Hast Du Dich schon einmal gefragt, woraus Plastikrohre hergestellt werden? Sie müssen stabil und dicht sein, um ihren Inhalt zu behalten, und doch günstig herzustellen. Das bevorzugte Material für solche Fälle ist Polyvinylchlorid – kurz auch als PVC bezeichnet. PVC ist ein Kunststoff, das in der Chemie auch Polymer genannt wird. Es stellt den drittwichtigsten Kunststoff dar. Welche Eigenschaften er besitzt, wie er hergestellt und verwendet wird, erfährst du hier. Außerdem gehen wir auf die Vor- und Nachteile von Polyvinylchlorid genauer ein.
Polyvinylchlorid Herstellung
Polymere – wie Polyvinylchlorid – bestehen aus vielen aneinandergereihten Einheiten, den Monomeren. Damit eine solche Struktur entsteht, müssen Moleküle miteinander zu einer langen Kette reagieren. Im Falle des PVCs wird der zugrundeliegende Reaktionsmechanismus als radikalische Kettenpolymerisation bezeichnet.
Polyvinylchlorid Formel
Die zur Herstellung des PVCs verwendeten Monomere sind Vinylchlorid-Moleküle mit der Formel \( (H_2C\!=\!CHCl) \). Ihre Struktur siehst Du in Abbildung 1:
Abbildung 1: Strukturformel von Vinylchlorid
Damit sich PVC bilden kann, müssen sich nacheinander immer mehr Vinylchlorid-Monomere an die wachsende PVC-Kette anhängen. Die Strukturformel der dabei entstehenden Wiederholeinheit kannst Du in Abbildung 2 betrachten:
Abbildung 2: Strukturformel einer Wiederholeinheit von Polyvinylchlorid
Polyvinylchlorid wird durch die radikalische Kettenpolymerisation gewonnen. Generell gilt bei der Kettenpolymerisation, dass die Monomere infolge einer Startreaktion beginnen, sich durch Reaktionen an das Ende einer Polymerkette Reaktionen zu binden.
Kettenpolymerisation heißt es auch deswegen, weil der Ablauf einer Kettenreaktion gleichkommt. Bei der radikalischen Form wird die Startreaktion durch Radikale (Atome mit mindestens einem ungepaartem Elektron) ausgelöst.
Mehr zum genauen Mechanismus der Kettenpolymerisation kannst Du in der StudySmarter-Erklärung Radikalische Polymerisation erfahren!
Polyvinylchlorid Produktionsarten
Je nachdem, welche Eigenschaften das PVC aufweisen soll und wofür es später verwendet werden soll, können verschiedene Herstellungsverfahren angewandt werden.
E-PVC
E-PVC wird durch die sogenannte Emulsionspolymerisation hergestellt, dem ältesten bekannten Herstellungsverfahren für PVC. Dafür wird Vinylchlorid in Wasser eingerührt, wobei eine sogenannte Emulsion entsteht.
Emulsionen sind Mischungen aus zwei Stoffen, die normalerweise nicht miteinander mischbar sind. Eine der Flüssigkeiten wird in Form von winzig kleinen Tröpfchen in die andere Flüssigkeit gerührt, sodass die beiden nahezu untrennbar werden. Milch ist zum Beispiel eine Emulsion, wobei hier viele Fetttröpfchen mit einer wässrigen Lösung vermischt sind.
Dasselbe muss auch zur Herstellung des E-PVCs passieren: Das Vinylchlorid befindet sich in Tröpfchen, die mit einer wässrigen Lösung vermischt werden sollen, in der sich die restlichen Reaktionskomponenten befinden. Um die Vermischung des Vinylchlorid mit dem Wasser zu erleichtern, werden Emulgatoren verwendet.
S-PVC
S-PVC wird durch die sogenannte Suspensionspolymerisation hergestellt, dem heutzutage am häufigsten verwendeten Herstellungsverfahren für PVC (etwa 90 %). Dabei wird Vinylchlorid unter hohen Temperaturen und hohen Drücken verflüssigt und anschließend mit Wasser versetzt.
Im Gegensatz zur Emulsionspolymerisation, bei der das Vinylchlorid zum Reagieren in die wässrige Lösung treibt, bildet sich das Polymer PVC hier in den Vinylchlorid-Tröpfchen.
M-PVC
M-PVC wird durch die sogenannte Massepolymerisation hergestellt. Dazu wird PVC verflüssigt und die Polymerisation wird direkt darin durchgeführt, ohne zusätzliche wässrige Phase. Durch diesen Vorgang hat durch M-PVC hergestelltes PVC eine besonders hohe Reinheit. Das macht man sich hauptsächlich dann zunutze, wenn man das PVC für durchsichtige Materialien benötigt.
Hart- und Weich-PVC
Je nachdem, wofür das Polyvinylchlorid später verwendet werden soll, kann es in Hart- und Weich-PVC eingeteilt werden. Diese beiden Arten an PVC haben ihrem Namen entsprechende Eigenschaften, die durch Zusatzstoffe bei der Produktion gezielt hervorgerufen werden können.
Hart-PVC hat das Kurzzeichen PVC-U (unplasticized) und ist besonders hart und spröde, während Weich-PVC das Kurzzeichen PVC-P (plasticized) hat und weich bis elastisch ist. Durch die Zugabe von verschiedenen sogenannten Additiven und Weichmachern können beim jeweiligen PVC genau der gewünschte Härte- und Elastizitätsgrad erreicht werden.
Polyvinylchlorid Eigenschaften
Polyvinylchlorid gehört zu der Gruppe der thermoplastischen Polymere.
Thermoplasten sind eine Stoffgruppe, die ab einer bestimmten Temperatur anfangen, verformbar zu werden. Kühlen sie ab, werden Thermoplasten fest und behalten ihre Form.
Ab einer Temperatur von etwa 120 °C ist PVC weich genug und verformbar, der Schmelzpunkt von PVC liegt bei 180 °C.
Zwar ist Polyvinylchlorid nur schwer entflammbar, doch solange es an eine Flamme gehalten wird, kann PVC brennen und erzeugt dabei eine gelbe Flamme. Allerdings entstehen dabei Schadstoffe und viel Ruß, weshalb PVC möglichst nicht verbrannt werden sollte.
Die Wärme- und elektrische Leitfähigkeit von PVC ist nicht gut, weshalb es als Isolator genutzt werden kann.
In Wasser, manchen Säuren und Basen sowie Ölen ist PVC nicht löslich. Dafür wird PVC von Lösemitteln wie Aceton, Diethylether und Benzol angegriffen.
Durch seine Unempfindlichkeit gegenüber Temperatur und Wasser ist PVC sehr witterungsbeständig und entsprechend langlebig. Außerdem lässt sich PVC leicht einfärben.
Polyvinylchlorid Verwendung
Durch die beständigen Eigenschaften von PVC und seine günstige Herstellung kann es recht vielseitig eingesetzt werden. Außerdem können Produkte aus PVC in allen gewünschten Farben produziert werden.
Aus massivem PVC:
- Garten- und Campingmöbel
- Rohre
- Fensterrahmen
- Spielzeug
Aus PVC Folien:
- Kunstleder
- im Bausektor: für Teiche, Dächer, Böden
- Kreditkarten
Außerdem: PVC als Isolator/Ummantelung von Kabeln
Polyvinylchlorid Vor- und Nachteile
Wie jedes Material hat auch Polyvinylchlorid seine Vor- und Nachteile.
Ein großer Vorteil von PVC gegenüber anderen Kunststoffen sind seine Witterungsbeständigkeit und die günstige Herstellung.
In der Chemieindustrie fällt Chlor bei der Herstellung von Natronlauge massenweise als Nebenprodukt an und hat nicht sehr viele andere Verwendungszwecke, weshalb es schon fast als ein Abfallprodukt angesehen wird. Dieses Chlor für die Herstellung von Vinylchlorid zu verwenden, ist daher kostengünstig.
Da PVC so vielseitig eingesetzt wird, fällt es allerdings auch oft als Müll an. Recycelt werden kann PVC nur eine begrenzte Anzahl an Malen, bevor es zu urein wird und die Qualität leidet.
Der sogenannte Bakenfuß ist ein Beispiel dafür, wie PVC nach einigen Recycling-Schritten aussieht. Der Bakenfuß wird als Ständer für Baustellenschilder oder Straßenabsperrungen verwendet.
Abbildung 3: Bakenfuß zur Verwendung bei einer Baustelle
Eine andere Möglichkeit, Müll aus PVC zu entsorgen, besteht darin, es zu verbrennen, um Energie zu gewinnen. Dabei fallen allerdings schädliche Reste und Giftgase an. Außerdem ist der Energiegewinn aus PVC ist nicht so hoch, als dass sich dieser Prozess lohnen würde.
Da Polyvinylchlorid so beständig ist, muss es allerdings auch nicht so oft entsorgt und ersetzt werden, wie andere Materialien, solange das PVC mit Bedacht eingesetzt wird.
Ein weiterer Nachteil des PVCs ist seine gesundheitsschädliche Herstellung. Vinylchlorid kann Krebs verursachen und sogar das Erbgut (die DNA) verändern, ebenso wie andere benötigte Ausgangsstoffe.
Arbeiter, die mit Vinylchlorid arbeiten, erkrankten vor Einführung von besseren Arbeitsbedingungen so häufig an Leberkrebs, dass die "VC-Krankheit" sogar als offizielle Berufskrankheit anerkannt wurde.
In Weich-PVC sind außerdem oft Weichmacher enthalten, die gesundheitsschädlich sind. Ohne entsprechende Maßnahmen können sie von Lebensmittelverpackungen oder Spielzeuge (wenn sie von Kindern in den Mund genommen werden) in den Körper aufgenommen werden. Dort können sie die Organe schädigen.
Der Ausgangsstoff für PVC – Vinylchlorid – wird zudem aus Erdöl gewonnen, wie es bei allen Kunststoffen der Fall ist. Erdöl ist ein endlicher Rohstoff und die Förderung ist oft umweltschädlich.
Polyvinylchlorid – Das Wichtigste
- Polyvinylchlorid (PVC) ist ein Polymer/Kunststoff.
- Polyvinylchlorid Formel: Die Summenformel einer Wiederholeinheit von PVC ist \(C_2H_3Cl\).
- Polyvinylchlorid Herstellung: PVC entsteht durch radikalische Kettenpolymerisation von Vinylchlorid-Monomeren.
- Polyvinylchlorid Eigenschaften: PVC ist ein Thermoplast, einfärbbar, witterungsbeständig und hat keine hohe elektrische Leitfähigkeit.
- Polyvinylchlorid Verwendung: PVC wird vor allem auf dem Bau eingesetzt (als Folien, Rohre oder Maschinenbauteile) oder als Kunstleder in der Textilindustrie.
- Polyvinylchlorid Vor- und Nachteile: PVC ist günstig herzustellen und sehr langlebig, kann allerdings nur begrenzt recycelt werden und ist gesundheitsschädlich, wenn es hergestellt oder verbrannt wird
Nachweise
- Abb. 3: "Bakenfuß 1" (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bakenfuss_1.jpg) von Superbass (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Superbass) ist lizenziert durch CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en).
- Robert Hohenadel et al. (Oktober, 2005). Polyvinylchlorid (PVC). Kunststoffe.
- gestis.dguv.de: Polyvinylchlorid. (15.11.2022)
- Peter Elsner (2013). DOMININGHAUS – Kunststoffe. Springer-Verlag.
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