Polyvinylacetat

Polyvinylacetat (PVAc manchmal auch nur PVA) ist ein künstlicher, thermoplastischer Kunststoff. Die Synthese des Polymers aus der Gruppe der Polyvinylester erfolgt mittels radikalischer Polymerisation. Neben dem reinen Homopolymeren haben auch viele Co- und Terpolymere des Vinylacetats große technische Bedeutung.

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Geschichte

Die Grundlagen für die Herstellung von Polyvinylacetat wird im Jahr 1912 von Dr. Fritz Klatte in Deutschland entdeckt. Er erkennt die Polymerisationsfähigkeit der Vinylverbindungen im Sonnenlicht . In den Jahren 1912 und 1913 erfolgt dann auch die erste gezielte Herstellung von Polyvinylacetat und Polyvinylchloracetat durch Klatte. Seit den 1930ern wird von einigen Firmen eine ganze Reihe verschiedener Produkte in Form von Granulaten, Pulvern, Lösungen und Emulsionen für die verschiedensten Anwendungen hergestellt.

Herstellung und Gewinnung

Die Herstellung von Polyvinylacetat erfolgt aus Vinylacetat durch radikalische Polymerisation. Häufig wird jedoch mit Acrylsäure, Acrylaten , Crotonsäure, Vinyllaurat, Vinylchlorid oder Ethylen copolymerisiert. Dabei ist auf eine hohe Reinheit der Monomere zu achten, da diese den Polymerisationsverlauf stark verlangsamen (z.B.: Crotonaldehyd, Vinylacetylen) oder zu unerwünschten Kettenübertragungen (z.B.: Essigsäure, Acetaldehyd, Aceton; Benzol, Toluol) führen. Ebenfalls unerwünscht sind Verunreinigungen mit zwei copolymerisierbaren Doppelbindungen (z.B.: Crotonsäurevinylester), da diese durch räumliche Vernetzung zur Bildung von unlöslichen Polymeren beitragen. Die Polymerisation wird meist mit radikalischen Initiatoren (Azoverbindungen, organische, anorganische und Hydroperoxide) gestartet. Photopolymerisation oder strahlenindizierte Polymerisation haben noch keine technische Bedeutung erlangt.

Als Polymerisationsverfahren zur Herstellung von Polyvinylacetat-Homopolymeren sind sowohl Substanz-, Lösungs-, Supsensions- bzw. Perl- und Emulsionspolymerisation möglich.

Polyvinylacetat ist eine notwendiges Vorprodukt für die Herstellung von Polyvinylalkohol und Polyvinylacetalen.

Struktur und Eigenschaften

Chemischer Aufbau

Im Homopolymer überwiegt die Kopf-Schwanz-Anordnung der Monomerbausteine. Durch Verringerung der Polymerisationstemperatur lässt sich der Anteil der Monomere in Kopf-Kopf-Anordnung weiter reduzieren.

Physikalische Eigenschaften

Polyvinylacetat ist ein amorpher, geruch- und geschmackloser Kunststoff mit hoher Licht- und Wetterbeständigkeit. Es ist brennbar, jedoch nicht leicht entflammbar. Die Glasübergangstemperatur des Homopolymeren schwankt in Abhängigkeit vom Polymerisationsgrad zwischen 18 und 45°C. Die elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften sind ebenso in großem Maße vom Polymerisationsgrad abhängig.

Die Mindestfilmbildetemperatur von Homopolymerdispersionen beträgt etwa 15-18°C.

Chemische Eigenschaften

Die Estergruppen im Polyvinylacetat sind relativ leicht alkalisch verseifbar, wodurch das Polymer langsam in Polyvinylalkohol umgewandelt und dadurch hydrophil und wasserempfindlich wird. Diese Problematik ist der Grund für die häufige Copolymerisation mit anderen Monomeren.

Polyvinylacetat ist unlöslich in Wasser, Butanol, Diethylether, Petrolether, und aliphatischen Kohlenwasserstoffen, jedoch löslich in niederen Alkoholen, zahlreichen Ketonen, Estern, zyklischen Ethern, aromatischen und chlorierten Kohlenwasserstoffen.

Bei thermischer Zersetzung von Polyvinylacetat wird Essigsäure frei.

Verwendung, Verarbeitung

Polyvinylacetat wird in Form von Lösungen in organischen Lösemitteln oder als Dispersion verarbeitet.

Es wird als Bindemittel in Anstrichen und Lacken verwendet. Weitere Verwendung findet der Kunststoff als Holzleim oder Klebstoff. So ist UHU® eine 40%ige Lösung von Polyvinylacetat in Aceton/Methylacetat. Andere Anwendungsgebiete sind die Papierherstellung und -beschichtung, Textilimprägnierung, Teppichrückseitenbeschichtung oder Modifizierung von Putz und Beton. Daneben ist es oft Bestandteil von Kaugummimassen und wird zur Beschichtung von Käse oder Wurst eingesetzt.

Umweltaspekte & Toxikologie

• Toxikologie: Untersuchungen auf Haut- und Schleimhautverträglichkeit im Tierversuch (LD50, Fütterung an Ratten, dermale Applikation) zeigten keine negativen Auswirkungen.

• Abwasser: Polyvinylacetat können in Form von Dispersionen leicht ins Abwasser gelangen. Zwar sind sie nach heutigem Wissen nicht toxisch, jedoch werden sie im wässrigen Milieu nur sehr schlecht abgebaut. Die Aufbereitung dispersionshaltiger Abwässer in Kläranlagen ist in der Regel kein Problem, sie sind leicht auszufällen und lagern sich dann im Klärschlamm ab, mit dem sie dann entsorgt werden können.

Nachweis

• Das Abspalten von Essigsäure bei der thermischen Zersetzung kann als Hinweis auf das Vorhandensein von Vinylacetat-haltigen Polymeren und Copolymeren genutzt werden. Jedoch spalten auch Celluloseacetate Essigsäure bei der thermischen Zersetzung ab.
• Sicherer ist der folgende Nachweis: Einige Milligramm der Substanz werden pyrolysiert. Die entstehenden Dämpfe werden mit etwas angefeuchteter Watte aufgefangen. Diese wird mit etwas Wasser ausgewaschen und die die Lösung anschließend mit 3 bis 4 Tropfen einer 5%igen, wässrigen Lanthannitratlösung, 1 Tropfen 0,1 N Iodlösung und 1 bis 2 Tropfen konzentriertem Ammoniak versetzt. Bei Anwesenheit von Polyvinylacetat verfärbt sich die Lösung tiefblau bis fast schwarz.
• Benetzt man Polyvinylacetat mit 0,01 N Iod-Iodkaliumlösung entsteht eine purpurbraune Färbung, die sich durch Waschen mit Wasser noch verstärkt.
• Als weiteren Hinweis auf die Anwesenheit von Polyvinylacetat wird auch die Reaktion nach Liebermann-Storch-Morawski genutzt.

Quellen

• Ernst Bartholomé, Ernst Biekert (Hrsg.): Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage. Verlag Chemie, Weinheim 1980, Band 19, ISBN 3-527-20019-3
• Dietrich Braun: Erkennen von Kunststoffen - Qualitative Kunststoffanalyse mit einfachen Mitteln, Carl Hanser Verlag, ISBN 3-446-22425-4
• Wacker Chemie AG: Vinnapas® Solid Resins - Product Overview (pdf-Datei)
• Technische Universität Chemnitz: Praktikum Polymerchemie (pdf-Datei)
• Chemgapedia Enzyklopädie zur Chemie
• U.S. National Library of Medicine medizinische Stoffdatenbank (englisch)

Siehe auch

• Liste der Kunststoffe
• Polyvinylalkohol
• Polyethylen-Vinylacetat