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. Durch den Zusatz von Weichmacher 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, Äther, Benzol, Chloroform, und konzentrierter Salzsäure. Hart-PVC lässt sich gut, Weich-PVC schlecht spanabhebend verarbeiten. Bei Temperaturen von 120 - 150°C kann es spanlos verformt werden. Verbindungen können mit Spezialkleber oder durch Verschweißen mit Heißluft hergestellt werden. PVC brennt mit gelber, stark rußender Flamme, und erlischt ohne weitere externe Beflammung schnell.

Aufgrund des hohen Chlorgehalts ist PVC schwer entflammbar, 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 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.

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, später ein Produktionsort der Firma Hoechst, den Auftrag, für den in großen Mengen vorhandenen Rohstoff Ethin (Acetylen) 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 Celsius: 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.

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. Auch die Emulsionspoylmerisation kommt zur Synthese zum Einsatz.

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, die kalandriert werden. Aus Hart-PVC werden Rohre und Profile, z. B. für Fenster hergestellt, bzw. Pharmacie-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 Schlagzähmodifier 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: 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. 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).   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. 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.

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 (zum Beispiel Benzintanks und -kanister) 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.  

Als Handelsnamen waren oder sind Ekadur, Decelith-H, Gölzalith (DDR) und Vinidur, Trovidur, Hostalit (BRD) für Hart-PVC gebräuchlich. Weich-PVC hat die Bezeichnungen Ekalit, Decelith-W (DDR) und Mipolam, Igelit (BRD). Bekannte Handelsnamen für Hart-PVC sind Astralon, Luvitherm, Rhenadur, Rhenalon, Trovidur und Vinidur. Weich-PVC ist unter anderem unter den Namen Acella, Adretta, Alkar, Coroplast, Tautex, Koresal 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 etwa 150.000 Beschäftigte in über 5.000 Unternehmen 20 Milliarden Euro Umsatz. Die PVC-Branche repräsentiert etwa ein Viertel der Kunststoffbranche.

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