Herstellung von PVC

Seit vielen Jahrzehnten hat sich der Kunststoff PVC äusserst erfolgreich auf der ganzen Welt durchgesetzt. Er gehört heute zu den wichtigsten Kunststoffen und hat sich in den verschiedensten Applikationen am Markt bewährt. PVC ist gekennzeichnet durch ein besonders breites Anwendungsspektrum. Die daraus gefertigten Produkte sind in ihrer Anschaffung meist kostengünstig und überzeugen durch niedrige Unterhaltskosten. Während ihres gesamten Lebenszyklus tragen sie immer mehr zur nachhaltigen Entwicklung bei: durch moderne Herstellungs- und Produktionsverfahren, den verantwortungsvollen Umgang mit Energie und Ressourcen, die kostengünstige Herstellung und Verarbeitung, aber auch durch etabliertes Recycling.

Rohstoffquellen Erdöl und Steinsalz

Ausgangsprodukte für die PVC-Herstellung sind Erdöl/Erdgas und Steinsalz. Aus Erdöl entsteht durch thermische Spaltung (cracken) Ethylen. Chlor wird dagegen auf elektro-chemischem Weg (Chlor/Alkali-Elektrolyse) aus dem nahezu in unerschöpflicher Menge auf der Welt vorhandenen Steinsalz gewonnen. Aus Ethylen und Chlor im Verhältnis 43 % zu 57 % wird Vinylchlorid (VC) hergestellt. VC ist der monomere Baustein von Polyvinylchlorid (PVC). Die Umsetzung von VC zu PVC erfolgt technisch durch verschiedene Polymerisations-Verfahren zu Suspensions- (S-PVC), Emulsions- (E-PVC) und Masse-PVC (M-PVC).

Der Energieaufwand zur Herstellung von Kunststoffprodukten ist im Vergleich zu klassischen Alternativmaterialien (zum Beispiel Metalle oder Beton im Rohrsektor) grundsätzlich günstiger, das heisst, bei der Gewinnung der Rohstoffe und bei der Fertigung der Produkte wird vergleichsweise weniger Energie aufgewendet. Unter den Kunststoffen weist PVC den günstigsten Wert bezüglich des Energieaufwandes pro Masseneinheit (MJ/t) auf.

Additive

Die enorme Bandbreite in der Verarbeitung von PVC zu den unterschiedlichsten Produkten beruht auf der Möglichkeit, durch den Einsatz diverser Zuschlagstoffe (Additive) die Verarbeitungs- aber vor allem auch die Gebrauchseigenschaften dieser Artikel zu beeinflussen. PVC-Produkte entstehen aus einem ursprünglich weissen, geruchlosen Pulver, dessen Weiterverarbeitung zu Halbzeugen oder Fertigartikeln erst durch die Beimischung solcher Zusätze möglich wird. Eine solche Additiv-Zugabe erfolgt jedoch nicht nur bei praktisch allen Kunststoffen, sondern auch bei traditionellen Werkstoffen wie Glas, Stahl oder Beton.

Im Wesentlichen werden folgende Additive verwendet:

Stabilisatoren
Stabilisatoren und Co-Stabilisatoren zur Verbesserung der Wärmestabilität während der Verarbeitung, die üblicherweise in einem Temperaturbereich von mehr als 160°C erfolgt. Die Stabilisatoren verhindern dabei die Verbrennung des Kunststoffes sowie eine daraus resultierende Verfärbung. Viele dieser Additive können auch eine gute Lichtstabilität des Fertigproduktes bewirken, was vor allem bei Artikeln von Vorteil ist, die sich im Ausseneinsatz befinden (Fensterprofile, Rollläden, Dachbahnen, LKW-Planen etc.).
Zur Stabilisierung werden in PVC-Produkten anorganische und organische Salze der Metalle Calcium, Zink, Barium, Blei oder Zinn eingesetzt. Diese Salze sind fest im Molekülgefüge verankert. Sie werden nicht freigesetzt und gelangen bei Nutzung der Produkte nicht in die Umwelt. Der Einsatz von Stabilisatoren hat sich in den vergangenen Jahren deutlich verändert. Verkauf und Verwendung von Cadmium-Stabilisatoren wurden in allen Mitgliedstaaten der EU eingestellt. Seit 2016 werden in Neuwaren keine Blei-Stabilisatoren mehr verwendet.

Gleitmittel
Gleitmittel verbessern die Beweglichkeit der Molekülketten zueinander. Sie reduzieren den mechanischen Widerstand (Friktion) innerhalb der zur Verarbeitung immer geschmolzenen Mischung und verringern dadurch eine zusätzlich entstehende Erwärmung. Gleitmittel setzen zudem die Haftung der geschmolzenen Kunststoffmischung an der metallischen Oberfläche der Verarbeitungsmaschine (Extruder, Kalander, Düse) herab. Sie verhindern das Ankleben der geschmolzenen Masse und verbessern deren Fliesseigenschaften.

Modifier
Polymere Hilfsstoffe (Modifier) werden zugesetzt, wenn eine Verbesserung der Zähigkeit des Endproduktes erzielt werden muss. Dies wird zum Beispiel von Bauelementen gefordert, die einer hohen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind (Fenster, Fassadenplatten, Rohrsysteme, Bauprofile). Modifier können aber auch die Wärmeformbeständigkeit des Endproduktes und/oder das Verhalten der Mischung während des Schmelzprozesses bei der Verarbeitung positiv verändern.

Füllstoffe
Füllstoffe reduzieren den Preis der PVC-Mischung, sie beeinflussen jedoch gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften des Endproduktes und wirken sich auch während der Verarbeitungsphase unterschiedlich aus. Deren Verwendung ist nicht unbegrenzt möglich, ihr Rezeptureinsatz muss ausgewogen erfolgen.

Pigmente
Pigmente tragen zur Farbgebung im Endprodukt bei. Es kann sich dabei um anorganische Substanzen (metallhaltige Gesteinsmehle, Oxide, Titandioxid) aber auch um organische Farbstoffe handeln, die sich bezüglich ihrer Farbintensität und vor allem ihrer Farbstabilität bei Belichtung sehr stark unterscheiden können. Die Entscheidung zu deren Auswahl ist in höchstem Masse von der letztlichen Anwendung abhängig.

Weichmacher
Weichmacher befinden sich in rund einem Drittel aller PVC-Applikationen. Durch den Zusatz der Weichmacher erhöht sich die Beweglichkeit der PVC-Molekülketten zueinander und man erhält unterschiedlich flexible Endprodukte. Zu den wichtigsten Applikationen gehören Bodenbeläge, Dachdichtungsbahnen, beschichtetet Gewebe für architektonisch anspruchsvolle Spannkonstruktionen, LKW-Planen, Tapeten und Kabel aber auch im Medizinalbereich findet man Weich-PVC-Produkte in Form von Infusionsbeuteln, Schläuchen und vor allem Blutbeuteln im täglichen Gebrauch.

Ester der Phthalsäure sind die am häufigsten eingesetzten Weichmacher. Innerhalb des europäischen Marktes erfolgte bei deren Verwendung in den letzten Jahren eine Veränderung hin zu hochmolekularen Weichmachern. Den grössten Anteil bilden hier DINP (Di-Isononylphthalat) und DIDP (Di-Isodecyclphthalat). Diese Stoffe haben niedermolekulare Weichmacher wie DEHP (Di-Ethylhexylphthalat), DBP (Di-Butylphthalat) und BBP (Benzyl-Butyl-Phthalat) im Markt abgelöst. Auch weitere Spezialweichmacher erlangten inzwischen wirtschaftliche Bedeutung. Zu ihnen gehören Polymerweichmacher auf Adipinsäurebasis, Adipate, Terephthalate und andere phthalatfreie Weichmacher wie z.B. DINCH (Cyclohexan-1,2-dicarbonsäure-diisononylester).

In der öffentlichen Diskussion werden Phthalate unberechtigt immer wieder mit schädlichen Wirkungen für Mensch und Umwelt pauschal in Verbindung gebracht. Die verschiedenen Phthalate unterscheiden sich in ihren diesbezüglichen Wirkungen jedoch sehr deutlich voneinander. Niedermolekulare, kurzkettige Phthalate (DBP, DIBP, BBP, DEHP) sind als reproduktionstoxisch eingestuft worden, d.h. sie stehen u.a. in Verdacht, die Fortpflanzung zu beeinträchtigen. Sie können seit Februar 2015 nur noch von den Unternehmen in der EU verwendet werden, die die entsprechende Zulassung erhalten haben. Im Gegensatz dazu haben die höhermolekularen Phthalate DINP und DIDP andere Eigenschaften. Diese Stoffe sind nicht kennzeichnungspflichtig und können weiterhin für alle derzeitigen Anwendungen mit Ausnahmen von Kinderspielzeug und Babyartikeln eingesetzt werden. DINP und DIDP gehören zu den toxikologisch und ökologisch am intensivsten untersuchten Stoffen. Die Weichmacher DEHP, DBP und BBP dürfen in der EU seit 1999 in Kinderspielzeug und Babyartikeln nicht mehr eingesetzt werden

Quellen: PlasticsEurope, ECVM, VinylPlus und AGPU