Als Vinyl bezeichnet man im Allgemeinen ein weiches Polyvinylchlorid (PVC).
Polyvinylchlorid 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.
Der Zusatz von Weichmachern verleiht dem von Natur aus harten Werkstoff Eigenschaften, die denen von Gummi sehr ähnlich sind. 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. Als Stabilisatoren werden meist Kadmium, aber auch Gold und Platin eingesetzt. Diese sollen die Weichmacher stabil im Material binden.
Zur Herstellung einer Matratzenhaut bei Wasserbetten werden im Allgemeinen besonders hochwertige, weiche und extrem langlebige Mischungen verwendet. Der Hersteller TTI ist sogar im Besitz einer eigenen Vinylrezeptur, welche unter dem Namen 4D ein eingetragenes Markenzeichen ist und patentrechtlich geschützt ist.
Ein weiterer patentrechtlich geschützer Begriff ist Mesamoll aus dem Hause Bayer. Hierbei ist aber zu beachten, dass nicht das Vinyl, sondern der Weichmacher als Begriff geschützt ist. Weshalb auch der Begriff Mesamoll-Vinyl irreführend ist.
Zur Zeit verarbeiten gerade mal zwei europäische Wasserbettenmarken ein Hochqualitätsvinyl mit Mesamoll und bewerben dieses auch. Es tauchen aber auch immer mehr Kopien aus Fernost im Handel auf, welche zwar Mesamoll beinhalten, jedoch in so geringen Mengen und Abmischungen, das keinesfalls die von Bayer beworbenen Eigenschaften erreicht werden können.
Dieser Abschnitt unterteilt sich in eine kurze Zusammenfassung und eine ausführlichere sehr Chemie-bezogene Abhandlung. Der technische Teil 2 ist sehr speziell und nur mit Chemie-Vorkenntnissen aus der Vinyl-Technik empfehlenswert.
1.1. Zusammenfassung: Vinyl-Technik 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. PVC findet Verwendung zB in Fußbodenbelägen, Fensterprofilen Rohren, Kinderspielzeug, Kunstleder, Kühlschrank-Dichtungen, Folien, Schallplatten, Folien, im Fahrzeug- und Möbelbau, Bekleidung, Schuhen, Getränkeflaschen, Pasten für Deckanstriche, und vielen weiteren Anwendungen des Alltages.
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, Ether, Benzol, Chloroform, und konzentrierter Salzsäure. Verbindungen können mit Spezialkleber oder durch Verschweißen mit Hochfrequenz oder Heißluft hergestellt werden.
PVC ist eine chemisch sehr stabile Verbindung, die nicht verrottet und auch durch Sonnenlicht nur oberflächlich und in den mechanischen Eigenschaften so gut wie gar nicht beeinträchtigt wird. Produkte und Verpackungen aus PVC sind (meer-)wasser- und luftbeständig und damit während der Mülldeponierung weitestgehend grundwasser- und umweltneutral.
Weich-PVC ist in manchen Einsatzbereichen durch die enthaltenen Weichmacher teilweise physiologisch bedenklich. In Laboruntersuchungen wurden in minderwertigen Produkten mehr als 150 flüchtige organische Substanzen (VOC) gefunden. Die Einhaltung hoher Qualitätsstandards ist im Zusammenhang mit der Verwendung von Weich-PVC entscheidend. Im Zusammenhang mit Wassermatratzen bietet vor allem der TÜV Rheinland ein hochwertiges Überwachungsprogramm an, dem sich führende Hersteller bereits unterworfen haben.
2.1. Technischer Teil: Chemie der Kunststoffe Polyvinylchloride, Kurzzeichen PVC, für die bei der Homopolymerisation von Vinylchlorid (VC) anfallenden Polymeren: Der Kunstoff PVC wird technisch durch Verfahren der Suspensionspolymerisation (S-PVC), der Mikro-Suspensionspolymerisation (s. Suspensionspolymerisation), der Emulsionspolymerisation (E-PVC) u. der Substanz- bzw. Massepolymerisation (M-PVC) hergestellt. Die weitaus größte Bedeutung in der Kunstoff-Technik haben Suspensionspolymerisations-Verfahren.
Die anfallenden Polymere haben die allg. Grundstruktur die aus der Kopf/Schwanz-Polymerisation des Monomeren resultiert. Als Gründe für die bei Temp. oberhalb 100° verlaufende Dehydrochlorierung werden strukturelle Fehlstellen (mitten- u. endständige Doppelbindungen) diskutiert (Lit. ). Die Makromoleküle der P. sind nicht streng linear; sie haben in Abhängigkeit vom Monomer-Umsatz u. der Polymerisations-Temp. ca. 3–20 kurze Seitenketten pro 1000 C-Atome (Lit. ).
Technische PVC-Kunststoffe haben Molmassen von ca. 30000–130000 g/mol, die K-Werten von 45–80 entsprechen (Lit. ). Bei allen Polymerisations-Verfahren fallen zunächst sehr kleine PVC-Primärteilchen an, die sich bei höherem Monomer-Umsatz zu wesentlich größeren Sekundärteilchen zusammenlagern. Die gewünschte Morphologie der PVC-Teilchen, z.B. glatt, kompakt, unregelmäßig geformt od. porös, wird über die verwendeten Polymerisations-Hilfsmittel (Schutzkolloide, Emulgatoren) u. Rühr-Bedingungen eingestellt. Die VC-Polymerisation wird radikal. initiiert u. in der Regel bei Monomer-Umsätzen von 75-90% abgebrochen. Das hochtoxisch kanzerogene nicht umgesetzte Vinylchlorid wird destillativ weitestgehend aus den Polymerisationsansätzen entfernt u. durch Intensiventgasung auf zulässige niedrigste Restgehalte, z.B. <1 ppm bei P. für Lebensmittel-Verpackungen, abgesenkt (Lit. ).
Der Kunststoff PVC wird durch Extrudieren, Kalandrieren, Blasformen, Spritzgießen, Pressen od. Sintern verarbeitet u. zwar mit Gehalten an Weichmachern von 0–12% (Hart-PVC), >12% (Weich-PVC) bzw. sehr hohem Weichmacher-Gehalt (Plastisole, PVC-Paste). Die Weichmacher-Aufnahmefähigkeit der PVC nimmt mit steigender Molmasse u. Porosität der PVC-Teilchen zu. Die thermische Labilität der PVC erfordert den Zusatz von Hilfsmitteln (Stabilisatoren, Gleitmittel u.a.) bei der Verarbeitung.
Hart-PVC ist gegen Wasser, Säuren, Laugen, Alkohole, Benzine u. Öle beständig. Viele Lösungsmittel. (Benzol, Treibstoff-Gemische) wirken jedoch quellend. Zusätze von Weichmachern (Dioctylphthalate u.a. Phthalate , Adipate u. Phosphate) verringern die Chemikalien-Beständigkeit; dieser Effekt tritt weniger stark bei Verwendung von Polymer-Weichmachern auf.
Allgemein werden zunehmend Weichmacher mit geringer Flüchtigkeit eingesetzt (Lit. ), um dessen evtl. Migration vorzubeugen. PVC brennt in der Flamme, erlischt jedoch nach Entfernen der Zündquelle; Weich-PVC kann allerdings weiterbrennen. Die Flamme ist bei Anwesenheit von Kupfer (Beilstein-Test) grün-gesäumt. PVC ist thermisch nicht besonders stabil, wie sich z.B. mit Hilfe der Differentialthermoanalyse zeigen läßt. Auch Alterungs- u. Witterungseinflüsse (Best. s. Lit. ) können sich ungünstig bemerkbar machen, weshalb man Stabilisatoren zusetzt, die den bei thermischer Zerstörung freiwerdenden Chlorwasserstoff binden u. gleichzeitig als Antioxidantien wirken; als Stabilisatoren eignen sich anorganische Schwermetall-Salze, Metall-Seifen insbes. von Ba, Cd, Pb, Zn, Ca, ferner Dibutyl- u. Dioctylzinn-Verbindungen und epoxidiertes Sojaöl. Da bestimmte Einstellungen von PVC (z.B. glasklares PVC) auch gegen UV-Licht empfindlich sind, werden solchen Prod. UV-Absorber zugesetzt, z.B. Hydroxybenzophenone od. -benzotriazole. Andererseits kann man durch Zugabe polymerisierbarer Monomeren auch eine Strahlenvernetzung statt eines Abbaus erreichen (Lit. ). Als Pigmente für PVC-Produktion sind unter anderem verwendbar: Cadmiumsulfid, Eisenoxid, Chromoxidgrün, Titandioxid, Ruße, Phthalocyanin- und andere organische Pigmente, die meist als Farbpasten oder sogenannte Masterbatches zur Anwendung kommen. Außer Weichmacher, Stabilisatoren, Farbstoffen und Pigmenten können PVC-Mischungen noch eine Reihe von Zusatzstoffen enthalten, wie Treibmittel, Haftvermittler, Füllstoffe, Gleitmittel, Antistatika, Fungizide. Zum Nachw. einzelner Additive eignet sich die Dünnschichtchromatographie. Um die Schlagzähigkeit von Hart-PVC in der Kälte zu steigern, wird es mit Kautschuk, Acrylatkautschuk, MBS, ABS, EVA od. chloriertem Polyethylen modifiziert. Dabei muß beachtet werden, daß manche Kautschuke nicht UV-beständig sind. Zur besseren Verarbeitbarkeit u. Wärmeform-Beständigkeit können außerdem Polymere wie Poly(a-methylstyrol), MMA- u. Acrylat-haltige Copolymere, verschiedene Pfropfcopolymere etc. eingearbeitet werden.
Als Material für Fasern (Kurzzeichen CLF, nach Entwurf DIN 60001, T 4, Mai 1990) – aus PVC waren die ersten vollsynthetischen Fasern – hat PVC nur einen beschränkten Anwendungsbereich, nämlich für schwer entflammbare Gewebe, Vorhänge, Überzüge, Säureschutzkleider, Filtergewebe, Fischernetze und dergleichen. Die ersten PVC-Fasern wurden 1930 von Hubbert u. Rein entwickelt. Nachchloriertes PVC (siehe chloriertes Polyvinylchlorid, Kurzz. PVC-C) kann einen Chlor-Gehalt von bis zu 73% haben. Dadurch wird die Löslichkeit erheblich gesteigert, so daß dieses Material für die Herstellung von chemikalienbeständigen Lacken, von Gießfolien u. von Fasern (Kurzzeichen PVC+ nach DIN 60001, T 1, Aug. 1970; Beisp.: PeCe®-Faser) verwendet werden kann. Auch die thermische Stabilität u. die mechanische Festigkeit sind beträchtlich besser als bei dem ursprünglichen Polymeren. Außer den genannten, nach DIN (Lit.) genormten PVC-Typen ist eine große Zahl von Copolymerisaten des Vinylchlorids (VC) auf dem Markt, z.B. Copolymere aus VC u. 2–15% Vinylacetat für Folien u. Tafeln (VC/VAC), VC u. 14% Vinylacetat u. 1% Maleinsäure für Lacke, VC u. 35–45% Acrylnitril für Fasern (vgl. Modacrylfasern u. Vinyon) u. VC u. 12–20% Vinylidenchlorid u. 1% Acrylnitril für Fasern. Die zitierte DIN 7728 führt noch die folgenden Kurzzeichen für Copolymere auf: VC/E (VC-Ethylen), VC/E/MA (VC-Ethylen-Methylacrylat), VC/E/VAC (VC-Ethylen-Vinylacetat), VC/MA (VC-Methylacrylat), VC/MMA (VC-Methylmethacrylat), VC/OA (VC-Octylacrylat), VC/VAC (VC-Vinylacetat) u. VC/VDC (VC-Vinylidenchlorid), denen ggf. der Buchstabe P (für Poly…) vorangestellt werden kann, um Mißdeutungen zu vermeiden. DIN 60001, T 1 (Aug. 1970) kennt für Faserarten aus VC-Copolymerisaten das Kurzzeichen PVM (Multipolymerisat).
Verwendung: In Rohrleitungen, Apparaten, Kabeln, Draht-Ummantelungen, Fensterprofilen, im Innenausbau, im Fahrzeug- u. Möbelbau, in Bodenbelägen, zur Herst. von Kühlschrank-Dichtungen, Folien, Schallplatten (zus. mit 5–15% PVAC), Kunstleder, Koffern, Vorhängen, Verpackungsbehältern, Klebebandfolien, Bekleidung, Schuhen, geblasenen Hohlkörpern, Getränkeflaschen, Pasten für Deckanstriche; zur Tapetenbeschichtung, als Plastisole zur Beschichtung, als Plv. zum Kunststoffspritzen, zum Unterbodenschutz, als Fasern für Gewebe u. Filter etc.
Geschichte: Die Polymerisation von Vinylchlorid gelang erstmals im Jahre 1912 in Deutschland durch Klatte u. in England durch Ostromuislensky. Die großtechnische Auswertung dieser Entwicklungsarbeiten erfolgte jedoch erst Anfang der 30er Jahre. Ein bekanntes Warenzeichen der I. G. Farben war Igelit. Für PVC war damals die Abkürzung PCU in Gebrauch (von Polyvinylchlorid unchloriert) im Gegensatz zu PeCe (Polyvinylchlorid chloriert).
Marktdaten: Der PVC-Verbrauch der wichtigsten Ind.-Länder (Westeuropa, USA, Japan) hat 1990 ein Volumen von ca. 11,4 Mio. t erreicht (Lit. ). In der Literatur ist auch eine sehr detaillierte Übersicht über die einzelnen PVC-Einsatzgebiete enthalten.
Trotz des aus ökologischen Gründen umstrittenen Images von PVC steigen die Verbrauchermengen ständig an.
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