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Polystyrol

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Strukturformel
Struktur von Polystyrol
Allgemeines
Name Polystyrol
Andere Namen
CAS-Nummer 9003-53-6
Monomer Styrol
Summenformel der Wiederholeinheit C8H8
Molare Masse der Wiederholeinheit 104,15 g·mol−1
Art des Polymers

Thermoplast

Kurzbeschreibung

transparent; amorph oder teilkristallin

Eigenschaften
Aggregatzustand

fest

Dichte

1050 kg/m3 (fest)[1]

Glastemperatur

100 °C[1]

Elektrische Leitfähigkeit

10−16 S/m

Wärmeleitfähigkeit

0,17 W·m−1·K−1[1]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung
keine Einstufung verfügbar[2]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Polystyrol (Kurzzeichen PS, andere Namen: Polystyren, IUPAC-Name: Poly(1-phenylethan-1,2-diyl)) ist ein transparenter, geschäumt weißer, amorpher oder teilkristalliner Thermoplast. Amorphes Polystyrol ist ein weit verbreiteter Kunststoff, der in vielen Bereichen des täglichen Lebens zum Einsatz kommt.

Polystyrol ist ein thermoplastisch verarbeitbarer Werkstoff. Außerdem werden expandiertes Polystyrol (EPS) und extrudiertes Polystyrol (XPS) als Schaumstoff eingesetzt. Bekannte Handelsnamen für EPS sind Styropor, Austrotherm, Steinopor, Sagex, Swisspor, Hungarocell (Ungarn), Telgopor (spanischsprachige Länder) und Frigolit (Schweden). XPS ist unter den Handelsnamen Styrodur, Austrotherm, Floormate, Roofmate, Styrofoam und Jackodur bekannt.

Geschichte

Bereits 1839 beobachtete der Apotheker Eduard Simon in Berlin, dass Styrol über mehrere Monate zu einer gallertartigen dickflüssigen Masse verdickt.[3] Sechs Jahre später berichteten John Blyth und August Wilhelm von Hofmann, dass die Umwandlung ohne Auf- oder Abgabe irgendeines Elementes geschehe und lediglich durch die molekulare Veränderung des Styrols erfolge.[4] Die Bezeichnung „Polystyrol“ wurde erstmals von Abraham Kronstein benutzt, der darunter allerdings ein gel-artiges Zwischenprodukt verstand, das dann mit Styrol das glasartige „Metastyrol“ bilden sollte.[5]

1931 wurde im I.G.-Farben-Werk in Ludwigshafen am Rhein mit der technischen Herstellung von Polystyrol begonnen. Die Verwendung als Schaumkunststoff (Styropor) wurde 1949 von Fritz Stastny und seinem Chef Rudolf Gäth bei der BASF entwickelt, 1950 zum Patent angemeldet und 1952 auf der Kunststoffmesse in Düsseldorf vorgestellt. In den USA wurde es als Styrofoam von Ray McIntire bei Dow Chemical entwickelt (Patent 1944).

Mittlerweile gehört Polystyrol zu den Standardkunststoffen und nimmt in der Produktionsrangfolge nach Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylchlorid den vierten Platz ein. Der Anteil am Kunststoffverbrauch betrug 2004 mit ca. 11,3 Millionen Tonnen ca. 6 %.[6] 2007 betrug die Gesamtproduktionskapazität für Standard-Polystyrol und schlagzähes Polystyrol ca. 15 Millionen Jahrestonnen, die durchschnittliche Auslastung von 70 % bei kaum steigendem Verbrauch führte dazu, dass Kapazitäten abgebaut wurden.[7]

Herstellung

Polystyrol gewinnt man durch die Polymerisation von monomerem Styrol. Eine große Zahl von Polymeren wird durch Polymerisation hergestellt, u.a. vier der fünf mengenmäßig wichtigsten Kunststoffe, nämlich Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC) und eben auch Polystyrol (PS). Für das Copolymer Butadienstyrol für die Herstellung von Kunstgummi bekam Styrol schon in den 30er-Jahren eine große technische Bedeutung. Es gibt gegenwärtig zwei Verfahren zur Styrolherstellung mit technischer Bedeutung, die Dehydrierung von Ethylbenzol und das SM/PO-Verfahren. Im Jahr 2012 betrug die jährliche Weltproduktion von Styrol etwa 20 Millionen Tonnen.

Das Rohpolymerisat liegt als Flüssigkeit vor, die aushärten kann. Als Granulat kommt es in den Handel, um als extrudierbares Polystyrol (XPS) zu Plastikteilen oder Behältern (z. B. Lebensmittelverpackungen mit Alu - Heißsiegeldeckel) verarbeitet zu werden. Das expandierbare Polystyrol (EPS) erhält während der Polymerisation zu festen Kügelchen Gaseinschlüsse. Die Kügelchen werden in BigBags oder Großkartons als Granulat zum Verarbeiter gebracht. Werden die Kügelchen dort unter Wasserdampf etwas über 100 °C erwärmt, expandiert das Gas und der thermoplastische Kunststoff bläht sich auf. Die Ränder der Blasen verschmelzen. Zurück bleibt ein Feststoffkörper, der je nach Form, in der der Prozess stattgefunden hat, als Platte oder bis hin zum geometrisch komplizierten Verpackungsteil, erscheint.

Eigenschaften

Polystyrol ist gegen wässrige Laugen und Mineralsäuren gut beständig, gegenüber unpolaren Lösungsmitteln wie Benzin und längerkettigen Ketonen und Aldehyden nicht. Ein Nachteil ist die eingeschränkte Temperaturbeständigkeit und die Neigung zu Spannungsrissen. Außerdem ist es UV-empfindlich. Die Dichte von festem Polystyrol liegt zwischen 1040 und 1090 kg/m3, aufgeschäumtes Polystyrol (EPS oder auch PS-E) hat eine Dichte zwischen 15 (Dämmung am Bau) und 90 kg/m3 (Skihelm).

Ein Stück expandiertes Polystyrol (EPS)

Festes amorphes Polystyrol ist glasklar, hart und schlagempfindlich. Es erzeugt einen spröden, scheppernden, fast glasartigen Klang beim Beklopfen (Butterdosen). Beim Biegen oder Brechen riecht es deutlich nach Styrol. Polystyrol ist in allen Farben einfärbbar. Massives Polystyrol neigt zur Spannungsrissbildung. Es ist wenig wärmebeständig, ab 55 °C setzt eine Beschleunigung der Alterung ein, weshalb es nur bis 70 °C einsetzbar ist. Die Glasübergangstemperatur liegt, je nach Verarbeitungsbedingungen, bei ca 100 °C, die Schmelztemperatur beträgt bei isotaktischem Polystyrol 240 °C und bei syndiotaktischem 270 °C. Ataktisches Polystyrol liegt als amorpher Feststoff vor und besitzt mithin keine Schmelztemperatur.[8] Ataktisches Polystyrol ist ein kostengünstiger Kunststoff mit großem Marktanteil. Isotaktisches Polystyrol ist wegen seiner geringen Kristallisationsgeschwindigkeit für die Kunststoffverarbeitung uninteressant.

Syndiotaktisches Polystyrol kristallisiert ausreichend schnell, um im typischen Spritzgussverfahren als Konstruktionswerkstoff, insbesondere wegen seiner extremen Chemikalien-, Heißwasser- und Kühlmittelbeständigkeit, eine Alternative zu etablierten technischen Kunststoffen zu bieten. Es wird unter Verwendung von Metallocen-Katalysatoren hergestellt.[9]

Geschäumtes Polystyrol hat im Vergleich zu festem Polystyrol eine geringere mechanische Festigkeit, aber eine höhere Elastizität. Es ist weiß und undurchsichtig. Expandiert hat Polystyrol eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit (≈ 0,03 W/(m·K)). Schon wenig von Lösemitteln wie Aceton, Essigsäureethylester oder Toluol genügt, um ein relativ großes Volumen Polystyrolschaum zu „zerfressen“, indem das im Schaum eingeschlossene Treibgas freigesetzt wird.

Polystyrol kann z. B. mit Dichlormethan angelöst und nahezu nahtlos verschweißt werden.

Brandverhalten

Polystyrol brennt mit leuchtend gelber, stark rußender Flamme. Das dabei freiwerdende Styrol hat einen blumigen, süßlichen Geruch. Da selten reines Polystyrol ohne chemische Verunreinigungen vorliegt, besitzen die Dämpfe aber oft einen stechenden Geruch.

Die im Brandfall entstehenden Brandgase enthalten Zersetzungsprodukte wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Stickoxide. Das Einatmen dieser Zersetzungsprodukte kann Gesundheitsschäden verursachen.[10] Die ebenfalls freiwerdenden Monostyrole liegen meist nur in unkritischen Konzentrationen vor.[11]

Das Brandverhalten von expandiertem Polystyrol wird davon dominiert, dass es bei Temperaturen wenig über 100 °C schmilzt und dann abtropft, wobei die Tropfen (auch aufgrund der geringen Masse und der damit zusammenhängenden schlechten Wärmeabfuhr) Feuer fangen können und dann brennend abtropfen. Das Material zersetzt sich oberhalb von etwa 300 °C, frei werden Styrol (Flammpunkt von ca. 31 °C) und etwaig vorhandene Reste vom eventuell verwendeten Treibmittel Pentan (Flammpunkt ca. −50 °C), diese Stoffe entzünden sich alsbald, was zu Entzündung und Brennen des (abtropfenden) Polystyrols und weiterem Schmelzen beiträgt.[12] Abtropfendes brennendes (Poly)Styrol kann zu einer Brandausbreitung durch Sekundärbrände führen.

Brennbare Zusatzdämmungen können eine erhebliche Steigerung der maßgeblichen Brandlast ergeben.

1996 waren bei Schweißarbeiten im Flughafen Düsseldorf Styroporplatten an einer Gebäudedecke in Brand geraten. Infolge der starken Rauchentwicklung und der schnellen Ausbreitung des Feuers starben 17 Menschen, 88 wurden dabei verletzt.[13][14]

Flammschutzadditive

Geeignete Flammschutzmittel können das Brandverhalten günstig beeinflussen. Üblicherweise wurden dafür polybromierte Diphenylether als Additive verwendet oder (das ab 2014 weltweit verbotene[15]) Hexabromcyclododecan (Einzelne Staaten können Ausnahmen für Dämmplatten gewähren. Das Umweltbundesamt empfiehlt stattdessen Materialien zu verwenden, bei denen entweder weniger umwelt- und gesundheitsschädliche oder gar keine Flammschutzmittel nötig sind, wie zum Beispiel Mineralwolle.[15]) Diese Flammschutzmittel spalten bei der Verbrennung brom­haltige Gase ab, wodurch die bei der Verbrennung eintretenden Radikal-Kettenreaktionen durch Abfangen des Sauerstoffs abgebrochen werden und die Verbrennung hemmen, zusätzlich können dabei polybromierte Dibenzodioxine und Dibenzofurane entstehen. Bromhaltige Flammschutzmittel werden in der Umwelt schwer abgebaut, reichern sich in niedrigen Konzentrationen sowohl in der Muttermilch als auch im Blut der Menschen an. Nach den Risikobewertungen der Europäischen Union bestehen bei diesen Konzentrationen keine direkten Risiken. Trotzdem sollte Muttermilch solche Stoffe aus Vorsorgegründen nicht enthalten.[16]

Da die getrennte Sammlung und Entsorgung von Polystyrol-Baustoffresten und Verschnittabfällen aus der Produktion nicht funktioniert, kommt es in der Praxis zu Vermischungen bei wiedereinsetzbaren Recyclaten. Dadurch sind signifikante Restgehalte an bromierten Flammschutzadditiven auch in sensiblen Anwendungen (Verpackung, Blumentrays etc.) nicht auszuschließen.[17][18]

Brandschutz im Bauwesen

Brandschutzstreifen aus Mineralwolle gegen die Brandausbreitung in einer PS-Wärmedämmung

Zugehörige Norm ist die EN 13163 („Wärmedämmstoffe für Gebäude – Werkmäßig hergestellte Produkte aus expandiertem Polystyrol (EPS)“). Laut Industrieverband Hartschaum e. V. Heidelberg und dem Fachverband Wärmedämm-Verbundsysteme e. V. Baden-Baden müssen Fassaden-Dämmplatten aus EPS-Hartschaum der DIN EN 13163 und der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung Z 23.15-… bzw. Z-33.4-… (elastifizierte Platten) des Herstellers entsprechen. Darüber hinaus sind die Qualitäts-Richtlinien und Prüfbestimmungen der Bundesfachabteilung Qualitätssicherung EPS-Hartschaum (BFA QS EPS) zu erfüllen.[19]

Das Brandverhalten von Polystyrol-Hartschaum für Bauanwendungen wird mit einem Kleinbrenner geprüft und in die europäische Klasse E eingestuft. Für eine Europäische Technische Bewertung (ETB) von WDVS oder ähnlichen Fassadendämmsystemen muss zusätzlich das gesamte Dämmsystem in einem Versuch mittlerer Größe, dem SBI (Single Burning Item) geprüft werden. Dämmsysteme, die in der Endanwendung verputzt sind, können dann die europäische Klasse zum Brandverhalten B oder C erreichen. Es wurde festgestellt, dass bei einem realen Fassadenbrand Effekte auftreten, die mit Hilfe von Laborversuchen kleiner oder mittlerer Größe nicht abschließend beurteilt werden können (Schmelzeffekte, Kaminwirkung bei hinterlüfteten Fassaden etc.). Daher werden in den meisten europäischen Ländern für Dämmsysteme an höheren Gebäuden Großversuche gefordert.[20]

Kontroversen nach Medienberichten

Ein 2011 erschienener Bericht des NDR über Brandversuche in der Materialprüfanstalt in Braunschweig zeigt, dass die Dämmungen aus Polystyrol trotz Zuschlags von Flammschutzmitteln bei unsachgemäßem Aufbau Feuer fangen und zur Brandausbreitung führen können, wenn an den dafür vorgesehenen Stellen auf den Einbau von Brandschutzstreifen aus nicht brennbarer Mineralwolle verzichtet wird.[21][22]

Laut dem Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) (einer vom Bund und den Ländern gemeinsam getragenen Einrichtung[23]) zum Brandschutz entsprach der verwendete Versuchsstand der Materialprüfanstalt Braunschweig nicht dem für Zulassungsprüfungen geforderten Aufbau, wie er auch im Arbeitsentwurf von DIN 4102-20 beschrieben wird. Zusätzlich wäre das in dem Versuch geprüfte WDVS mit Polystyrol-Hartschaum nicht korrekt angebracht gewesen. Durch die schachtförmige Versuchsanordnung wäre die thermische Exposition des Wärmedämmverbundsystem deutlich erhöht gewesen, und dies entspräche nicht mehr einer Brandbeanspruchung unter Realbrandbedingungen. Die Prüfung entspreche daher weder den Vorgaben der Norm und der Zulassungsgrundsätze, noch habe die Prüfung einen plausiblen praxisbezogenen Bezug gehabt. Das DIBt hat dazu am 7. Dezember 2011 eine Stellungnahme veröffentlicht, die u. a. betont, dass die bisher zugelassenen WDV-Systeme mit Polystyrol-Hartschaum sicher seien und die Anordnung von Brandriegeln in jedem 2. Geschoss wirksam eine Brandausbreitung/Brandweiterleitung auf Außenwänden begrenze.[24][25] Die Deutsche Energie-Agentur (dena) hat am 2. Dezember 2011 ebenfalls eine Stellungnahme veröffentlicht, die sich auf den NDR-Beitrag bezieht und die Kritik an Wärmedämmung zurückweist.[26]

Die NDR-Redaktion widersprach dieser Darstellung in ihrer Folgereportage Wärmedämmung – Der Wahnsinn geht weiter[27] und hinterfragt darin den „praxisfremden Brandschachttest“ der DIN 4102 („Die DIN-Normen sind keine Rechtsnormen, sondern private technische Regelungen mit Empfehlungscharakter. Sie können die anerkannten Regeln der Technik wiedergeben oder hinter diesen zurückbleiben.“[28]; mehr darüber siehe Deutsches Institut für Normung). Laut dem Bericht schmilzt das beim Prüfverfahren als schmaler hoher Stab eingespannte Polystyrol nach oben hin ab und entfernt sich dadurch von der Hitze- oder Brandquelle (Zündbrenner und abgetropftes (Poly)Styrol), wodurch das Prüfverfahren so aufgebaut wäre, dass es dem von der Industrie gewünschten Ergebnis, die Nichtbrennbarkeit von Polystyrol und fehlende Brandweiterleitung zu beweisen, entgegenkäme. Das habe mit der Realität nichts zu tun, bemängelt auch der Brandschutzberater Peter Kuhn, und dass deshalb die europäische Norm DIN EN 13501 ein anderes Prüfverfahren vorsehe, wodurch der Dämmstoff nur mehr als „normal entflammbar“ gelte. Doch die deutsche Zulassungsbehörde DIBt überlässt es (laut Kuhn und der NDR-Reportage) den Herstellern, nach welcher Norm diese vorgehen.[29]

Nach dem für den Arbeitskreis Brandschutz des Fachverbandes WDVS arbeitenden Brandsachverständigen Ingolf Kotthoff entstehe die Brandweiterleitung durch flüssiges kochendes Polystyrol und dessen Ausdünstungen, die im gebildeten Hohlraum oberhalb des mechanisch nicht abgestützten Dämmstoff-Sturzes (der Unterkante der Wärmedämmung oberhalb eines Fensters) entzündet würden,[30] wodurch das Ganze eher ein konstruktiver Mangel wäre und der mögliche Hohlraum durch den Einbau von Brandriegeln (nichtbrennbare umlaufende Mineralwolle-Dämmstoffstreifen) verkleinert werden könnte.[31][27] Trotz offensichtlicher Widersprüche in der Stellungnahme (Pkt. 11a Brandweiterleitung durch 2,5 m hohe Flammen werden durch den Brandriegel gestoppt, 11b 3,0 m Abstand zwischen brennendem Raum und Brandriegel reduzieren sich auf 0,5 m brennbarer Dämmstoffhöhe) gelten Brandriegel alle zwei Geschosse für den Fachverband WDVS als ausreichend.[30]

In einer umfangreicheren Stellungnahme des Deutschen Instituts für Bautechnik vom 21. November 2011[32] wird ebenfalls eingeräumt, dass Wärmedämmverbundsysteme mit Polystyroldämmstoffplatten mit großen Dämmstoffdicken bei Brandbeanspruchungen „kritisch“ seien und eine ungehinderte Brandausbreitung möglich wäre und der Filmbericht „keine neuen Erkenntnisse“ gebracht habe. Die Brennbarkeit wäre „in der Fachwelt eine allseits bekannte Tatsache“. Dass Brandriegel nur in jedem zweiten Geschoss genügen würden und eine Brandausbreitung verhindern, wäre „in originalmaßstäblichen Versuchsaufbauten“ nachgewiesen worden. Die im Fernsehfilm gezeigte Versuchsanordnung entspreche nicht dem Aufbau laut Arbeitsentwurf für die DIN 4102-20 und damit nicht der Brandbeanspruchung unter Realbrandbedingungen.

Der Problematik der Dämmstoffprüfungen und der Brandgefahr widmete sich eine Anfrage im Deutschen Bundestag[33], in der Beantwortung[34] wird darauf hingewiesen, dass „für das Gebiet des Brandschutzes, welcher Teil des Bauordnungsrechts ist, die Bundesländer zuständig sind“ und „Bei Wärmedämmverbundsystemen muss nach DIN 4102-1 durch Brandprüfungen sowie ggf. zusätzliche Großversuche durch den Hersteller überprüft werden, ob sie schwerentflammbar und damit brandsicher sind.“. Dem steht entgegen, dass die zitierte nationale Norm DIN 4102 seit Erscheinen der europäischen Norm DIN EN 13501 („Klassifizierung von Bauprodukten und Bauarten zu ihrem Brandverhalten“) gemäß der CEN/CENELEC-Geschäftsordnung zurückzuziehen wäre, um eine Doppelnormung zu vermeiden.

Wirkung auf Organismen und die Umwelt

Polystyrol ist physiologisch unbedenklich und für Lebensmittelverpackungen uneingeschränkt zugelassen. Polystyrol ist der einzige Kunststoff, der zur Lagerung von rohem Fleisch oder Fisch zugelassen ist.

Allerdings sind, wie oben bereits dargestellt, bromierte Flammschutzadditive auch in Verpackungen[35][36] und deren Migration in Lebensmittel nicht auszuschließen.[37] Zudem gibt es Hinweise darauf, dass Zellkulturen durch eine Aufweichung des Materials unter Kulturbedingungen negativ beeinflusst werden können.[38] Menschliche Spermien überleben in Petrischalen aus Polystyrol deutlich weniger lang als in Schalen, die mit einer nanokristallinen Diamantschicht überzogen sind.[39]

Das Flammschutzmittel Hexabromcyclododecan (HBCD), das dem Polystyrol für Dämmplatten und Hartschaumplatten beigefügt wird, ist gemäß der REACH-Verordnung als „sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung“ eingestuft.[40][41] Es ist nur relativ schwer abbaubar (persistent) und toxisch für aquatische Organismen mit einem sehr hohen Bioakkumulations- und Biomagnifikation­spotenzial.[42][27] Die Migration in die Umwelt aus unbeschädigtem geschäumtem Polystyrol ist mengenmäßig gering,[43] Emissionen können bei Brand, Photolyse und Recycling auftreten.

Beständigkeit gegen Chemikalien

Die chemische Beständigkeit von Polystyrol ist temperaturabhängig. Nachfolgend ist eine grobe Charakterisierung der Beständigkeit gegen einige wichtige Klassen von Chemikalien bei Raumtemperatur angegeben:

Stoffklasse Beständigkeit
Aldehyde
aliphatische Alkohole
Ester
Ether
Ketone
Kohlenwasserstoffe aliphatisch
Kohlenwasserstoffe aromatisch
Laugen
Oxidationsmittel
schwache Säuren
starke Säuren
= schlechte bis gar keine Beständigkeit gegen die Stoffklasse (schon einmalige, kurzzeitige Exposition kann das Material schädigen)
= gute bzw. eingeschränkte Beständigkeit gegen die Stoffklasse (Material ist für eine eingeschränkte Zeit beständig und wird u. U. nur reversibel geschädigt)
= gute Beständigkeit gegen die Stoffklasse (auch lange Exposition fügt dem Material keinen Schaden zu)

Wetterfestigkeit

Polystyrol ist zwar beständig gegen Wassereinwirkung, verrottet jedoch wenn es Ultraviolett-Strahlung (Tageslicht, Gasentladungslampen) ausgesetzt ist und nicht durch besondere Ausrüstung geschützt wird. Insbesondere die Schaumstoffe sind nicht UV-stabil.[44] Polystyrol versprödet unter Lichteinwirkung relativ schnell und neigt dann zur Spannungsrissbildung.

Die Photooxidation von Polystyrol tritt bei Wellenlängen von = 253,7 nm auf, wobei die chromophoren Gruppen absorbieren und zahlreiche Zersetzungsprodukte (Hydroperoxide, Hydroxyl- und Carbonylverbindungen, aliphatische und aromatische Ketone, Peroxyester, flüchtige Verbindungen wie Benzaldehyd und Acetophenon) entstehen, Strahlung größer als 300 nm wird nicht absorbiert.[45]

Typen – Herstellung und Verarbeitung

Strukturformel des Monomers Styrol

Polystyrol wird überwiegend durch Suspensions-Polymerisation des Monomers Styrol gewonnen, das außergewöhnliche Polymerisationseigenschaften aufweist. Es kann radikalisch, kationisch, anionisch oder mittels Ziegler-Natta-Katalysatoren polymerisiert werden. Die schwieriger zu kontrollierende Massepolymerisation wird kaum noch angewandt.

Schaumstoffe

Styropor bei 200-facher Vergrößerung

Schaum­polystyrol ist besonders unter dem Handelsnamen Styropor (BASF) bekannt geworden. Erfunden wurde es 1949 von dem BASF-Chemiker Fritz Stastny.

Seit den 1990er-Jahren nimmt der IVH (Industrieverband Hartschaum e. V.) die Rechte am Namen Styropor wahr. Nur die Hersteller von EPS (Expandierter Polystyrol-Hartschaum), die sich den besonderen Qualitätsanforderungen des IVH unterwerfen, dürfen danach ihr Material Styropor nennen.

Charakteristisch für EPS ist der Aufbau aus etwa 2–3 mm großen, zusammengebackenen Schaumkugeln, die z. B. beim Brechen einer Schaumpolystyrolplatte deutlich zu Tage treten.

Je nach Herstellungsart wird zwischen dem normal weißen und eher grobporigen EPS, z. B. Styropor (BASF), und dem feinporigeren XPS (Extrudierter Polystyrol-Hartschaum), z. B. URSA XPS (URSA Deutschland GmbH, Farbe gelb), Styrodur (BASF, Farbe grün), Jackodur (JACKON Insulation, Farbe lila), Austrotherm XPS (Farbe rosa) oder Styrofoam (Dow Chemical, Farbe blau) unterschieden.

XPS wird aufgrund seiner hohen Druckfestigkeit und geringen Wasseraufnahme (geschlossene Porosität) beispielsweise bei der Dämmung von Gebäuden gegen Erdreich (Perimeterdämmung) eingesetzt.

Folien und Platten

Für Verpackungszwecke werden auch transparente Folien aus Polystyrol hergestellt. Folien und Platten werden durch Extrusion hergestellt.

Verwendungen

Verpackung aus EPS
Joghurtbecher

In Deutschland wurden im Jahr 2013 etwa 11,76 Millionen Tonnen Kunststoffe (ohne Klebstoffe, Lacke, Harze, Fasern) verarbeitet, davon entfielen auf Polystyrol/expandiertes Polystyrol PS/PS-E 0,815 Millionen Tonnen.[46] In der Schweiz waren Stand Ende 2014 knapp 500.000 Tonnen EPS und 200.000 Tonnen XPS als Dämmstoff in Gebäuden enthalten.[47]

In der Elektrotechnik wird Polystyrol wegen der guten Isolationseigenschaft verwendet. Es wird zur Herstellung von Schaltern, Spulenkörpern und Gehäusen (High Impact Polystyrene, HIPS) für Elektrogeräte verwendet. Polystyrol wird für Massenartikel (z. B. klassische CD-Verpackung, Videokassette), in der Feinwerktechnik und für Schaugläser verwendet.

Geschäumtes Polystyrol wird als Dämmstoff zur Wärmedämmung von Gebäuden eingesetzt. Die Bauindustrie ist der größte Abnehmer von EPS: Auf sie entfielen im Jahr 2012 mehr als 60 % des weltweiten EPS-Umsatzes, der bis zum Jahr 2020 auf voraussichtlich 15 Mrd. US$ steigen wird.[48]

Als Lebensmittelverpackung, zum Beispiel als Joghurtbecher oder Schaumstoffschale, ist Polystyrol zugelassen, wenn bestimmte Voraussetzungen[49] erfüllt sind.

Geschäumtes Polystyrol wird als schockdämpfendes Verpackungsmaterial und für Feststoffrettungswesten verwendet.

Da Schaumpolystyrol sehr gut mit einer Thermosäge geschnitten werden kann und zugleich sehr preiswert ist, hat es sich als Baumaterial im Modell- und Kulissenbau etabliert.

Polystyrol ist auch einer der Grundstoffe von Napalm-B, welches in Brandbomben Verwendung findet.

Gereckte Polystyrolfolie (Handelsnamen: Styroflex für das Copolymerisat mit Butadien, Trolitul) wird zusammen mit Aluminium- oder Zinnfolie zur Herstellung von verlustarmen und eng tolerierten Kondensatoren verwendet.[50]

Im Flugmodellbau findet das geschäumte Material Verwendung. Modellbauer sowie Städte- und Landschaftsplaner benutzen es für Landschaftselemente, da man es sehr gut bearbeiten kann.

Für ebenerdige und bodenebene Duschelemente wird dieser Werkstoff vor allem aufgrund seiner hohen Druckfestigkeit genommen. Daher ist er auch für rollstuhlbefahrbare Duschelemente einsetzbar.

Die geringe Schwindungs- bzw. Schrumpfungsneigung von Polystyrol während der Fertigung ermöglicht sehr endkonturnahe Bauteile (vgl. Lost-Foam-Verfahren). Des Weiteren können auch für Kunststoffe sehr feine Konturen, Kanten und gerade Flächen hergestellt werden. Diese Eigenschaft ermöglicht die Herstellung von verhältnismäßig passgenauen Bauteilen. So werden z. B. Tonbandkassetten und CD-Hüllen aus transparentem Polystyrol gefertigt.

Polystyrol-Schaumstoff wird auch in Kernwaffen verwendet, dabei dient es zur Aufrechterhaltung des Hohlraums der unterkritischen Massen und zur Verdichtung bei Fusionsbomben.

Infrarot-Transmissionsspektrum von Polystyrol-Folie

In der Infrarotspektroskopie wird Polystyrolfolie als Wellenlängen-Standard verwendet. Eine in die Probenhalterung passende Karte mit einer Folie wird vom Gerätehersteller dem Gerät beigelegt.[51]

Recycling

Polystyrol kann vollständig wiederverwendet werden. 2013 wurden in den USA mehr als 57.700 Tonnen EPS-Abfälle recycelt.[52] Recycling-Code von Polystyrol

Die größten Probleme des EPS-Recyclings sind (laut dieser Quelle[53]):

  • Abfälle von EPS verursachen aufgrund der sehr geringen Schüttdichte von ca. 6,5 kg/m3 enorm hohe spezifische Transportkosten.
  • EPS wird wegen Verschmutzungen und Vermischungen kaum recycelt. EPS-Recyclat kann deshalb in Deutschland nur in geringen Mengen zu Polystyrol-Granulat und in der Folge für hochwertige Spritzgussanwendungen verarbeitet werden. Ein Teil des EPS-Abfalls wird thermisch verwertet.
  • Derzeit werden flammschutzmittelhaltige Schaumstoff-Recyclate zu anderen Produkten weiterverarbeitet. Dadurch sind signifikante Restgehalte an bromierten Flammschutzadditiven auch in sensiblen Anwendungen (Verpackung, Blumentrays etc.) nicht auszuschließen.

Einen Ausweg bietet ein Sammel- und Recyclingverfahren, das das Freising­er Fraunhofer Institut IVV mitentwickelt hat.[54][55] Dabei werden Abfälle von Polystyrol bereits während der Sammlung in einem Lösungsmittel selektiv gelöst (und im Volumen auf 1/50 verringert). Aus der Lösung kann Polystyrol hochrein wiedergewonnen werden.

Abfallproblematik

2006 wurden in den USA 870.000 Tonnen Polystyrol-Teller und -Tassen sowie 590.000 Tonnen aus anderen Produkten auf Deponien abgelagert.[56] Da Polystyrol unter Lichtausschluß biologisch nicht abgebaut wird[57] bleibt es in Deponien erhalten. Außerdem reichert es sich in der Debris von Treibmüll in den Ozeanen an, durch Photolyse und den Wellenschlag zerfällt es dort in kleine Brösel, die von Tieren aufgenommen werden (mehr dazu siehe Müllstrudel). Das in flammgeschütztem EPS enthaltene Hexabromcyclododecan (HBCD), das gemäß der REACH-Verordnung als „sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung“ eingestuft ist[41], wird bei sachgerechter Verwendung nicht in die Umwelt freigesetzt, da es in der Polymermatrix eingebettet ist.[40]

Wird Polystyrol bei Temperaturen im Bereich von 800 bis 900 °C verbrannt, entsteht unter anderem ein Gemisch aus über 90 verschiedenen polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen.[58]

Alternativen

Zwei Absolventen des Rensselaer Polytechnic Institute haben Pilzkulturen dazu gebracht, ein Polystyrol-ähnliches Material zu erzeugen – nach vollständigem Verwachsen des Biomaterials aus Getreideabfällen in einer Form wird dieses abschließend gebacken. Das Ergebnis ist nur wenig schwerer als Polystyrol, dafür stark feuerhemmend und kompostierbar sowie in seinen industriellen Eigenschaften geeignet, insbesondere als Verpackungsmaterial und Dämmmaterial das Polystyrol ohne Umstellungen zu ersetzen. Es wird derzeit von Ecovative unter dem Markennamen MycoBond vermarktet.[59]

Normen

  • DIN EN ISO 1622-1 Kunststoffe – Polystyrol (PS)-Formmassen – Teil 1: Bezeichnungssystem und Basis für Spezifikationen (ISO 1622-1:2012); Deutsche Fassung EN ISO 1622-1:2012.
  • DIN EN ISO 1622-2 Kunststoffe – Polystyrol (PS)-Formmassen – Teil 2: Herstellung von Probekörpern und Bestimmung von Eigenschaften (ISO 1622-2:1995); Deutsche Fassung EN ISO 1622-2:1999.
  • DIN EN ISO 2897-1 Kunststoffe – Schlagzähe Polystyrol (PS-I)-Formmassen – Teil 1: Bezeichnungssystem und Basis für Spezifikationen (ISO 2897-1:1997); Deutsche Fassung EN ISO 2897-1:1999.
  • DIN EN ISO 2897-2 Kunststoffe – Schlagzähe Polystyrol (PS-I)-Formmassen – Teil 2: Herstellung von Probekörpern und Bestimmung von Eigenschaften (ISO 2897-2:2003); Deutsche Fassung EN ISO 2897-2:2003.
  • EN 13163 Wärmedämmstoffe für Gebäude - Werkmäßig hergestellte Produkte aus expandiertem Polystyrol (EPS) - Spezifikation
  • EN 13164 Wärmedämmstoffe für Gebäude - Werkmäßig hergestellte Produkte aus extrudiertem Polystyrolschaum (XPS) - Spezifikation

Sonstige Regelwerke

  • BfR-Empfehlungen zu Materialien für den Lebensmittelkontakt – Polystyrol, das ausschließlich durch Polymerisation von Styrol gewonnen wird; Stand vom 1. Januar 2010.[60]
  • BfR-Empfehlungen zu Materialien für den Lebensmittelkontakt – Styrol-Misch- und Pfropfpolymerisate und Mischungen von Polystyrol mit Polymerisaten; Stand vom 1. Januar 2010.[61]

Literatur

  • Handbuch der Elaste und Plaste, Chemische Werke Buna 1967
  • Hermann Gausepohl, Roland Gellert (Herausgeber), Dietmar Bender:Polystyrol, Becker/Braun Kunststoffhandbuch 4, Hanser Verlag, ISBN 3-446-18004-4,
Commons: Polystyrol – Sammlung von Bildern

Einzelnachweise

  1. ↑ a b c Datenblatt Polystyrol (PS) aus Werkstoffdatenbank RIWETA 4.1, abgerufen am 31. Oktober 2015.
  2. ↑ Dieser Stoff wurde in Bezug auf seine Gefährlichkeit entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
  3. ↑ E. Simon: Über den flüssigen Storax (Styryx liquidus), in Liebigs Annalen der Chemie Band 31 (1839), S. 265, doi:10.1002/jlac.18390310306; zitiert in Kunststoff-Handbuch Band V Polystyrol, S. 87 (1969).
  4. ↑ J. Blyth, A. W. Hofmann: Über das Styrol und einige seiner Zersetzungsprodukte, in Liebigs Annalen der Chemie Band 53 (1845), S. 289, zitiert in Kunststoff-Handbuch Band V Polystyrol, S. 87 (1969).
  5. ↑ A. Kronstein in Chemische Berichte Band 35 (1902) S. 4153, zitiert in Kunststoff-Handbuch Band V Polystyrol, S. 88 (1969).
  6. ↑ Wolfgang Glenz: Polystyrol (PS), in Kunststoffe 10/2004, S. 72.
  7. ↑ Wolfgang Glenz: Polystyrol (PS), in Kunststoffe 10/2007, S. 70.
  8. ↑ Universität Bayreuth: Skript zum Praktikum Makromolekulare Chemie WS 06/07, Versuch: Koordinative Polymerisation.
  9. ↑ Homopolymere.
  10. ↑ Sto-Polystyrol Dämmplatten (PDF; 332 kB).
  11. ↑ Brandverhalten von Wänden mit Zusatzdämmung aus Polystyrol-Hartschaum (AMz-Bericht 3/1997) bei thermopor.de
  12. ↑ J. M. Davies: Lightweight Sandwich Construction, Blackwell Wissenschafts-Verlag GmbH, Berlin, 2001, ISBN 0-632-04027-0, S. 35.
  13. ↑ Chronologie: Die Brandkatastrophe am Düsseldorfer Flughafen. Der Spiegel, 15. Dezember 1999.
  14. ↑ Abschließender Bericht über den Brandhergang Düsseldorf, Brand im Terminal des Flughafens Düsseldorf, Deutschland, 11. April 1996, National Fire Protection Association, deutsch, teilweise einsehbar bei Google-Books (PDF; 64 kB).
  15. ↑ a b Weltweites „Aus“ für Flammschutzmittel HBCD, Umweltbundesamt, Presse-Information 23/2013.
  16. ↑ Bromierte Flammschutzmittel – Schutzengel mit schlechten Eigenschaften?, Presse-Hintergrundpapiere, Umweltbundesamt, April 2008, pdf-Datei.
  17. ↑ Recycling von EPS-Abfall zu re-expandierbarem Polystyrol
  18. ↑ Udo Knauf, Wolfgang Albrecht, Andreas Mäurer: EPS-Loop: Recycling von EPS-Abfällen zu reexpandierbarem Polystyrol: Schlussbericht; Projektlaufzeit: 1. August 2003 – 31. Juli 2005, Fraunhofer Inst. Verfahrenstechnik u. Verpackung, 2005
  19. ↑ Qualitäts-Richtlinien für Fassaden-Dämmplatten aus EPS-Hartschaum bei Wärmedämm-Verbundsystemen (WDVS) (PDF; 91 kB).
  20. ↑ Bauphysikkalender 2011 – Brandschutz, Verlag Wilhelm Ernst & Söhne, ISBN 978-3-433-02965-7, Brandsicheres Bauen mit Kunststoffen am Beispiel von Wärmedämm-Verbundsystemen mit Polystyrol-Hartschaum, S. 65–84.
  21. ↑ Brandgefährlich: Wärmedämmung aus Polystyrol. In: NDR.de. 26. November 2012, abgerufen am 21. Januar 2013.
  22. ↑ NDR Sendung: Wahnsinn Wärmedämmung – komplett (YouTube – 45 Min – Wahnsinn Wärmedämmung Sendedatum/Erstausstrahlung 28. November 2011).
  23. ↑ Website des DiBt, Rubrik Geschichte.
  24. ↑ Stellungnahme des DIBt zum SPIEGEL-Online-Artikel „Styropor-Platten in Fassaden – Wärmedämmung kann Hausbrände verschlimmern“ und zum Beitrag des NDR in der Sendung 45 Minuten am 28. November 2011, PDF
  25. ↑ Stellungnahme des Deutschen Instituts für Bautechnik zum Brandschutz (PDF; 20 kB).
  26. ↑ Stellungnahme der Deutschen Energie-Agentur zum Brandschutz.
  27. ↑ a b c Güven Purtul, Christian Kossin: Wärmedämmung – Der Wahnsinn geht weiter. NDR-Reportage, Sendereihe 45 Min, Teil II, Erstausstrahlung am 26. November 2012, 21:00 Uhr.
  28. ↑ BGH, Urteil vom 14. Mai 1998, Az. VII ZR 184/97, Volltext = BGHZ 139, 16.
  29. ↑ Güven Purtul: Wärmedämmung: Schärfere Brandschutzregeln für Styropor gescheitert. In: Spiegel Online. 26. November 2012, abgerufen am 21. Januar 2013.
  30. ↑ a b Stellungnahme des Industrieverbands Hartschaum und des Fachverbands Wärmedämm-Verbundsysteme zur Darstellung des Brandverhaltens von WDVS in den Medien, erarbeitet vom Arbeitskreis Brandschutz des Fachverbandes WDVS unter Mitwirkung von Dipl.-Physiker I. Kotthoff (IBF), Dezember 2011, PDF.
  31. ↑ Ingolf Kotthoff: Leitfaden Brandriegel (PDF; 881 kB).
  32. ↑ Stellungnahme des DIBt zum SPIEGEL-Online-Artikel „Styropor-Platten in Fassaden – Wärmedämmung kann Hausbrände verschlimmern“ und zum Beitrag des NDR in der Sendung „45 Minuten“ am 28. November 2011 (PDF; 30 kB), zuletzt abgerufen Januar 2013.
  33. ↑ Dämmstoffprüfung auf Brandgefahr, Kleine Anfrage der Abgeordneten Michael Groß, Sören Bartol, Uwe Beckmeyer, Martin Burkert, Petra Ernstberger, Iris Gleicke, Ulrike Gottschalck, Hans-Joachim Hacker, Gustav Herzog, Ute Kumpf, Kirsten Lühmann, Thomas Oppermann, Florian Pronold, Dr. Frank-Walter Steinmeier und der Fraktion der SPD (PDF).
  34. ↑ Dämmstoffprüfung auf Brandgefahr, Antwort der Bundesregierung auf die Kleine Anfrage der Abgeordneten Michael Groß, Sören Bartol, Uwe Beckmeyer, weiterer Abgeordneter und der Fraktion der SPD – Drucksache 17/8197 – (PDF; 85 kB).
  35. ↑ Recycling von EPS-Abfall zu re-expandierbarem Polystyrol
  36. ↑ Udo Knauf, Wolfgang Albrecht, Andreas Mäurer: EPS-Loop: Recycling von EPS-Abfällen zu reexpandierbarem Polystyrol: Schlussbericht; Projektlaufzeit: 1. August 2003 – 31. Juli 2005, Fraunhofer Inst. Verfahrenstechnik u. Verpackung, 2005
  37. ↑ Max Müller: Zum Stofftransport schwer flüchtiger Additive in Polymerbeschichtungen. Untersuchungen mit Hilfe der konvokalen Mikro-Raman-Spektroskopie. scientific Publishing, Karlsruhe 2012, ISBN 978-3-86644-997-8 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  38. ↑ Andrei P. Sommer, Mike Kh. Haddad, Hans-Joerg Fecht: It is Time for a Change: Petri Dishes Weaken Cells. In: Journal of Bionic Engineering. 9, 2012, S. 353–357, doi:10.1016/S1672-6529(11)60125-X.
  39. ↑ Andrei P. Sommer, Dan Zhu, Friedrich Gagsteiger and Hans-Jörg Fecht: Sperm Performance Better on Diamond than on Polystyrene (Abstract). In: MRS Online Proceedings Library, Vol. 1511, 2013. Materials Research Society 2013, 2013, abgerufen am 25. Februar 2013.
  40. ↑ a b Sto-Polystyrol Dämmplatten (PDF; 71 kB), Version aus dem Internet-Archive vom 26. November 2014.
  41. ↑ a b Berichtigung der Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 des Europäischen Parlaments und des Rates über die Einstufung, Kennzeichnung und Verpackung von Stoffen und Gemischen. (PDF, 780 KB) In: Amtsblatt der Europäischen Union. 16. Dezember 2008, abgerufen am 21. Januar 2013.
  42. ↑ Hexabromcyclododecan in der Umweltprobenbank des Bundes
  43. ↑ Sabine Kemmlein, Oliver Hahn, Oliver Jann (BAM): Emissionen von Flammschutzmitteln aus Bauprodukten und Konsumgütern, Umweltforschungsplan, Forschungsbericht 299 65 321, UBA-FB 000475. (PDF, 3,97 MB) Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, September 2003, abgerufen am 21. Januar 2013.
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  48. ↑ Marktstudie Expandierbares Polystyrol. Ceresana.
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  51. ↑ Helmut Günzler, Harald Böck: IR-Spektroskopie – Eine Einführung (VCH-Taschentext 193), S. 104.
  52. ↑ EPS Industry Alliance: 2013 EPS Recycling Rate Report (PDF; 1.697 kB)
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  60. ↑ BfR-Empfehlungen – Polystyrol, das ausschließlich durch Polymerisation von Styrol gewonnen wird (PDF; 47 kB).
  61. ↑ BfR-Empfehlungen – Styrol-Misch- und Pfropfpolymerisate und Mischungen von Polystyrol mit Polymerisaten (PDF; 62 kB).
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