Als ressourceneffizientes, langlebiges und recyclingfähiges Material kann der Werkstoff PVC von dem zunehmenden Umweltbewusstsein profitieren.

Mit PVC beschichtete Textilen kommen immer öfter in der Bautechnik zum Einsatz. Im Fußballstadion in Volgograd, Russland, wurden beispielsweise 80 000 m2 PVC-Membranen verbaut 

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Polyvinylchlorid (PVC)

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Infrastrukturausbau treibt den Bedarf

Die Covid-19-Pandemie hat auch die Kunststofferzeuger hart getroffen. Doch nicht alle Kunststoffe sind gleichermaßen betroffen. Während die häufig in der Automobilindustrie verwendeten technischen Kunststoffe unter dem Einbruch des Fahrzeugabsatzes leiden, profitieren etwa Polyolefine teilweise von der Krise. Und auch wenn die Pandemie gerade alle anderen Themen in den Hintergrund rückt, schreitet dennoch die Entwicklung etwa bei der Kreislaufwirtschaft, Elektromobilität und Digitalisierung weiterhin voran. Über die gegenwärtige Situation und die zukünftige Entwicklung sprach Kunststoffe mit Vertretern der Kunststofferzeuger.

Ein Austausch in Pandemiezeiten: Coronabedingt fand das Kunststoffe-Expertengespräch rein digital statt. Dr. Matthias Scheibitz (oben links), Jürgen Luderer (oben rechts), Dr. Ingo Sartorius (unten links), und Dr. Karlheinz Hausmann (unten rechts) diskutierten dabei über die aktuelle Situation und die zukünftigen Trends bei Kunststoffen

Expertengespräch zu Trends und Herausforderungen bei Werkstoffen

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„Wir teilen den Optimismus von  Wirtschaftsminister Altmaier nicht“

Die Härte und Sprödigkeit von PVC können durch die Zugabe von Weichmachern beeinflusst werden. Sie vergrößern den Abstand zwischen den PVCKettenmolekülen und reduzieren dadurch die Bindungskräfte. In diesem Artikel werden die gebräuchlichen PVC-Primärweichmachern und deren Einsatzgebiete dargestellt.

Standardthermoplaste

Weichmacher für PVC

Produktinnovationen, ein hoher Infrastrukturbedarf und die weitere Ausrichtung der PVC-Wertschöpfungskette in Richtung Nachhaltigkeit bilden die Basis für die erfolgreiche Entwicklung.

Mit einem Anteil von 26 % ist PVC das weltweit am häufigsten verwendete Polymer in Medizinprodukten [1].

Nach der Nachfragedelle 2020 hat der PVC-Bedarf wieder deutlich zugenommen. Falls einige Krisen überwunden werden, wird sich das fortsetzen.

Polyvinylchlorid (PVC): Spezialitäten bringen Verbesserungen in vielen Bereichen

Kunststoff-Rohre

Wieder auf Wachstumskurs

Der phthalatfreie Polyvinylchlorid (PVC)-Weichmacher Pevalen der Perstop Holding AB , Malmö/Schwenden, basiert ausschließlich auf aliphatischen Rohmaterialien und eignet sich für eine breite Palette von Anwendungen. Der Polyolester, der aus Rohmaterialien mit Lebensmittelzulassung gewonnen wird, ist bereits nach REACH registriert. Das Verfahren zur eigentlichen Zulassung des Weichmachers für Lebensmittelkontakt läuft und sollte laut Hersteller 2016 abgeschlossen sein.

Phthalatfrei für Polyvinylchlorid (PVC) 

Weichmacher Pevalen  

Die Eigenschaften von Polyvinylchlorid werden für viele Anwendungen mithilfe von Weichmachern eingestellt. Dabei können phthalatfreie Universalweichmacher in vielen technischen Bereichen mit herkömmlichen phthalathaltigen Versionen mithalten. Der Beitrag zeigt dies anhand einer vergleichenden Studie.  

Phthalatfreie Additive für Weich-PVC auf dem Prüfstand 

Benchmark für Weichmacher 

Im Jahr 2021 erreichte die weltweite Nachfrage nach Kunststoff-Additiven insgesamt rund 35 Millionen Tonnen. Das zeigt die aktuelle Marktstudie von Ceresana.

Bereits zum dritten Mal hat Ceresana den Markt für Kunststoff-Additive unter die Lupe genommen.

Im Jahr 2021 erreichte die weltweite Nachfrage nach Kunststoff-Additiven insgesamt rund 35 Millionen Tonnen. Das zeigt die aktuelle Marktstudie von Ceresana.

Die Nachfrage wächst weiter

Konsolidierung im Distributionsbereich - der schweizer Kunststoffdistributor Meraxis erweitert sein Geschäft durch eine Übernahme. Gestärkt werden soll dadurch vor allem der Handel mit technischen Kunststoffen.

Meraxis-CEO Dr. Stefan Girschik und der Präsident des Verwaltungsrats von Meraxis Jobst Wagner unterzeichneten den Übernahmevertrag mit Stephane und Bruno Fournier (v.l.n.r).

Übernahme im Distributionsbereich

Distributionslogistik

Meraxis kauft französischen Kunststoffhändler

Mit viel Know-how, mutigen Investitionen und eigenen Entwicklungsmethoden hat sich der Automobilzulieferer RF Plast ein zweites Standbein geschaffen. Grundlage dafür war ein Kundenprojekt, bei dem Edelstahl durch Kunststoff ersetzt wurde.

Geschäftsführer Dr. Simon Amesöder (links) und Prozesstechniker Klaus Wüst halten Scheibenfilterelemente aus Vollkunststoff mit weißer Dichtung und ohne eine solche vor der 3000-kN-Maschine, auf der das Bauteil gefertigt wird 

RF Plast überzeugte die Edelstahlbauer der Huber SE mit Siebfilterelementen aus Kunststoff

Spritzgießen

Lohnfertigung

Dienstleistungen

Forschung + Entwicklung

Prozesssimulation

Software

Simulation

Abwasserreinigung

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Spritzgießsimulation

Kunststoffverarbeitung

Wasseraufbereitung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Polypropylen-Compound

Kunststofffasern

Werkstoffliche Wachablösung

Aufgrund der zunehmenden Forderungen nach Nachhaltigkeit ist PP unter Druck. In diesem Bereich tun sich aber auch neue Geschäftsfelder auf.

Die ReOil-Pilotanlage der OMV AG in Schwechat/Österreich verwandelt schlecht rezyklierbaren Kunststoff-Abfall in Cracker-Rohstoff und damit in potenzielle Monomere

Polypropylen (PP)

Polypropylen-Platten

Polypropylen

Wachsen durch technische Spezialitäten

Während die Industrie sich bislang auf die Funktionsverbesserung von PE konzentriert hat, liegt der Entwicklungsfokus nun auf Nachhaltigkeit, Wiederverwertung und CO2-Einsparung.

Eine der wichtigsten Anwendungen für PE-HD sind schlagbeständige Rohrleitungen. Hier ersetzt langlebiges Polyethylen weniger zuverlässige Werkstoffe wie Gusseisen oder Beton  

Polyethylen (PE)

Polyethylen, ultrahoch-molekulares

Polyethylen-Platten

Polyethylen-Halbzeug

Statt Funktion Nachhaltigkeit im Fokus

Zukünftig wird das Geschäft mit Polyurethan (PUR) stark von der Digitalisierung und dem Aufbau geschlossener Stoffkreisläufe geprägt sein.

In China wird erstmals ein PUR-Harz kommerziell für die Herstellung glasfaserverstärkter Windrotorblätter genutzt

Polyurethan (PUR)

Schaumstoffe und Vorprodukte

Schaumstoffe

Polyurethan-Schaumstoffe (PUR)

Polyurethan

Absatz erreicht 20 Mio. Tonnen

Fast 700 Unternehmen quer durch die Kunststoff-Wertschöpfungskette sind europaweit bereits Teil von Operation Clean Sweep (OCS) und tragen dazu bei, das Aufkommen von Kunststoffgranulaten in der Umwelt zu verringern. Dies geht aus dem nun veröffentlichten OCS-Fortschrittsbericht von Plastics Europe hervor.

Der jetzt erschienene Fortschrittsbericht informiert über das bisher Erreichte des OCS-Programms

Kunststoffe, biobasiert

Biokunststoffe

Fluorkunststoffe

Füllstoffe für Kunststoffe

Kunststoffe, bioabbaubar

Verbände

Hochleistungskunststoffe

PlasticsEurope veröffentlicht Bericht von Operation Clean Sweep

Die erste Sitzung des Ausstellerbeirates bildete den Auftakt für die nächste K in Düsseldorf, die vom 19. bis 26. Oktober 2022 stattfinden wird.

Freuen sich bereits jetzt auf die K 2022 (v.l.): Erhard Wienkamp (Geschäftsführer Messe Düsseldorf), Petra Cullmann (Bereichsleiterin bei der Messe Düsseldorf), Ulrich Reifenhäuser (Vorsitzender Ausstellerbeirat K 2022) and Thomas Franken (Project Director für das Portfolio Plastics & Rubber)

Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

Verbände, Institutionen, Messen

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Betriebstechnik für Kunststoffverarbeitung (Peripherie)

Ausstellerbeirat traf sich erstmals in Düsseldorf

Abseits des Operationssaals bekam man Atemschutzmasken kaum zu Gesicht, höchstens als Kuriosum in Berichten aus asiatischen Ländern. Mit dem während der Coronakrise verhängten Maskengebot änderte sich das.

Kunststoffe

Photonik

Optik

Medizintechnik

Der Stoff, aus dem  die Masken sind

Berechnen der Hildebrand-Löslichkeitsparameter für PVC-Additive

Die Verträglichkeit von Weichmachern in PVC bestimmen

Damit sich Weichmacher gut mit PVC zusammen verarbeiten lassen, kommt es auf ihre Verträglichkeit an. Bisher mussten Verarbeiter dabei häufig auf Erfahrungswerte zurückgreifen. Eine exaktere Methode ist hingegen die Bestimmung des Hildebrand-Löslichkeitsparameters. Entsprechende Berechnungen für verschiedene Weichmacher helfen bei der Umsetzung.

Bei der Verträglichkeit von Weichmachern für PVC kamen bisher vor allem Erfahrungswerte zum Einsatz. Exakter ist die Bestimmung des Hildebrand-Löslichkeitsparameters.

Weichmacher sind eine wichtige Gruppe von Additiven in verschiedenen Kunststoffen. Hauptsächlich werden sie in Polyvinylchlorid (PVC) eingesetzt. Phthalate waren und sind zum Teil noch immer wichtige Weichmacher für PVC [1]. Sie sind Ester der Phthalsäure mit Alkoholen. Die Anzahl der Kohlenstoffatome des Alkohols entscheidet nicht nur über ihre Verträglichkeit mit PVC und ihre Flüchtigkeit [1] (Bild 1), sondern auch, ob diese Ester sich eher als Lösungsmittel, Weichmacher oder Gleitmittel verhalten. Die Verträglichkeit des Weichmachers hängt, stark vereinfacht, von dessen Polarität bzw. von dessen Dipolmoment im Vergleich zu dem von PVC ab.

PVC ist ein eher polares Polymer. Die meisten Weichmacher sind ebenfalls polar. Jedoch nimmt deren Polarität mit der Anzahl der Kohlenstoffatome des Alkohols ab und diese kann lediglich qualitativ abgeschätzt werden. Der Hildebrand-Löslichkeitsparameter δ [2] liefert eine numerische Schätzung des Wechselwirkungsgrads zwischen Materialien. Er ist ein guter Hinweis auf die Verträglichkeit verschiedener Materialien, insbesondere für Polymere. Materialien mit ähnlichen Werten von δ sind wahrscheinlich mischbar. PVC hat einen δ von 19,7 MPa1/2 [3]. Dieser Wert variiert leicht, je nachdem welche Literatur man verwendet. Es finden sich auch Angaben mit 19,5 MPa1/2 [4], 19,6 MPa1/2 [5] und 19,8 MPa1/2 [6]. Für ein paar ausgewählte Weichmacher, aber leider nicht alle kommerziell verfügbaren, finden sich Angaben bezüglich des δ. Auch diese variieren in einem gewissen Rahmen. George Wypych hat in seinem „Handbook of Plasticizers“ [7] für viele Weichmachergruppen jeweils einen Bereich für δ beschrieben, aber leider keine konkreten Werte für einzelne Weichmacher.

Es wäre deshalb wünschenswert, δ für möglichst alle Weichmacher mit bekannter Struktur zu berechnen. Eric Grulke hat im „Polymer Handbook” [8] die theoretischen Voraussetzungen beschrieben. Er benannte darin unter anderem für verschiedene Molekülgruppen deren Beitrag zur kohäsiven Energiedichte (F) (nach van Krevelen) (Tabelle 1). Auf Basis dieser Werte und der Strukturformel wurde die Summe (ΣF) der kohäsiven Energiedichte F berechnet. Gemäß Gleichung 1 lassen sich daraus in Kombination mit dem Molekulargewicht M und der Dichte ρ die Hildebrand-Löslichkeitsparameter δ berechnen (Tabelle 2).

Leider konnte δ nicht für Sulfonsäureester und Phosphatweichmacher berechnet werden, weil der Beitrag zur kohäsiven Energiedichte nach van Krevelen für die schwefel- und die phosporhaltigen Molekülgruppen nicht verfügbar sind. In Tabelle 2 ist zumindest ein Bereich für δ angegeben [7]. δ lässt sich allerdings auch auf Basis der latenten Verdampfungsenthalpie ΔH berechnen [6]. Dafür kommt folgende Gleichung zum Einsatz:

Das ist jedoch nur bedingt hilfreich, da ΔH für die Weichmacher eher unbekannt sind. Allerdings kann ΔH aus dem Siedepunkt Bp (in K) gemäß der folgenden Gleichung recht genau abgeschätzt werden [6]:

In Bild 2 ist die Abhängigkeit von δ von der Anzahl der Kohlenstoffatome für die Phthalatweichmacher aufgetragen. Es wird deutlich, dass ein prinzipieller Zusammenhang besteht: Je länger der Alkohol ist, umso geringer wird δ. Ähnliche Tendenzen lassen sich auch bei anderen Weichmachern feststellen.

Der δ von PVC beträgt wie gesagt 19,7 MPa1/2. Alle Substanzen, die auf einen ähnlichen Wert kommen, also ungefähr 19,2 bis 20,2 MPa1/2, fungieren als Lösungsmittel. Das sind Dimethyl- und Benzylbutylphthalat sowie Dipropylenglycoldibenzoat und Tributylcitrat. Jahrzehntelange praktische Erfahrungen sprechen dafür, dass Phthalate mit 4 - 13 C-Atomen im Alkohol gut verträgliche Weichmacher sind. Daraus ergibt sich ein δ-Bereich von 17,89 bis 19,15 MPa1/2. In diesem Bereich liegen auch die δ-Werte der Trimellitate. Die der Adipate, Sebazate und Azelate liegen etwas darunter (17,19 bis 17,62). Die Verträglichkeit von diesen ist demnach etwas geringer. Das bestätigen unabhängige Quellen in der Literatur für die Adipate und Trimellitate und deren qualitativen Angaben zur Vertäglichkeit [1].

Die Benzoate liegen zum Teil ober- und zum Teil unterhalb des Phthalat-Bereichs. Ähnliches gilt auch für die Citrate, was ebenfalls durch die Literatur bestätigt wird [1]. Daneben existieren noch Weichmacher, die nicht in diesen Gruppen fallen. DOTP hat ein δ von 18,00 MPa1/2 und ist laut Literatur nicht so gut verträglich, wie das korrespondierende DEHP [1]. Das spiegelt sich auch in den δ-Werten in Tabelle 2 wider. Analoges trifft auch auf DiNCH und Grinsted Soft-n-safe zu [1]. Der δ von Pevalen ist denen von DiNCH und Grinsted Soft-n-safe sehr nahe. Deshalb kann von einer ähnlichen Kompatibilität ausgegangen werden.

Wie verträglich sind sekundäre Weichmacher?

Bisher waren die primären Weichmacher im Zentrum der Berechnungen. Eine weitere Gruppe sind die sekundären Weichmacher, die laut Erfahrungen nur eine bedingte Verträglichkeit mit PVC und primären Weichmachern besitzen. Dazu zählen epoxidierte Öle wie ESBO. Die Berechnungen zeigen, dass ESBO mit einem δ von 16,90 MPa1/2 tatsächlich nur eine bedingte Kompatibilität mit PVC aufweist. Gemäß den Berechnungen trifft das aber nicht auf epoxidiertes Leinöl und 2-Ethylhexyltallat zu. Demnach sollten sie sich eigentlich als primäre Weichmacher verhalten, was die Praxis auch bestätigt [10].

Chlorierte Paraffine sind eine weitere Gruppe von sekundären Weichmachern. Leider finden sich in der Literatur nur wenige Angaben bezüglich der Chlorgehalte und Dichten, die stimmig sind. Berechnet wurde deshalb nur ein Vertreter mit 70 % Chlor, der auf ein δ von 22,28 MPa1/2 kommt. Dieser Wert liegt weit oberhalb dessen von PVC. Ausgehend davon, dass die Differenz zwischen PVC und Polyethylen (PE) 3,70 MPa1/2 beträgt und PE nicht mit PVC mischbar ist, sind alle Substanzen mit einem δ von 23,30 MPa1/2 oder höher ebenfalls nicht mit PVC mischbar. Das erklärt, weshalb es sich bei diesem Weichmacher um einen sekundären handelt.

Für verschiedene PVC-Weichmacher wurden die Hildebrand-Löslichkeitsparameter berechnet. Die Ergebnisse stimmen gut mit den praktischen Erfahrungen und den Literaturberichten überein. Damit ist eine theoretische Hilfe auf wissenschaftlicher Basis geschaffen worden, die das Verständnis von Weichmachern bezüglich deren Verträglichkeit mit PVC erleichtert.

[1] M. Schiller; „PVC Additives“, C. Hanser Verlag, 2. Auflage (2023) 187–244

[2] D. W. Van Krevelen, K. Te Nijenhuis; „Properties of Polymers – Their Correlation with Chemical Structur – their Numerical Estimation and Prediction from Additive Group Contributions“, Elesevier B.V. (2009) 191–222 (<a href="https://books.google.at/books?hl=de&lr=&id=bzRKwjZeQ2kC&oi=fnd&pg=PP1&dq=GROUP" target="_blank">https://books.google.at/books?hl=de&lr=&id=bzRKwjZeQ2kC&oi=fnd&pg=PP1&dq=GROUP</a>+CONTRIBUTIONS+TO+COHESIVE+ENERGY+DENSITY+van+krevelen&ots=w_T6X3bzOe&sig=BP1m7c3Tx_7W_G4DdeZhVspoQ0c#v=onepage&q=GROUP%20CONTRIBUTIONS%20TO%20COHESIVE%20ENERGY%20DENSITY%20van%20krevelen&f=false; abgerufen am 09.052023)

[3] PVC eSolution, C. Hanser Verlag (2023); abgerufen am 09.05.2023

[4] H. J. Vandenburg, A. A. Clifford, K. D. Bartle, R. E. Carlson, J. Carroll, I. D. Newton; Analyst Ausgabe 11 (1999) 1707–1710

[5] <a href="https://polymerdatabase.com/polymer%20physics/delta%20Table.html" target="_blank">https://polymerdatabase.com/polymer%20physics/delta%20Table.html</a>; aufgerufen am 28.06.2023

[6] R. A. Lindner, K. Worschech; „Encyclopedia of PVC“, Marcel Dekker, 2. Auflage, Vol. 2, Kapitel 4 (1988) 263–390.

[7] G. Wypych; Handbook of Plasticizers“, ChemTec Publishing, William Andrew Publishing, Toronto-New York (2004)

[8] J. Brandrup, E. H. Immergut, E. A. Grulke; „Polymer Handbook“, J. Wiley & Sons, Inc., 4. Auflage (1999) VII/675–715

[9] M. Schiller, nicht veröffentlichte Ergebnisse berechnet aus Cyclohexan im Vergleich zu Benzen und Phenylen

[10] Peter Frenkel, Galata Chemicals, persönliche Mitteilung

HMS Concept e.U.  

https://www.hms-concept.net

Ausgabenartikel KU09-23

Bild 1. Kompatibilität und Flüchtigkeit von Weichmachern in Abhängigkeit der Kettenlänge des Alkohols: Mit zunehmender Kettenlänge sinkt die Flüchtigkeit. Die Kompatibilität steigt hingegen zunächst, fällt danach aber wieder ab. 

Weichmacher sind eine der wichtigsten Additivgruppen für PVC. 

Bild 2. Abhängigkeit von δ von der Anzahl der Kohlenstoffatome des Alkohols: Mit zunehmender Anzahl sinkt der Löslichkeitsparameter. 

Tabelle 1. Molmasse von verschiedenen Molekülgruppen sowie deren Beitrag zur kohäsiven Energiedichte F.

Tabelle 2. Berechnete Hildebrand-Löslichkeitsparameter δ verschiedener Weichmacher sowie deren Molekulargewicht und Dichte

KU 9-23_HMS - Hauptartikel

Dr. Michael Schiller ist Gründer und Inhaber des Beratungsunternehmens HMS Concept; <a href="mailto:michael.schiller@hms-concept.net">michael.schiller@hms-concept.net</a>