Kunststoffe

Wussten Sie, dass zwischen 1950 und 2015 ungefähr 8,3 Milliarden Tonnen Kunststoffe weltweit produziert wurden? Das entspricht etwa einer Tonne Kunststoff pro Person auf der Erde. Dies lässt erahnen, wie allgegenwärtig und bedeutend Kunststoffe in unserem täglichen Leben sind. Kunststoffarten wie Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere finden sich überall, von Verpackungsmaterialien über Textilfasern bis hin zu Kfz-Teilen.

Kunststoffe, oft als Plastik bekannt, entstehen durch die Herstellung von Kunststoffen wie Polymerisation, Polyaddition oder Polykondensation aus Monomeren oder Prepolymeren. Diese vielseitigen Materialien haben die moderne Welt revolutioniert. Die Vielzahl ihrer Anwendungen erstreckt sich von Verpackungen und Elektronik bis zu Bau- und Automobilteilen, was ihre immense Bedeutung in der industriellen und täglichen Nutzung unterstreicht.

Aufgrund der breiten Palette moderner Anwendungen hat sich die Vielfalt und Bedeutung von Kunststoffen in den letzten Jahrzehnten stetig erweitert. Doch diese rasante Entwicklung bringt auch Herausforderungen mit sich, insbesondere was die Umweltbelastung und das Recycling der Abfälle betrifft. Nur 9% der weltweit produzierten Kunststoffe wurden recycelt, während ein großer Teil in Deponien oder der Umwelt landet.

Wichtige Erkenntnisse

• Zwischen 1950 und 2015 wurden weltweit etwa 8,3 Milliarden Tonnen Kunststoffe produziert.
• Nur 9% der Kunststoffabfälle wurden recycelt, 79% landeten auf Deponien oder in der Umwelt.
• Kunststoffe werden in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere unterteilt.
• Die Anwendungen von Kunststoffen sind immens und reichen von Verpackungen bis zu Automobilteilen.
• Die Herstellung von Kunststoffen erfolgt durch Polymerisation, Polyaddition oder Polykondensation.

Einführung in Kunststoffe

Die Geschichte der Kunststoffe reicht von natürlichen Polymeren, die in der Antike genutzt wurden, bis hin zu modernen synthetischen Polymeren. Diese Entwicklungen haben die Materialwissenschaften revolutioniert und Kunststoffe zu einem unverzichtbaren Bestandteil unseres täglichen Lebens gemacht.

Geschichte und Entwicklung

Die Geschichte der Kunststoffe begann mit natürlichen Materialien wie Gummi und Schellack, die schon vor Tausenden von Jahren verwendet wurden. Mit der Erfindung von Bakelit im Jahr 1907 wurde der erste vollsynthetische Kunststoff entwickelt, der eine neue Ära einleitete. Die kontinuierliche Forschung führte zur Entdeckung und Weiterentwicklung vieler synthetischer Polymere, die heute eine breite Palette von Anwendungen haben. Historisch gesehen war die Entdeckung neuer Kunststoffe oft ein Reaktionsprodukt auf industrielle Bedürfnisse und wissenschaftliche Durchbrüche.

Definition und Bedeutung

Definition von Kunststoffen: Kunststoffe, auch als Polymere bekannt, sind Materialien, die aus großen Makromolekülen bestehen. Diese Makromoleküle werden durch die Verbindung zahlreicher kleiner Einheiten, sogenannter Monomere, gebildet. Kunststoffe zeichnen sich durch Eigenschaften wie geringe Dichte, hohe chemische Beständigkeit, hervorragende elektrische Isolationseigenschaften sowie gute thermische und akustische Eigenschaften aus.

Kunststoffanwendungen sind extrem vielseitig und reichen von Verpackungen, Automobilteilen, medizinischen Geräten bis hin zu Elektronik und Haushaltswaren. Ihre Fähigkeit, in verschiedenen Formgebungsverfahren verarbeitet zu werden, macht sie zu einem bevorzugten Material in vielen Industrien. Dank des Einsatzes von Weichmachern, der hinzugefügten Zuschlagstoffe und verschiedener Verarbeitungsmethoden können Kunststoffe für spezifische Anwendungen maßgeschneidert werden.

Arten von Kunststoffen

Die Vielfalt der Kunststoffe lässt sich in drei Hauptkategorien einteilen: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Diese Einteilung basiert auf ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie ihrer Reaktionsfähigkeit auf Hitze und Druck. Mit über 200 bekannten Kunststoffarten gehört diese Materialgruppe zu den vielseitigsten und am häufigsten verwendeten Werkstoffen der modernen Welt.

Thermoplaste

Thermoplaste machen den größten Anteil der heute bekannten Kunststoffe aus und stellen die Mehrheit der weltweit produzierten Kunststoffe dar. Sie sind durch wiederholtes Erweichen und Verformen gekennzeichnet, ohne ihre ursprünglichen Thermoplasteigenschaften zu verlieren. Beispiele für Thermoplaste sind Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP). Während High-Density-PE für Flaschen, Getränkekisten und Hartgehäuse verwendet wird, finden sich Low-Density-PE hauptsächlich in Verpackungsfolien und Tragetaschen. Polypropylen ist besonders in der Automobilindustrie weit verbreitet und wird für Komponenten wie Scheinwerfergehäuse, Sitzbezüge und Pedalen verwendet.

Duroplaste

Duroplaste, auch oft als thermoset plastics bezeichnet, behalten ihre Form nach der ersten Aushärtung und können nicht erneut erweicht werden. Diese kunststoffe zeichnen sich durch ihre hohe Hitzebeständigkeit und Festigkeit aus, und sind besonders wertvoll in Duroplastanwendungen wie Epoxidharzen und Phenolharzen. Beispiele dafür sind z. B. Epoxidharze, die in der Luftfahrtindustrie verwendet werden, und Phenolharze, die in Elektronikbauteilen und Isoliermaterialien zu finden sind.

Elastomere

Elastomere zeichnen sich durch ihre außergewöhnliche Flexibilität und Widerstandsfähigkeit aus. Diese Werkstoffe können gedehnt werden und kehren danach in ihre ursprüngliche Form zurück. Typische Elastomertypen umfassen Gummi und Silikone. Gummi wird oft für Reifen und Dichtungen verwendet, während Silikone in einer Vielzahl von Branchen, einschließlich der Medizin- und Lebensmittelindustrie, aufgrund ihrer Biokompatibilität und Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Chemikalien beliebt sind.

Die nachstehende Tabelle bietet eine Übersicht über die verschiedenen Polymertypen, ihre Eigenschaften und Anwendungen:

Thermoplaste im Detail

Thermoplaste zeichnen sich durch ihre vielfältigen Eigenschaften und Anwendungen aus. Diese Kunststoffe sind in der Lage, bei Erwärmung zu schmelzen und bei Abkühlung wieder zu erstarren, was ihre Wiederverwendbarkeit erhöht. Zu den bekanntesten Thermoplasten zählen Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), die maßgeblich zur Entwicklung der modernen Kunststoffindustrie beigetragen haben.

Eigenschaften und Anwendungen

Polyethylen und Polypropylen bieten eine breite Palette von Eigenschaften, die sie für verschiedene industrielle Anwendungen geeignet machen. Polyethylenverwendung ist weit verbreitet, besonders in der Verpackungsindustrie, da es leicht und robust ist. Polypropyleneigenschaften wie hohe Festigkeit und Widerstandsfähigkeit machen es ideal für den Einsatz in der Automobilindustrie, beispielsweise für Stoßfänger und Innenverkleidungen.

• Leicht und flexibel
• Hohe chemische Beständigkeit
• Gute elektrische Isoliereigenschaften

Beispiele: Polyethylen und Polypropylen

Polyethylen ist weltweit der am häufigsten verwendete Kunststoff. Seine Anwendungsbereiche reichen von Lebensmittelverpackungen bis hin zu Wasserrohren. Die Polyethylenverwendung im Alltag umfasst beispielsweise Plastikflaschen, Einkaufstaschen und Folien. Polypropylen hingegen zeichnet sich durch seine hohe Festigkeit aus und wird häufig für Verpackungsmaterialien, Textilien und den medizinischen Sektor eingesetzt. Seine Hauptanwendungen umfassen technische Teile, transparente Beutel und Behälter.

Duroplaste im Detail

Duroplaste zeichnen sich durch ihre außerordentliche Härte und Formstabilität aus. Diese duroplastischen Produkte sind nach dem Aushärten nicht mehr verformbar und schmelzen nicht, sondern zersetzen sich bei hoher Temperatur. Zu den bekanntesten Duroplasten zählen Epoxidharze und Phenolharze, die in verschiedenen Industriezweigen weit verbreitet sind.

Eigenschaften und Anwendungen

Die Duroplastische Produkte zeichnen sich durch hohe Steifigkeit, Härte und Beständigkeit gegenüber thermischen und chemischen Einflüssen aus. Dank ihres hohen Gehalts an Füllstoffen, der zwischen 40% und 65% liegt, werden sie häufig in folgenden Bereichen eingesetzt:

• Bremsbeläge
• Faser-Verbundwerkstoffe
• Gehäuse von elektronischen Bauelementen
• Karosserieteile
• Schutzhelme
• Reflektoren
• Topf- und Pfannengriffe

Die hohe Schlagempfindlichkeit und der stabile chemische Aufbau machen Duroplaste jedoch schwieriger zu recyceln. Trotz dieser Herausforderung zeigt die Forschung Fortschritte im Recyclingprozess, wodurch neue Materialien mit besseren mechanischen Eigenschaften entstehen könnten.

Beispiele: Epoxidharze und Phenolharze

Epoxidharzanwendungen sind besonders vielfältig. Epoxidharze werden aufgrund ihrer hohen Haftung und hervorragenden elektrischen Eigenschaften häufig in Elektronik, Bauwesen und Automobilindustrie eingesetzt. Zudem sind sie als Kleb- und Dichtstoffe beliebt.

Phenolharzeigenschaften umfassen hohe Temperaturbeständigkeit und geringe Schrumpfung bei der Härtung. Deshalb finden Phenolharze Anwendung in Hitzeschilden, Schutzbeschichtungen und bei der Herstellung von thermisch belastbaren Bauteilen.

Übersicht: Pro und Contra

Technisches Datenblatt

Elastomere im Detail

Elastomere zeichnen sich durch ihre hohe Flexibilität und Rückstellkraft aus, was sie zu unverzichtbaren Materialien in vielen Industrieanwendungen macht. Ihre einzigartigen Eigenschaften machen sie besonders wertvoll in Branchen, die auf langlebige, dehnbare und robuste Materialien angewiesen sind.

Eigenschaften und Anwendungen

Synthesekautschuke wie EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) bieten ausgezeichnete Alterungs- und Säurebeständigkeit, jedoch sind sie unbeständig gegenüber Mineralölen.

SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk) zeichnet sich durch hervorragende Abriebbeständigkeit und elektrische Isolierfähigkeit aus. IIR (Butyl-Kautschuk) bietet ebenfalls gute elektrische Isolierfähigkeiten und zeichnet sich durch eine geringe Gasdurchlässigkeit aus.

NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk) wird häufig in der Hydraulik und Pneumatik eingesetzt, da er sehr beständig gegenüber Mineralölen ist. IR (Isopren-Kautschuk) hingegen wird wegen seiner exzellenten mechanischen Eigenschaften geschätzt.

Thermoplastische Elastomere (TPE) kombinieren die Eigenschaften von Thermoplasten und klassischen Elastomeren. Sie behalten ihre elastischen Eigenschaften bei Raumtemperatur, verformen sich jedoch dauerhaft bei Hitze. Flüssigkristalline Elastomere (LCE) bieten zusätzlich eine hohe Zugfestigkeit durch ihre Flüssigkristallstruktur.

Beispiele: Gummi und Silikone

• Gummi: Dieser elastische Kunststoff wird häufig in Reifen, Dichtungsringen und flexiblen Formen eingesetzt. Gummianwendungen umfassen auch industrielle Schläuche, Matten und Dämpfungselemente.
• Silikone: Silikone bieten hervorragende Temperatur- und Witterungsbeständigkeit. Die Silikoneigenschaften machen sie ideal für Anwendungen in der Automobilindustrie, Medizintechnik und Elektronik. Silikone werden oft in Dichtungsringen, Schläuchen und als Isoliermaterial verwendet.

Die Qualität dieser elastischen Kunststoffe variiert je nach Anwendung. Kunden loben insbesondere die Langlebigkeit und vielseitigen Einsatzmöglichkeiten von Gummi- und Silikoneigenschaften. Im Vergleich zu Konkurrenzprodukten bieten diese Materialien oft eine bessere Beständigkeit gegen Temperatur und chemische Einflüsse.

Die Vielfalt und die spezialisierten Eigenschaften machen elastische Kunststoffe zu einem unverzichtbaren Material für viele moderne Anwendungen, sowohl im industriellen als auch im alltäglichen Gebrauch.

Herstellung von Kunststoffen

Die Herstellung von Kunststoffen umfasst zahlreiche chemische Verfahren, die die Basis für die diversen Arten von Kunststoffen legen. Die häufigsten Prozesse sind Polymerisation, Polyaddition und Polykondensation, die jeweils unterschiedliche mechanische und physikalische Eigenschaften der resultierenden Polymere bestimmen und für spezifische Anwendungen optimiert werden.

Polymerisation

Der Polymerisationsprozess tritt auf, wenn kleine Monomere zu längeren polymeren Makromolekülen zusammengefügt werden. Dieses Verfahren erzeugt vorwiegend lineare oder gering verzweigte Strukturen, die für thermoplastische Kunststoffe notwendig sind. Ein bekanntes Beispiel ist die Polymerisation von Ethylen zu Polyethylen, das in einer Vielzahl von Produkten wie Verpackungen und Rohren verwendet wird.

Polyaddition

Bei der Polyaddition verbinden sich Monomere ohne die Abspaltung kleiner Moleküle, wobei die Polyadditionstechniken die Produktion linearer thermoplastischer Polymere als auch vernetzter duroplastischer Polymere ermöglichen. Typische Beispiele umfassen Polyurethan-Schaumstoffe, die sowohl in der Möbel- als auch in der Bauindustrie weit verbreitet sind.

Polykondensation

Die Polykondensation von Kunststoffen beinhaltet die Reaktion zwischen Monomeren unter Abspaltung kleiner Moleküle wie Wasser oder Methanol. Dieser Prozess führt zur Bildung linearer thermoplastischer sowie vernetzter duroplastischer Polymere. Ein typisches Beispiel ist die Herstellung von Polyesterfasern, die in Textilien und Kunststoffen weit verbreitet sind.

Umweltaspekte von Kunststoffen

Die Umweltaspekte von Kunststoffen sind vielschichtig. Auf der einen Seite stehen Herausforderungen wie Mikroplastik und langfristige Umweltschäden, auf der anderen Seite Fortschritte beim Kunststoffrecycling und die Entwicklung von nachhaltigen Kunststoffen, die eine ökologische Alternative bieten.

Recycling und Nachhaltigkeit

Recycling spielt eine entscheidende Rolle im Umweltschutz, insbesondere bei Kunststoffen. Die Kunststoffproduktion hat seit den 1950er-Jahren von 1,5 Millionen Tonnen auf heute etwa 400 Millionen Tonnen pro Jahr zugenommen. Dies erfordert innovative Recyclingmethoden und nachhaltige Kunststoffe, um die wachsenden Mengen zu bewältigen und gleichzeitig die Umweltbelastung zu verringern. Ein Forschungsschwerpunkt „Plastik in der Umwelt“ mit über 100 betei­ligten Institutionen untersucht Wege zur Verbesserung der Recyclingtechnologien und zur Förderung des nachhaltigen Konsumverhaltens.

Biologisch abbaubare Kunststoffe

Biologisch abbaubare Kunststoffe bieten eine bedeutende Möglichkeit, die negativen Umweltauswirkungen zu verringern. Diese Kunststoffe zerfallen im Laufe der Zeit in natürliche Bestandteile und reduzieren so die Gefahr von langfristigen Umweltschäden durch Mikroplastik. Die steigende Nachfrage nach umweltfreundlichen Alternativen hat zu einer Vielzahl von innovativen Produkten geführt, die nachhaltiger sind und gleichzeitig die gleichen Vorteile wie herkömmliche Kunststoffe bieten.

Mit Blick auf die Zukunft sind Einrichtungen wie das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Vorreiter bei der Förderung von Projekten, die auf die Entwicklung und Etablierung von biologisch abbaubaren Kunststoffen abzielen. Zwischen 2017 und 2021 wurden rund 40 Mio. Euro in 20 Verbundprojekte investiert, um den Plastikabfall zu reduzieren und den Umweltschutz zu stärken.

Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe, auch als Kompositwerkstoffe bekannt, bestehen aus mindestens zwei sortenreinen Grundstoffen, wobei zumindest einer eine kontinuierliche Phase bildet. Diese Materialien sind bekannt für ihre außergewöhnlichen Stärken und ihre breite industrielle Nutzung. Im Folgenden werden die Definition und Beispiele sowie die industrielle Nutzung von Verbundwerkstoffen vorgestellt.

Definition und Beispiele

Ein Verbundwerkstoff kombiniert verschiedene Materialien, um spezifische Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Schlagzähigkeit zu optimieren. Dabei sind Innovationen in der Materialtechnologie entscheidend. Die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) unterscheidet verschiedene Typen von Kompositmaterialien, darunter:

1. Nanokomposite 2. Komposit-Laminate 3. Polymerkomposite 4. Keramikverstärkte Polymerkomposite
Nach der Geometrie des Verbunds gibt es zudem verschiedene Typen wie Teilchenverbundwerkstoffe und Faserverbundwerkstoffe. Beispiele für Teilchenverbundwerkstoffe sind Beton und Polymerbeton, während Faserverbundwerkstoffe glasfaserverstärktes Glas und Stahlbeton umfassen.

Anwendungen in der Industrie

Die industrielle Nutzung von Verbundwerkstoffen ist vielfältig. Ihre überragenden mechanischen Eigenschaften machen sie zu bevorzugten Materialien in hochtechnologischen Bereichen. In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden kohlenstofffaserverstärkte Polymere verwendet, um die strukturelle Integrität und Leichtigkeit der Bauteile zu gewährleisten. Auch in der Automobilindustrie finden diese Innovationsmaterialien breite Anwendung.

Eine Übersicht der Vor- und Nachteile von Verbundwerkstoffen:

Zusammengefasst bieten Verbundwerkstoffe durch ihre speziellen Eigenschaften und die Möglichkeit zur Anpassung erhebliche Vorteile für diverse industrielle Anwendungen. Die Innovationsmaterialien revolutionieren Branchen und treiben technologische Fortschritte voran.

Polyethylen: Ein Allround-Kunststoff

Polyethylen ist aufgrund seiner Vielseitigkeit und Wirtschaftlichkeit einer der am meisten genutzten Kunststoffe weltweit. Der globaler Kunststoffmarkt wird maßgeblich von Polyethylenprodukten beeinflusst, die vielfältige Anwendungen von Plastiktüten bis zu widerstandsfähigen Behältern abdecken.

Eigenschaften

Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften von Polyethylen ist seine Dichte, die zwischen 0.90-0.96 g/cm³ liegt. Dies macht Polyethylen zu einem der leichtesten thermoplastischen Materialien. Es ist wasserabweisend und bietet moderate thermische Stabilität, was es gegen halogenfreie Lösungsmittel und Chemikalien resistent macht. Polyethylen ist jedoch anfällig für Oxidation und UV-Schäden, was den Einsatz von Additiven notwendig macht, um die Lebensdauer der Produkte zu verlängern.

Anwendungsbereiche

Die Vielseitigkeit von Polyethylen zeigt sich in seinen zahlreichen Einsatzgebieten. Im Lebensmittelbereich wird es häufig für Verpackungen, Flaschen und Laminierfolien verwendet, da es als sicher und resistent gegen Feuchtigkeit gilt. In der Bauwirtschaft schätzt man Polyethylen für seine Verrottungsbeständigkeit, weshalb es in wasserdichten Auskleidungen, Stabilisierungsmatten und Netzen verwendet wird. Darüber hinaus findet man Polyethylen in chirurgischen Nähten, wärmedämmenden Materialien und geräuschmindernden Komponenten im Maschinenbau.

Marktsituation

Der globaler Kunststoffmarkt sieht Polyethylen als eine tragende Säule der Kunststoffproduktion, das etwa 30% der weltweiten Kunststoffproduktion ausmacht. Mit der Pionierarbeit von BRASKEM S.A. in Sao Paulo, die „Bio“-Polyethylen aus lokalem Bioethanol herstellen, nähert sich der Markt auch nachhaltigen Alternativen. Dies macht jedoch nur 0.4% der globalen Polyethylenproduktion aus. Technologische Fortschritte wie die Ziegler-Natta-Katalysatoren in den 1960er Jahren trugen dazu bei, Polyethylen zu einem massenproduzierten Kunststoff zu machen.

Polypropylen: Vielseitiger Kunststoff

Polypropylen, häufig mit den Initialen PP abgekürzt, ist ein thermoplastischer Kunststoff, der vor allem für seine vielseitigen Einsatzmöglichkeiten geschätzt wird. Dieser Kunststoff, der aus Ethylen und Propylen gewonnen wird, zeichnet sich durch seine Steifigkeit, Wärmebeständigkeit und Schadstofffreiheit aus. Polypropylen enthält keine schädlichen Weichmacher und bleibt bis zu null Grad elastisch, was es robust und besonders geeignet für zahlreiche Anwendungen macht.

Eigenschaften

Polypropylen ist bekannt für seine bemerkenswerten Eigenschaften. Es weist eine hohe chemische Beständigkeit auf und ist gegen viele Säuren, Laugen und Lösungsmittel resistent. Ein weiterer Vorteil ist seine Fähigkeit, sich unter UV-Strahlung zersetzt. Zudem bleibt PP auch bei niedrigen Temperaturen elastisch und sorgt somit für eine lange Lebensdauer der Produkte. Aufgrund dieser Eigenschaften ist Polypropylen besonders beliebt in Bereichen, die viel Haltbarkeit und Beständigkeit erfordern.

Anwendungsbereiche

Die Flexibilität und Haltbarkeit von Polypropylen machen es zu einem bevorzugten Material in zahlreichen Anwendungsbereichen. In der Verpackungsindustrie wird es für die Herstellung von Joghurtbechern, Flaschenverschlüssen und sogar Kochbeuteln verwendet. Weiterhin findet man Polypropylen in Haushaltswaren wie Thermoboxen und Strohhalmen. Der Automobilsektor nutzt es für Armaturenbretter und Kabelummantelungen, während es in der Textilindustrie in Teppichen und Textilien Anwendung findet. Diese breite Einsatzvielfalt zeigt deutlich, wie vielseitig Polypropylenverwendung sein kann.

Kundenbewertungen und Marktmeinungen

Kundenfeedback zu Kunststoffprodukten aus Polypropylen ist überwiegend positiv. Verbraucher schätzen die Langlebigkeit, die Recyclingfähigkeit und die Umweltfreundlichkeit dieses Materials. Trotz der Tatsache, dass Polypropylenmüll über Jahrzehnte in der Umwelt verbleiben kann und zu Mikroplastik zerfällt, wird seine gute Recyclingfähigkeit und der Einsatz von recyceltem Polypropylen in Produkten wie Blumentöpfen hoch bewertet. Kritisch wird jedoch angemerkt, dass in Deutschland nur etwa ein Drittel des jährlich produzierten Plastikmülls recycelt wird, was auf eine verstärkte Notwendigkeit für nachhaltige Entsorgungspraktiken hinweist.

Pro

• Hohe chemische Beständigkeit
• Recyclingfähigkeit
• Breites Einsatzspektrum
• Keine schädlichen Weichmacher

Contra

• Lange Verweildauer im Müll
• Zerfall in Mikroplastik
• Eingeschränkte Recyclingquote in Deutschland

Technisches Datenblatt:

• Material: Polypropylen (PP)
• Grundstoffe: Ethylen, Propylen
• Eigenschaften: Steif, UV-beständig, elastisch bis null Grad
• Recyclingcode: PP (Nr. 5)