Kunststoffe

Begriffsbestimmung "Kunststoff"

Der Begriff Kunststoff ist nicht eindeutig bestimmt. Während der Begriff „Kunststoffe“ in der jüngeren Zeit oft mit den polymeren Werkstoffen verbunden wird, kann er auch der Beschreibung bestimmter synthetischer und halbsynthetischer Materialien dienen [PlasticsEurope]. Im Englischen wird er mit dem Wort „plastics“ übersetzt [PONS]. Auch im Deutschen werden die Begriffe „Kunststoff“ und „Plastik“ häufig synonym verwendet. Beide Begriffe sind jedoch unvollständig. Während das Wort „Kunststoffe“ eine klare Differenzierung zu natürlich vorkommenden Stoffen schafft, wird keine klare Unterscheidung zu den ebenfalls künstlichen Werkstoffen Glas, Metall und Papier hergestellt. Der Begriff „Plastik“ trennt diese Werkstoffe zwar aufgrund ihrer plastischen Eigenschaften vom Plastik, doch werden beispielsweise keine Kunststoffharze eingeschlossen. Die fortan betrachteten Kunststoffe lassen sich jedoch durch jeweils einen der beiden Begriffe treffend beschreiben. Die Bezeichnungen werden dabei synonym zueinander verwendet und können entsprechend ersetzt werden. Kunststoffe setzen sich zusammen aus einem Polymer und Zusatzstoffen. Letztere verleihen dem Kunststoff seine anwendungsbezogenen Eigenschaften. Die Polymere können entweder aus der Natur gewonnen werden oder durch Polymersynthese synthetisch hergestellt werden. [Menges et al. 2014, S. 8]

Kunststoffherkunft und -herstellung

In ihrer Grundform sind Kunststoffe Polymere, das heißt sie bestehen aus Verkettungen mehrerer Monomere. Monomere sind Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff mit mindestens zwei Kohlenstoffatomen. Sie zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus mit anderen Molekülen gleicher Art kovalente Bindungen einzugehen und bestimmen die Eigenschaften der gebildeten Polymere. [Abts 2016, S. 72–73] Für die industrielle Herstellung der Polymere und dann der polymeren Werkstoffe sind jedoch zunächst Monomereinheiten notwendig. Dafür werden die natürlich vorkommenden organischen Stoffe Erdöl, Kohle, und Erdgas als Basis verwendet. Mithilfe von fraktioneller Destillation werden diese Ausgangsstoffe aufgetrennt. Dazu wird beispielsweise das Erdöl auf etwa 400 °C erhitzt. Im Fraktionierturm steigt der entstehende Dampf mehrere Etagen auf. Die Glockenform der Etagendurchlässe garantiert dabei ein langsames Aufsteigen des Dampfes. Durch Absenken der Temperatur des Dampfes kommt es zur Kondensation von Kohlenwasserstoffen mit unterschiedlichen Erdölanteilen auf jeder Etage. Die Fraktionen unterscheiden sich je nach Etage in ihren Siedepunkten, also in ihren Molekülgrößen. Produkte dieser fraktionellen Destillation sind beispielsweise Gasöl mit einer Kettenlänge mit bis zu 19 Kohlenstoffatomen und 20 % Erdölanteil oder Gase mit bis zu 4 Kohlenstoffatomen oder 3 % Erdölanteil. Entscheidend für die Gewinnung von Monomeren sind nun vor allem die Benzinfraktionen (Naphtha). Diese werden für den Crackprozess verwendet. Beim Cracken werden die Kohlenwasserstoffe durch hohe Temperaturen und den Einsatz von Katalysatoren gespalten. [Schwarz et al. 2016, S. 22–23]

Abbildung 1 zeigt die Destillation von Erdöl. Je höher eine Etage angeordnet ist, desto geringer ist der Erdölanteil und desto kleiner sind die Kohlenwasserstoffketten. Die Abbildung veranschaulicht auch, wie der Glockendurchlass das Aufsteigen des Dampfes drosselt.

Abbildung 1: Fraktionelle Destillation von Erdöl [Schwarz et al. 2016, S. 22]

In der Industrie der Kunststoffherstellung wird nun eine gezielte Wahl der Polymere und eine Steuerung der Polymerisation zur Herstellung von polymeren Werkstoffen mit bestimmten Eigenschaften genutzt [Abts 2016, S. 73]. Bei der Polymerisation handelt es sich um eine Form der Polymersynthese. In der Polymersynthese werden so auf künstliche Weise aus den Monomeren Polymere hergestellt. Dabei ist zwischen drei Arten der Polymersynthese zu unterscheiden:

1. Die Polymerisation (radikalisch, ionisch oder katalytisch),
2. die Polykondensation und
3. die Polyaddition. [Abts 2016, 77 ff.]

Die Polymerisation erfolgt in drei Stufen. Zunächst wird eine Startreaktion durch ein Initiatormolekül (Ion, Radikal oder Katalysator) eingeleitet. Danach erfolgt das Kettenwachstum. Schließlich sorgt die Abbruchreaktion für eine Ende des Kettenwachstums. Bei einer Polymerisation werden gleiche Monomere (Homopolymerisation) oder verschiedene Monomere (Co-Polymerisation) aneinander gekettet [Kalweit et al. 2012, S. 78]. In Abbildung 2 sind die Vorgänge einer Polymerisation schematisch abgebildet. [Schwarz et al. 2016, S. 26]

Die Doppelbindungen der Monomere werden durch die Initiatormoleküle aufgetrennt [Abts 2016, S. 73]. Die freiwerdenden Bindungsstellen können zur Kettenbildung genutzt werden. Als Medium für die Reaktion können Wasser, Lösungsmittel oder Suspensionen/Emulsionen genutzt werden [Abts 2016, S. 75]. Der Polymerisationsgrad stellt hierbei die mittlere Kettenlänge dar [Abts 2016, S. 75].

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Phasen der Polymerisation [Schwarz et al. 2016, S. 26]

Für die Synthese von Polymeren können auch Monomere verschiedener Art miteinander verknüpft werden. Die so entstehenden Monomerketten werden als Copolymere bezeichnet. Werden drei Monomere verschiedener Art kombiniert, so wird die Verkettung Terpolymer genannt. [Abts 2016, S. 75]

Die Polykondensation unterscheidet sich von der Polymerisation und der Polyaddition durch die Abspaltung von Nebenprodukten wie (zumeist) Wasser oder Alkohol [Abts 2016, S. 77]. Bei der Polykondensation werden meist zwei verschiedene Molekülbausteine/Monomere miteinander verknüpft. An deren Enden sitzt mindestens eine reaktionsfähige Atomgruppe. Die Anzahl dieser reaktionsfähigen Gruppen entscheidet über die die Plastizität des Polymers. Bei zwei reaktionsfähigen Gruppen entstehen Thermoplaste (lineare Verknüpfungen der Molekülbausteine). Abbildung 3 zeigt auf der linken Seite die linearen Verknüpfungen bei der Polykondensation mit zwei reaktionsfähigen Atomgruppen je Molekülbaustein. Liegen dagegen drei reaktionsfähige Gruppen vor, so entstehen Duroplasten (maschenförmige Verknüpfungen). Solche gitterartigen Verkettungen sind in Abbildung 3 auf der rechten Seite dargestellt. [Schwarz et al. 2016, S. 28–29]

Abbildung 3: Polykondensation zu Thermoplasten (links) und Duroplasten (rechts) [Schwarz et al. 2016, S. 28–29]

Im Gegensatz zur Polykondensation werden bei der Polyaddition keine Nebenprodukte abgespalten. Die Reaktion verkettet Monomere mit zwei oder mehr reaktionsfähigen Atomgruppen. [Schwarz et al. 2016, S. 31]

Einteilung von Kunststoffen/polymeren Werkstoffen

Polymere Werkstoffe lassen sich nach ihrem Verhalten einteilen. Die so erhaltenen Materialgruppen Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere und thermoplastische Elastomere sind in Abbildung 4 dargestellt. Während sich Elastomere durch ihre Gummielastizität auszeichnen, kombinieren die thermoplastischen Elastomere Verarbeitbarkeit und Gummielastizität. Die grundsätzliche Einordnung der Werkstoffe erfolgt über das Verhalten bei mechanischer Belastung unter verschiedenen Temperaturen. [Abts 2016, S. 79]

Abbildung 4: Einordnung polymerer Werkstoffe [Abts 2016, S. 80]

Die Unterschiede im Verhalten zwischen Thermoplasten, Elastomeren und Duroplasten lassen sich auf die Ordnung ihrer Makromoleküle zurückführen.

Thermoplasten teilen sich in die amorphen und die teilkristallinen Thermoplasten auf. Erstere besitzen keine geordnete Struktur, was bei Temperaturerhöhung zu einer gesteigerten Verformbarkeit führt. Dagegen verfügen die teilkristallinen Thermoplasten über Bereiche in denen die Makromoleküle parallel verlaufen und in denen starke physikalische Wechselwirkungen auftreten. Dadurch wird ein Abgleiten der Makromoleküle voneinander erschwert. Die nachfolgende Abbildung 5 zeigt die Unterschiede in den Vernetzungsgraden zwischen amorphen und teilkristallinen Thermoplasten. [Abts 2016, S. 85–88]

Abbildung 5: Vernetzungen der Makromoleküle von Thermoplasten [Abts 2016, S. 86]

Thermoplasten können bei hoher Temperatur zur Schmelze gebracht werden. Dieser Schmelzvorgang ist zwar reversibel, doch nicht unbegrenzt wiederholbar. Durch zunehmende thermische Zersetzung wird die Rezyklierbarkeit der Thermoplasten mit jedem Schmelzvorgang begrenzt. [Abts 2016, S. 87]

Elastomere setzen sich aus weitmaschig verbundenen Kautschukmolekülen zusammen. Wie die Abbildung 6 zeigt, ist ihr Vernetzungsgrad jedoch gering. Dadurch wird eine Beweglichkeit der Kautschukmoleküle sichergestellt. Da ein Abgleiten einzelner Makromoleküle trotz des geringen Vernetzungsgrades nicht möglich ist, sind Elastomere nicht schmelzbar. [Abts 2016, S. 88–89]

Abbildung 6: Vernetzungen der Makromoleküle von Elastomeren [Abts 2016, S. 89]

Durch aktive Füllstoffe werden Elastomere meist verstärkt. Dies führt zu einer Erhöhung der Rückstellkräfte, sodass die Elastomere nicht dauerhaft verformbar sind. Aus diesem Grund besitzt ein Gummiball selbst nach dem Wurf gegen eine Wand keine dauerhaften Eindellungen. Da für die Füllstoffe oftmals Ruße eingesetzt werden, sind diese Elastomere schwarz. [Abts 2016, S. 89–91]

Die thermoplastischen Elastomere zeigen ebenfalls ein gummielastisches Verhalten. Jedoch besitzen sie thermoplastische Bereiche. Die Abbildung 7 zeigt die unterschiedlichen Bereiche der Makromoleküle bei thermoplastischen Elastomeren. [Abts 2016, S. 95]

Abbildung 7: Vernetzungen der Makromoleküle bei thermoplastischen Elastomeren [Abts 2016, S. 95]

Im Vergleich zu den Thermoplasten, Elastomeren und thermoplastischen Elastomeren sind Duroplasten engmaschiger vernetzte Makromoleküle. Sie sind nicht mehr plastisch verformbar. Aufgrund der hohen Anzahl an Vernetzungen lassen sie sich nicht zersetzen oder schmelzen. Duroplasten werden durch Polyaddition oder Polykondensation gebildet. [Abts 2016, S. 96]

Abbildung 8: Vernetzungen der Makromoleküle bei Duroplasten [Abts 2016, S. 96]

In Tabelle 1 sind verschiedene Anwendungsbereiche für die unterschiedlichen Werkstoffklassen dargestellt.