Polyvinylchlorid
Polyvinylchlorid, abgekürzt PVC, ist ein thermoplastischer Kunststoff.
Aufbau und Eigenschaften
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 Cl
\ / | | | |
C = C ··· - C - C - C - C - ···
/ \ | | | |
H H H H H H
Vinylchlorid Polyvinylchlorid
PVC ist ein harter, spröder, weißer Kunststoff, der erst durch Zugabe von Weichmacher weicher und formbar wird.
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 dem Aufblühen der chemischen Industrie wurde auch der Rohstoff Natronlauge, der 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, Vorgängerin der Firma Hoechst, den Auftrag, für den massenhaft vorhandenen Rohstoff Acetylen neue Umsetzungsprodukte zu finden. Er legte die Grundsteine für die Herstellung von PVC, das vorerst nur die Bindung von Chlor ermöglichte und so in großen Mengen gelagert werden konnte. Weitere Verwendungsmöglichkeiten bestanden vorerst nicht.
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. 1938 wurde PVC in Deutschland schließlich zum ersten Mal großtechnisch hergestellt.
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
Fritz Klatte stellte für seine Versuche Glasgefäße mit Vinylchlorid und verschiedenen Zusätzen auf den Fabrikshof, um sie wie zuvor Regnault dem Sonnenlicht auszusetzen. 1913 erhielt er ein Patent auf die Polymerisation von Vinylchlorid und seine Verwendung als Hornersatz, als Filme, Kunstfäden und für Lacke.
Das historische Additionsverfahren von Chlor zu Vinylchlorid ist jedoch verlassen worden. Heute werden Rohöl (oder in geringerem Ausmaß Kohle) und Kochsalz als preiswertere Rohstoffbasis eingesetzt. Vier verschiedene Polymerisationsverfahren werden benutzt, wobei ca. 80 % der gesamten Weltproduktion nach der so genannten "Polymerisation in Suspension" hergestellt werden.
Heute wird unterschieden in PVC-weich und PVC-hart. Ein bekannter Vertreter von PVC-weich ist das Kunstleder.
Bei PVC wird unterschieden zwischen den leicht flüchtigen Weichmachern und den Flexibilisatoren. Letztere gehen mit PVC eine chemische Verbindung ein und sind deshalb nicht in dem Sinne flüchtig wie die vorgenannten.
Verwendung
Das an sich spröde und harte PVC wird mit Weichmachern und Stabilisatoren an die verschiedensten Einsatzgebiete angepasst.
PVC wird – wie die meisten anderen Werkstoffe – nicht alleine verarbeitet, sondern im Gemisch mit Zusatzstoffen. Sein chemischer Aufbau – seine polare Struktur – erlaubt es dem PVC, eine große Menge der unterschiedlichsten Komponenten aufzunehmen. Auswahl und Dosierung dieser Stoffe bestimmen wesentlich die Verarbeitungseigenschaften der PVC-Mischung und die Gebrauchseigenschaften des Fertigproduktes. Da sich diese in weiten Grenzen variieren lassen, ist die große Anwendungsbreite von PVC leicht erklärbar.
Die wichtigsten Additive für PVC sind Stoffe zur Verbesserung physikalischer Eigenschaften wie Temperatur-, Licht- und Wetterbeständigkeit, Zähigkeit, Elastizität und Transparenz. Daneben werden Stoffe zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit und Farbpigmente zugesetzt. All diese Stoffe sind im PVC-Fertigprodukt fest eingebunden und praktisch nicht bioverfügbar.
An die heute 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. Um diese Sicherheit der Verbraucher zu gewährleisten, regeln gesetzliche Vorgaben Herstellung und Verwendung bis hin zur Entsorgung von Kunststoffadditiven bzw. mit Additiven ausgerüsteten Fertigteilen aus Kunststoff. PVC-Additive spielen vor diesem Hintergrund grundsätzlich keine Sonderrolle.
PVC ist aufgrund seiner technischen Eigenschaften besonders geeignet für Rohre die sich wegen ihrer glatten Innenfläche wenig zusetzen, für langlebige und pflegeleichte Energiesparfenster, für Bodenbeläge mit geringem Pflegeaufwand und schwerentflammbare Kabel sowie viele weitere Produkte.
Dank der Verbrauchernachfrage ist der Kunststoff PVC weltweit auf Wachstumskurs. Ein Exportschlager sind PVC-Fenster, stark nachgefragt sind ferner zum Beispiel Rohre für Kabeltrassen und Membrandächer. In Deutschland erwirtschaften 150.000 Beschäftigte in über 5.000 Unternehmen 20 Milliarden EURO. Die PVC-Branche, die ein Viertel der Kunststoffbranche repräsentiert, sichert und schafft Arbeitsplätze: als Wachstumsbranche Nummer 1 wurden im Jahr 2000 hier 2% zusätzliche Arbeitsplätze geschaffen.
Nachhaltige Zukunft
Auf dem Weg in eine nachhaltige Zukunft hat der Werkstoff PVC gute Startbedingungen durch seine Ressourcenschonung und das gute Abschneiden bei Ökobilanzen, in denen konkurrierende Produkte miteinander verglichen werden. Auch Geld ist eine knappe Ressource. Viele PVC-Produkte haben durch günstige Verarbeitungstechniken oder geringen Pflegeaufwand (wie bei Fenstern oder Bodenbelägen) hohe Kostenvorteile. Auf Basis einer Schätzung von Prognos aus 1994, extrapoliert auf 100 Prozent der PVC-Anwendungen und auf Gesamt-Deutschland, kommt man auf einen volkswirtschaftlichen Vorteil von 6,2 Mrd. EURO pro Jahr – trotz der von Prognos eingerechneten Verwertungs- und Entsorgungskosten. Das Bauministerium Schleswig-Holstein hat an einem konkreten Projekt 1997 herausgefunden, dass ein Mehrfamilienhaus gänzlich ohne PVC 10 Prozent teurer ist als ein vergleichbares mit PVC-Produkten. Ein Jahr zuvor war in Bayern ein Krankenhaus zunächst mit halogenfreien Kabeln geplant. Angesichts von 2 Mio. EURO Mehrkosten wurde das Krankenhaus mit PVC-Kabeln und einem Rauchansaugsystem realisiert; d.h. mit höherer Sicherheit, zu einem Zehntel der zuvor geplanten Kosten.
Die Modernisierung der PVC-Branche ist vorangeschritten. Bei der Herstellung wurde eine Reduktion von Emissionen und Abfällen sowie die Erhöhung der Sicherheit erreicht, die Zuschlagstoffe wurden optimiert und Recyclinganlagen im technischem Maßstab geschaffen. Gleichzeitig erobern neue oder verbesserte Produkte den Markt, wie Wasserrohre mit Schaumkern, neue Pasten für den Unterbodenschutz von Autos oder PVC-Fensterprofile, die in Kombination mit einem Wärmeschutzglas genau soviel kosten, wie ein gleich teures Holzprofil mit Einfachverglasung, aber helfen, Energie und CO2 zu sparen.
Viele Vermutungen über PVC haben sich in den letzten Jahren als falsch herausgestellt. Dies betrifft in erster Linie die lange kontrovers geführte Debatte um Dioxine, Additive und das Recycling.
Heute ist klar, dass die Menge an PVC in der MVA unerheblich ist für die Dioxinemissionen. Heutige MVAen sind zudem in der Lage, die strengen Abgaswerte von 0,1 ngTEQ/Nm3 zu erfüllen. 1998 stellte das UBA fest, dass Dioxine bei Bränden im Vergleich etwa zu den polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) eine sehr geringe Rolle spielen.
Moderne PVC-Additive weisen in geringer Konzentration eine hohe Wirkung auf. Um die Sicherheit der Verbraucher zu gewährleisten, regeln gesetzliche Vorgaben Herstellung, Verwendung bis zur Entsorgung von Kunststoffadditiven bzw. mit Additiven ausgerüsteter Fertigteile aus Kunststoff.
Fortschritte sind auch beim PVC-Recycling erkennbar: 1998 lag die Gesamtmenge von PVC-Produkten im Abfall in Deutschland bei 683.000 t. Davon wurden im Bezugsjahr 1995 werkstofflich 27% und energetisch 24% verwertet. Von den werkstofflich verwerteten Mengen stammen etwa 50.000 t aus gebrauchten Produkten ("postconsumer"-Abfälle). Für PVC-Abfälle aus der Kunststoffverarbeitung ermittelt eine aktuelle Studie eine Verwertungsquote von über 95 %.
1994 stellt die Enquete-Kommission des Deutschen Bundestages fest: "Ohne ökonomische oder ökologische Begründung kann die Enquete-Kommission jedoch die Substitution von PVC durch andere Werkstoffe nicht empfehlen. Eine solche Umstellung birgt die Gefahr einer Problemverschiebung, wenn nicht gar einer Verschlechterung des gegenwärtigen Zustandes in sich." Im Juni 1999 erschien eine PVC-Studie des Umweltbundesamtes. Trotz Mängeln - der Bericht beschränkt sich nur auf den ökologischen Teilaspekt der Nachhaltigkeit und klammert ökonomische und soziale Aspekte aus - belegt der UBA-Bericht, dass heute der Großteil früher streitiger Behauptungen über PVC widerlegt ist. Das UBA stellt fest, dass eine Substitution von Hart-PVC bei Beachtung bestimmter Verbesserungen “zu keiner wesentlichen Verringerung von Umweltrisiken” führt. Bei Weich-PVC empfiehlt es eine eingehende Prüfung, da vor der Einführung von Ersatzprodukten ausreichend geprüft sein müsse, inwieweit sie den in der UBA-Studie entwickelten Maßstäben besser genügen als entsprechende Produkte auf PVC-Basis. Die Neubewertung durch Experten wird auch in der Politik wahrgenommen: so sind in den Bundesländern Hessen, MecklenburgVorpommern, Thüringen, Niedersachsen, Berlin und Bremen frühere Beschränkungen bei der Beschaffung von PVC oder bei öffentlich geförderten Bauvorhaben zurückgenommen oder gelockert worden. In Nordrhein-Westfalen verfügte der grüne Bauminister Vesper 1999 einen Erlass zum umweltschonenden Bauen, der keine Werkstoffverbote enthält.
Auch die Europäische Kommission setzte sich in den letzten Jahren mit dem Werkstoff PVC auseinander. Eine übergreifende Untersuchung "Horizontal-Initiative" genannt, sollte die Basis für die künftige Haltung zur Verwendung von PVC bilden: 1999 wurden 5 Studien zu unterschiedlichen Aspekten der PVC-Entsorgung vergeben, auf deren Basis die EU-Kommission im Juli 2000 ein Grünbuch zu PVC vorlegte und zur Diskussion aufrief. Die Resonanz war enorm: 33.000 Stellungnahmen sind laut EU-Kommission zum PVC-Grünbuch eingegangen, davon äußerten sich 98% positiv zum Einsatz und Verwendung von PVC. Im April 2001 stimmte das europäische Parlament über den Grünbuch-Bericht und zahlreiche Änderungsanträge ab. Anträge auf einen generellen Verzicht auf PVC, Weich-PVC oder die Forderung, PVC-Produkte als nicht nachhaltig zu bewerten, wurden abgelehnt. Das EU-Parlament forderte, das Recycling zu verstärken und anerkannte, dass sich das Grünbuch der Kommission hauptsächlich auf die Analyse der Umweltauswirkungen von PVC auf die Abfallwirtschaft konzentriert, ohne sämtliche Aspekte von PVC-Erzeugnissen während des gesamten Lebenszyklus zu analysieren und ohne die wirtschaftlichen Vor- und Nachteile dieses Materials umfassend zu untersuchen. Derzeit erarbeitet die EU-Kommission eine Schlussfolgerung aus der Grünbuchdebatte; geplant ist eine „Mitteilung“.
Um die Herausforderungen der Zukunft im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung voranzutreiben und zu koordinieren, hat die europäische PVC-Branche - vertreten durch alle Haupt-Verbände ECVM (PVC-Hersteller), ECPI (PVC-Weichmacher-Hersteller), ESPA (PVC-Stabilisatoren-Hersteller) und EuPC (PVC-Verarbeiter),im März 2000 eine freiwillige Vereinbarung, die „Selbstverpflichtung der PVC-Branche zur nachhaltigen Entwicklung“ verabschiedet. Die Verpflichtung deckt jedes Stadium des Lebensweges eines PVC-Produktes ab: von der verantwortlichen Herstellung, der Ressourcen-Effizienz bis hin zur Verwertung und Entsorgung. Essentielle Elemente sind quantifizierbare und nachweisbare Ziele. Zum Erreichen dieser Ziele werden Termine festgelegt, um in einem stufen weisen Prozess das Gesamtziel zu erreichen. Jedes Jahr wird ein Bericht über das jeweils abgelaufene Jahr veröffentlicht, der allen Interessenten zugänglich gemacht wird. Der erste dieser „Fortschrittsberichte“ erschien im März 2001. Im Oktober 2001 hat die PVC-Branche unter dem Titel „Vinyl 2010“ die Selbstverpflichtung zur nachhaltigen Entwicklung ergänzt. Dabei geht es um den schrittweisen Verzicht auf Bleistabilisatoren, eine Konkretisierung der Recyclingziele auch für Dachbahnen und Bodenbeläge und die Etablierung eines sozialen Dialoges mit den Gewerkschaften. Der zweite Fortschrittsbericht, der von unabhängigen Dritten (Det Norske Veritas) überprüft wurde, ist im April 2002 der Öffentlichkeit präsentiert worden. Im Jahr 2005 wird die Erreichung der selbst gesteckten Ziele durch unabhängige Dritte überprüft werden.
Produkte aus PVC haben sich in der Vergangenheit als außerordentlich sicher bewährt. Aufgrund dieser Tatsache und wegen seiner hervorragenden Kosten-Nutzen-Bilanz ist PVC nach wie vor weltweit ein Erfolgsprodukt: Das niedrige Gewicht des Materials führt zu Energieeinsparungen in Anwendungsbereichen wie Verpackung und Verkehr. Leichtere Fahrzeuge verbrauchen weniger Kraftstoff, leichtere Verpackungen führen zur Kraftstoffersparnis bei der Verteilung usw. Aufgrund der Dauerhaftigkeit von PVC kann bei manchen Anwendungen von einer Lebensdauer von über 100 Jahren ausgegangen werden. Langlebige Produkte benötigen wenig Wartung und sprechen für eine hocheffiziente Ressourcennutzung. Die einzigartige Bandbreite von Eigenschaften eröffnet umfangreiche Innovationsmöglichkeiten und bringt der Gesellschaft Fortschritte und Vorteile in einer Vielfalt von Anwendungen vom Gesundheitswesen über die Bautechnik bis hin zur Entwicklung von alltäglichen Gütern. Produkte aus PVC haben wie solche aus Stahl, Glas oder Papier Umweltauswirkungen bei Herstellung, Verwendung und Entsorgung. Bei einem vollständigen Vergleich (Ökobilanz, Nachhaltigkeitsvergleich) schneiden PVC-Produkte gut ab – insbesondere wegen ihrer Langlebigkeit und ihres vergleichsweise niedrigen Energiebedarfs. Alle bisher veröffentlichten Gesamt-Bewertungen lehnen daher den Verzicht auf PVC ab und empfehlen ökologische Verbesserungen.