachern und anderen Additiven kann die PVC-P-Chemikalienbeständigkeit aber auch deutlich verändert und damit nicht mehr mit der von PVC-U vergleichbar sein.

 

Weiterführende Literatur

(1) G. W. Becker, D. Braun, Kunststoffhandbuch  2/2, Polyvinylchlorid, Carl Hanser-Fachbuchverlag, München [1986], ISBN 978-3-446-14161

(2) U. Förstner, Umweltschutztechnik, 4. Aufl. Springer-Verlag [1992], ISBN 5-540-56027-0

(3) E. Röhrl, PVC-Taschenbuch, Carl Hanser Fachbuchverlag, München [2007], ISBN 978-3-446-40380-2

(4) Green Building Council Australia (GBCA), Background and Outcomes of the Green Star PVC Minimisation Credit; Review 07.04.2010 [www.gbca.org.au]