Kunststoff

Kallotenmodell des Polypropylens. Kohlenstoff blau - Wasserstoff grau.

Als Kunststoff bezeichnet man einen Stoff, dessen Grundbestandteil synthetisch oder halbsynthetisch erzeugte Polymere mit organischen Gruppen ist.

Ein Werkstück aus Kunststoff besteht aus Millionen sehr langer ineinander verwobener Molekülketten (Polymeren), die sich aus stets wiederholenden Grundeinheiten (Monomeren) zusammensetzen. Beispielsweise besteht der Kunststoff Polypropylen aus sich vielfach wiederholenden Propyleneinheiten (siehe Bild rechts.)

Ein herausragendes Merkmal von Kunststoffen ist, dass sich ihre technischen Eigenschaften, wie Formbarkeit, Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit, Temperatur-, Wärmeformbeständigkeit und chemische Beständigkeit durch die Auswahl von Ausgangsmaterial, Herstellungsverfahren und Beimischung von Additiven in weiten Grenzen variieren lassen. Solche mit Zuschlagsstoffen versehene Formmassen werden nach DIN EN ISO 1043 (Thermoplaste) und nach DIN 7708 (Duroplaste) gekennzeichnet. Kunststoffe werden zu Formteilen, Halbzeugen, Fasern oder Folien weiterverarbeitet.

Halbsynthetische Kunststoffe entstehen durch die Verarbeitung natürlicher Polymere (zum Beispiel Zellulose zu Zelluloid). Synthetische Kunststoffe werden durch Polymerisation (Polyaddition, Polykondensation usw.) aus einem Monomer erzeugt. Rohstoff ist meist gecracktes Naphtha.

Umgangssprachlich und abwertend wird Kunststoff auch mit dem Anglizismus Plastik oder Plaste bezeichnet, selbst wenn das Material eigentlich elastisch ist. In der Wissenschaft wird der Begriff Kunststoff bevorzugt.

Zelluloid - hier ein verwitterter Filmstreifen - gilt als das erste Thermoplast

Einteilung

Kunststoffe lassen sich in drei Hauptgruppen aufteilen:

Thermoplaste

Datei:Plastiktueten.jpg

Plastiktüten, ein typisches Produkt aus Polypropylen oder Polyethylen

Thermoplaste sind Kunststoffe, die aus langen, linearen Molekülen bestehen. Durch Energiezufuhr werden diese Materialien formbar bis plastisch und schmelzen schließlich. Sie können mit verschiedenen Ur- und Umformverfahren in die gewünschte Form gebracht werden. Nachdem das jeweilige Teil abgekühlt ist, behält es seine Form bei. Dieser Prozess ist reversibel (frz. umkehrbar).

Die meisten der heute verwendeten Kunststoffe fallen unter diese Gruppe. Für einfache Konsumwaren, Verpackungen etc. werden sie ebenso häufig eingesetzt, wie für technische Teile in der Automobil- und Elektroindutrie oder in der Bauindustrie, insbesondere für Dachbahnen, Fensterprofile und Rohre.

Um neue bisher noch nicht vorhandene Eigenschaften zu erzeugen, können auch zwei oder mehrere Thermoplaste vermischt werden (Polyblend).

Duroplaste

Duroplaste sind Kunststoffe, die bei der Verarbeitung räumlich eng vernetzen. Diese Vernetzung erfolgt chemisch zwischen den Molekülen der Ausgangsmaterialien und ist nicht umkehrbar. Sobald ein derartiges Material vernetzt ist, kann es nur noch mechanisch bearbeitet werden. Duroplaste sind meistens hart und spröde.

Unter Hitzeeinwirkung werden Duroplaste nicht weich. Deshalb werden sie häufig für Elektroinstallationen verwendet. Einer der verbreitetsten und ältesten Kunststoffe dieser Klasse ist Bakelit. In diese Gruppe fallen auch Polyester- (PES), Polyurethanharze für Lacke und Oberflächenbeschichtungen und praktisch alle Kunstharze wie beispielsweise Epoxide.

Elastomere

Zu den Elastomeren gehören alle Arten von vernetztem Kautschuk. Die Vernetzung erfolgt beispielsweise durch Vulkanisation mit Schwefel, mittels Peroxiden, Metalloxiden oder Bestrahlung.

Die Elastomere sind weitmaschig vernetzt und daher flexibel. Sie werden beim Erwärmen nicht weich und sind in den meisten Lösemitteln nicht löslich. Daher werden sie für Hygieneartikel oder Chemikalienhandschuhe verwendet. Die Gummimischung von Autoreifen ist ebenfalls ein Elastomer, das ihre Eigenschaften durch Vulkanisation erhält.

Beispiele für Elastomere sind Naturkautschuk (NR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Chloropren-Kautschuk (CR), Butadien-Kautschuk (BR) und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM).

Eigenschaften

Kunststoffe zeichnen sich, verglichen mit keramischen oder metallischen Werkstoffen, durch eine Reihe von ungewöhnlichen Eigenschaften aus:

Chemische Beständigkeit

Kunststoffe sind, im Gegensatz zu Metallen, aufgrund ihrer organischen Natur beständig gegenüber anorganischen Medien. Dies schließt Mineralsäuren, Laugen, sowie wässrige Salzlösungen ein. Daher bevorzugt man zur Herstellung von pflegeleichten Haus- und Elektrogeräten, Fahrzeugausstattungen, Spielzeugen usw. Werkstoffe aus Kunststoff.

Im Gegensatz zu Metallen reagieren sie allerdings empfindlich auf organische Lösungsmittel, wie Alkoholen, Aceton, Benzin. Dennoch gelang es auch auf diesem Gebiet, beständige Kunststoffe zu entwickeln. Ein Beispiel ist der Autotank aus Polyethylen im VW Polo. Er ist überaus beständig gegenüber Korrosion und trotzdem unempfindlich gegenüber dem Benzin.

BMW H2R mit Außenhaut aus carbonfaserverstärktem Kunststoff.

Dichte und Festigkeit

Die Dichte der meisten Kunststoffe liegt zwischen 800 und 2200 kg/m³. Sie sind damit erheblich leichter als Metalle oder keramische Werkstoffe.

In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften sind Kunststoffe anderen Werkstoffklassen häufig unterlegen. Ihre Festigkeit und Steifigkeit erreicht meist nicht die von Metallen oder Keramiken. Wegen der geringen Dichte kann dies jedoch teilweise mit konstruktiven Mitteln (höhere Wandstärken) oder dem Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen kompensiert werden. Ein Beispiel ist der Einsatz von Kevlar in Flugzeugtragflächen.

Obwohl die Festigkeiten vergleichsweise niedrig sind, brechen Kunststoffteile weniger leicht, als beispielsweise Keramik oder Glas. Sie weisen zumeist eine gute Zähigkeit auf. Deshalb werden beispielsweise Gebrauchsgegenstände für Kinder und Spielzeug vielfach aus Kunststoff gefertigt.

Niedrige Verarbeitungstemperaturen

Die gängigen Verarbeitungstemperaturen für Kunststoffe liegen im Bereich von 250 bis 300 °C. Während Metalle bei hohen Temperaturen aufwändig gegossen werden müssen und Einschränkungen bezüglich der Gussformen bestehen, lassen sich aus Thermoplasten auch kompliziertere Formteile mit vergleichsweise geringem Aufwand fertigen. Gleichzeitig können in einem Verarbeitungsschritt weitere Füllstoffe, wie Farbpigmente oder Fasern in das Material eingearbeitet werden, die sich bei den hohen Temperaturen des Metallgiessens oder des Sinterns von Keramik zersetzen würden.

Niedrige Leitfähigkeiten

Die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen liegt deutlich unter der von Metallen. Daher werden viele Kunststoffe, vor allem Schaumstoffe, als Dämmstoffe eingesetzt.

Die elektrische Leitfähigkeit von Kunststoffen ist um 15 Größenordnungen geringer als die von Metallen. Daher werden viele Kunststoffe zur Isolierung von elektrischen Leitungen und Kabeln eingesetzt.

Herstellung

siehe auch Hauptartikel Polymerisation

Kunststoffe werden generell durch schrittweises Aneinanderfügen von Monomeren zu langen Ketten –  den Polymeren  – hergestellt, wobei grundsätzlich zwischen Kettenpolymerisation (auch Kettenreaktion) und Stufenpolymerisation (auch Stufenreaktion) unterschieden wird.

Kettenpolymerisationen

Bei einer Kettenpolymerisation beginnt das Wachstum mit einem Molekül, an das sukzessive weitere Monomere addiert werden. Das die Polymerisation startende Molekül, nennt man Initiator, das auf diesen aufwachsende, heißt Monomer. Die Zahl der Monomere aus denen das Polymer letztendlich besteht ist der Polymerisationsgrad. Der Polymerisationsgrad kann durch das Verhältnis von Monomer zu Initiator eingestellt werden. Mathematisch wird der durch die Mayo-Gleichung abgeschätzt.

radikalische Polymerisation

Datei:Ticona.JPG

Polymerisation im Chemieunternehmen Ticona in Kelsterbach bei Frankfurt

Bei der radikalischen Polymerisation werden die Wachstumsreaktionen durch Radikale initiiert und fortgepflanzt. Sie ist verglichen mit anderen Kettenreaktionen, unempfindlich, leicht zu kontrollieren und liefert schon bei recht kleinen Umsätzen hohe Polymerisationsgrade. Sie wird daher vor allem bei der Herstellung von billigen Kunststoffen, wie LD-PE, PS oder PVC eingesetzt.

Technisch läßt sich dies im wesentlichen auf vier Arten durchführen:

• in Substanz: Monomer und Initiator werden direkt vermischt und zur Reaktion gebracht, z.B.: bei der Herstellung von Plexiglas
• in Lösung: Monomer und Initiator werden in einem Lösungsmittel zur polymerisiert. Dies hat den Vorteil einer höheren Reaktionskontrolle, da so die bei dem Prozess entstehende Wärme direkt abgeführt werden kann, Nachteil sind u. U. auftretende Nebenreaktionen mit dem Lösungsmittel (Kettenübertragung). Polyvinylacetat und Polyacrylnitril werden auf diese Weise hergestellt.
• Suspensionspolymerisation: Das Monomer wird durch Rühren und Stabilisatoren in Wasser suspendiert. Die Polymerisation findet dann in den so entstehenden Micellen satt.
• Gasphasenpolymerisation: Die Reaktion findet in der Gasphase in einem Wirbelbettreaktor statt.

Eine Gefahr bei diesem Verfahren stellt die freiwerdende Polymerisationswärme dar. Die radikalische Polymerisation ist exotherm, das heißt es wird Wärme frei. Diese Wärme erzeugt, wenn sie nicht abgeführt wird, weitere Radikale, so dass sich die Reaktion selbst beschleunigen kann. Im Extremfall kann eine solche "Selbstbeschleunigung" zur Überlastung des Reaktormatrials und damit zu einer thermischen Explosion führen.

Ionische Polymerisation

Bei ionischen Polymerisationen werden die Wachstumsreaktionen durch ionische Spezies initiiert und fortgepflanzt. Die wachsenden Ketten sind langlebiger (mehrere Stunden bis Tage) als ihre radikalischen Analoga (Lebensdauer etwa 10^-3s), man spricht in diesem Zusammenhang auch von sogenannten lebenden Polymeren. Daher kann man nach Abschluß einer Polymerisation auf die noch lebenden, das heißt zur Polymerisation befähigten Ketten, ein weiteres Monomer aufgeben und so ein erneutes Wachstum fortführen .

Polymere, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Monomertypen bestehen, nennt man Copolymere. Findet man in einem Copolymeren lange Blöcke des einen Monomers, gefolgt von Blöcken des anderen, spricht man von Blockcopolymeren. Für eben solche speziellen Anwendungen wird die ionische Polymerisation angewandt. Ein Beispiel sind die synthetischen Gummis Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), die bei der Herstellung von Autoreifen Verwendung finden. Nachteil dieses Verfahrens ist seine hohe Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen, Wasser und Sauerstoff. Es ist daher aufwendiger und kostenintensiver als die radikalische Polymerisation.

Metallorganische Katalysatoren

Diese Polymerisationen finden in Gegenwart von Katalysatoren statt. Beim Katalysator handelt es sich um einen Metallkomplex (Verbindung aus einem Metallatom, umgeben von weiteren Spezies), der in der Lage ist die wachsende Kette zu binden. Die Addition weiterer Monomere geschieht durch Einschub (Insertion) des Monomers zwischen wachsende Kette und Katalysatorspezies. Resultat ist ein höherer Ordnungsgrad der entstehenden Polymere (s. Taktizität), sowie eine geringerer Verzweigungsgrad. Aufgrund dieser reguläreren Struktur erfolgt auch die Packung der einzelnen Ketten im Festkörper effizienter, der Kunststoff wird dichter. Der zur Zeit industriell wichtigste Katalysator ist der Ziegler-Natta-Katalysator. Eine Rolle spielt dies zum Beispiel bei der Herstellung von Polyethylen.

Bei Low-Density-Polyethylen (LD-PE) handelt es sich um in der Gasphase polymerisiertes Ethen, mit geringem Ordnungsgrad, vielen Seitenverzweigungen und geringer Dichte. Diesen Kunststoff findet man vor allem als transparente oder auch gefärbte Verpackungsfolie von Getränkeflaschen, Büchern, CDs, etc.

High-Density-Polyethylen wird mit einem metallorganischen Katalysator im Ziegler-Natta-Verfahren hergestellt, es resultiert ein Polymeres mit hohem Ordnungsgrad, wenigen Verzweigungen und hoher Dichte. Dieser Kunststoff findet beispielsweise Verwendung als Material für Autotanks, Benzinkanister, etc.

Stufenpolymerisationen

Darstellung eines Nylon-6,6-Fadens

Im Gegensatz zu Kettenpolymerisationen erfolgt in Stufenpolymerisationen die Bildung der Polymere, nicht durch Initiation einer wachsenden Kette, die weiter sukzessive Monomer addiert, sondern durch direkte Reaktion der Monomere untereinander. Diese Reaktion kann unter Freisetzung eines Nebenprodukts, wie Wasser (Polykondensation) oder durch einfache Addition der Monomere zu einer neuen Spezies (Polyaddition) erfolgen.

Polykondensation

Bei Polykondensationen erfolgt die Bildung der linearen Kette durch intermolekulare Reaktion bifunktioneller Polymerer.

Beispiel Polyamide:

Carbonsäuren reagieren mit Aminen zu Amiden. Setzt man Moleküle ein, die zwei Carbonsäuregruppen tragen, kann eines dieser Moleküle mit zwei Aminen reagieren. Es entsteht so ein Polymer aus drei Monomeren (eine Carbonsäureeinheit, zwei Amine). Tragen die eingesetzten Amine auch wieder zwei Amingruppen, kann die zuvor entstandene Spezies wiederrum mit zwei Carbonsäuremolekülen reagieren usw.

Durch Reaktion von Dicarbonsäuren mit Diolen (Dialkohol) werden Polyester hergestellt. Unter den wichtigsten durch Polykondensation hergestellten Kunststoffen sind Polyethylenterephthalat (PET), ein Polyester, Nylon, ein Polyamid und Bakelit, ein Duroplast.

Polyaddition

Bei Polyadditionen erfolgt die Bildung des Polymers durch Addition der einzelnen Monomere untereinander.

Beispiel Polyurethane:

Schwamm aus Polyurethan.

Isocyanate reagieren mit Alkoholen in einer Additionsreaktion zu sogenannten Urethanen. Auch hier gilt, setzt man bifunktionelle Monomere ein, erfolgt die Bildung langer linearer Ketten. Auf diese Weise hergestelltes Polyurethan wird für Amaturenbretter, Lacke, Klebstoffe, etc. verwendet. Setzt man der Polymerisationsmischung Wasser zu, reagiert dieses mit den Isocyanaten zu Aminen und Kohlenstoffdioxid. Das in der Mischung freiwerdende CO₂ wird in Form von Bläschen in den Kunststoff eingeschlossen, so dass man einen Schaumstoff erhält. Polyurethanschaumstoff wird für Matrazen, Sitzmöbel, Schwämme, etc. verwendet.

Verarbeitung

• Extrudieren
• Spritzgießen
• Kalandrieren
• Schäumen

Wichtige Massenkunststoffe

Etwa 90% der weltweiten Produktion entfallen in der Reihenfolge ihres Anteils auf die folgenden sechs Kunststoffe:

Name	Kürzel	Art
1. Polyethylen	PE	Polymer
2. Polypropylen	PP	Polymer
3. Polyvinylchlorid	PVC	Polymer
4. Polystyrol	PS	Polymer
5. Polyurethan	PUR	Polyaddukt
6. Polyethylenterephthalat	PET	Polykondensat

Weitere sind in der Liste der Kunststoffe aufgeführt.

Entwicklungsgeschichte der Kunststoffe

Anfänge

Biopolymere und natürlich vorkommende Polymere werden von Menschen schon seit Urzeiten verwendet. Holz dient dem Menschen als Baumaterial und Wolle als Bekleidung. In Arabien wurden Wasserbecken und Kanäle mit natürlichem Asphalt abgedichtet. Ebenso wurden dort bestimmte Baumharze als Gummi Arabicum eingesetzt und nach Europa exportiert. Aus Osteuropa ist Bernstein als fossiles Harz für die Verwendung bei Pfeilspitzen und Schmuckgegenständen bekannt. Im Mittelalter wurde Tierhorn durch bestimmte Verfahrensschritte in einen plastisch verformbaren Stoff verwandelt. Bereits um 1530 wurde im Hause der Fugger nach einem Rezept des Benediktinermönches Bartholomäus Schobinger, der das Casein entdeckt hatte, durchsichtiges Kunsthorn aus Ziegenkäse gefertigt und vertrieben.

Entwicklung einer Kunststoffindustrie

Das „Ernten“ von Kautschuk

Im 17. und 18. Jahrhundert brachten Naturforscher aus Malaysia und Brasilien aus milchigen Baumsäften gewonnene elastische Massen mit. Hierfür wurde in Deutschland der Begriff Gummi eingeführt. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelte sich eine rasch wachsende Gummi-Industrie. Victor Regnault entdeckte das Vinylchlorid, aus dem sich Polyvinylchlorid herstellen ließ. Der Erfinder Charles Goodyear stellte 1839 fest, dass sich Gummi durch Zusatz von Schwefel und durch Vulkanisation in einen guten Reifenwerkstoff verwandeln lässt. Ebenso entdeckte er Hartgummi, eine bei Wärme verformbare aber bei Raumtemperatur harte Masse, welche anfangs Ebonit genannt wurde. Daraus wurden zum Beispiel Schmuckstücke, Füllfederhalter, Teile von Musikinstrumenten und Telefonen gemacht. Dieser erste Duroplast startete die Entwicklung der Kunststoffe als Werkstoff im Umfeld des Menschen.

Später wurde in England Cellulosenitrat zur Imprägnierung von Textilien und in den USA Schellack entwickelt. Im Jahre 1869 erfand John Wesley Hyatt das Celluloid und 3 Jahre später die erste Spritzgussmaschine. Der Werkstoff Galalith (aus Casein) wurde 1897 erfunden, und ähnelt stark dem tierischen Horn oder Elfenbein. Man fertigte daraus zum Beispiel Knöpfe, Anstecknadeln, Gehäuse für Radios, Zigarettendosen, Spielzeuge, Griffe für Regenschirme und vieles mehr in den verschiedensten Farben. Der Kunststoffverbrauch lag im Jahre 1930 schon bei ca. 10.000 t. Adolf von Baeyer beschrieb 1872 die Polykondensation von Phenol und Formaldehyd.

Volksempfänger mit Bakelit-Gehäuse.

Das von Otto Röhm 1928 angemeldete Patent zu Polymethylmethacrylat (PMMA - besser bekannt unter dem Handelsnamen „Plexiglas“) startete eine Ära, die bis heute anhält. Der belgische Chemiker Leo Hendrik Baekeland entwickelt zu Beginn des 20. Jahrhunderts – nach der oben beschriebenen Arbeit von Adolf von Baeyer – ein Verfahren zur Herstellung und Weiterverarbeitung eines Phenolharzes. Dieser, von ihm Bakelite getaufte Kunststoff war der erste in großen Mengen industriell hergestellte synthetische Duroplast. Durch die guten elektrischen Eigenschaften wird es u. a. in der aufstrebenden Elektroindustrie eingesetzt.

Der Münchner Chemiker Dr. Ernst Richard Escales gab 1910 der Werkstoffgruppe den Namen „Kunststoffe“. Die von ihm gegründete gleichnamige Zeitschrift erschien erstmals 1911. 1912 entwickelte Fritz Klatte ein industrielles Verfahren zur Herstellung von Polyvinylchlorid (PVC), das bereits 1838 erstmals von dem französichen Physiker Henri Victor Regnault erzeugt wurde. .

1930 wurde in Ludwigshafen die „PS“-Produktion begonnen und 1931 bei ICI in Großbritannien erstmals Polyethylen hergestellt. In Ludwigshafen begann 1934 die Herstellung von Epoxidharzen von Paul Schlack. 1935 wurde gleichzeitig von Henkel (Mainkur) und Ciba (Schweiz) die Entwicklung von Melamin-Formaldehydharz und von DuPont die Entwicklung von Polyamid 6 (Nylon) beschrieben. Das von Paul Schlack 1937 hergestellte Polyamid 6 auf Basis von Caprolactam wurde Perlon getauft. Etwa zeitgleich begannen die Buna-Werke der I.G. Farben mit der Fertigung von Buna S und Buna N als synthetischem Gummi-Ersatz. Otto Bayer entwickelte in diesem Jahr Polyurethan in Ludwigshafen. Bei DuPont wurde 1938 der Kunststoff Polytetrafluorethylen (Teflon) entwickelt. 1939 folgten bei ICI Low-Density Polyethylen (PE-LD). Der Werkstoff Polyethylenterephthalat (PET) wurde von J. R. Whinfielt und J. T. Dickson bei Calico Printers im Jahre 1941 erfunden. 1942 entdeckte Harry Coover (USA) bei Eastman Kodak den „Sekundenkleber“ Methylcyanoacrylat.

Im Zeitraum von 1910 bis 1950 wurde Kunststoff von einem Ersatzstoff mit besonderer Bedeutung zu einem Werkstoff für die industrielle Massenfertigung. Die Weltproduktion überschritt 1949 die Grenze von 1 Mio. t.

Die Thermoplaste setzten sich von 1950 bis 1980 durch. In diesen Jahren wurden Werkstoffe wie PS, PE-HD, PP, PC, FEP, PVF, PES, PSU, PPE, PPO und andere entwickelt, für die 1976 die Weltproduktion bereits bei 50 Mio. t lag.

1971 folgten LCP und PPS sowie im Jahre 1972 PBT. 2003 erreichte die Weltproduktion rund 200 Mio. t. Hierbei ging der Anteil der Duroplaste stetig zurück und lag im Jahre 2000 nur noch bei 15 %. Der Pro Kopf-Verbrauch an Kunststoffen im Jahr 2000 bei 92 kg in West-Europa, 13 kg in Ost-Europa, 130 kg in NAFTA, 19 kg in Lateinamerika, 86 kg in Japan, 13 kg in Südost-Asien und im Mittleren Osten/Afrika bei 8 kg.

Die Kunststoffindustrie ist bis heute eine Wachstumsbranche, wobei die Herstellkapazitäten in Asien etwa im Jahre 2006-2008 die führenden und etwa gleichstarken Regionen Europa und Nord-/Südamerika überholen werden.

Entwicklung einer Polymerwissenschaft

Bis Ende des 19. Jahrhunderts war wenig über die genauen Strukuren polymerer Materialien bekannt. Man wusste lediglich aus Dampfdruck- und Osmosemessungen, dass es sich um sehr große Moleküle, mit hoher Molmasse handeln müßte. Fälschlicherweise war man jedoch der Meinung, dass es sich um kolloidale Verbindungen handelte. Röntgenmessungen von Kurt H. Meyer und Hermann F. Mark an kristallinem Kautschuk im Jahre 1928 sollten Klarheit verschaffen. Kristalline Feststoffe bestehen häufig aus mehreren über Korngrenzen verbundenen kleineren Kristalliten. Wie man heute weiß, liegen in kristallinen Polymeren die Ketten gleichzeitig in mehreren Kristalliten. Da dies zu diesem Zeitpunkt unbekannt war, interpretierte man die Ergebnisse der Röntgenstrukturanalyse völlig falsch. Man glaubte, dass Moleküllängen nicht größer als die Länge der Kristallite sein könnten und ermittelte so falsche, viel zu kleine Größenordnungen für Polymermolküle. Arbeiten zur Verbesserung der Analysemethoden von Biomolekülen von The Svedberg (Nobelpreis 1926) halfen jedoch genauere Ergebnisse zu erhalten.

Als Vater der Polymerwissenschaften gilt der deutsche Chemiker Hermann Staudinger. Bereits 1917 äußerte er vor der Schweizerischen Chemischen Gesellschaft, dass "hochmolekulare Verbindungen" aus kovalent gebundenen langkettigen Molekülen bestehen. 1920 veröffentliche er in den Berichten der Deutschen Chemischen Gesellschaft einen Artikel, der als Begründung der modernen Polymerwissenschaften gilt. Vor allem in den Jahren von 1924 - 1928, folgten weitere wichtige Theorien über den Aufbau von Kunststoffen, die die Grundlage für das heutige Verständnis dieser Werkstoffklasse bilden. Für diese Arbeiten erhielt er 1953 den Nobelpreis.

Anfang der 1950er Jahre entdeckte der deutsche Chemikers Karl Ziegler, dass Katalysatoren aus Aluminiumalkylen und Titantetrachlorid die Polymerisation von Ethen zu Polyethylen schon bei Raumtemperatur erlauben . Bisher musste Polyethylen unter hohem Druck in Stahlautoklaven polymerisiert werden. Die nach Ziegler hergestellten Polymere zeigten auch bezüglich ihrer Kettenstruktur einen wesentlich höheren Ordnungsgrad und völlig andere Materialeigenschaften (s. hier). Der italienische Chemiker Giulio Natta forschte, basierend auf den Arbeiten von Ziegler, erfolgreich an einem ähnlichen Verfahren zur Herstellung von Polypropylen. Heute sind die so hergestellten Polyethylene (PE) und Polypropylen (PP), neben Polystyrol (PS), die am häufigsten als Verpackungsmaterialien von Lebensmitteln, Shampoos, Kosmetika, etc verwendeten Kunststoffe. Ziegler und Natta erhielten im Jahre 1963 für ihre Arbeiten den Nobelpreis für Chemie. Den Arbeiten von Paul J. Flory und Maurice L. Huggins sind weitere theoretische Erkenntnisse zum Verhalten von Polymeren in Lösung, in Mischungen, sowie ihren Strukturen im Festkörper zu verdanken, die heute die Grundlage der physikalischen Chemie der Makromoleküle darstellen.

Umweltproblematik

Da aus Kunststoffen, nicht nur, aber in großem Umfang auch Wegwerfartikel gefertigt werden, ergibt sich zwangsläufig das Problem der Entsorgung. Die polymeren Bestandteile der Kunststoffe sind zum einen nicht wasserlöslich und zum anderen nicht in der Lage die Zellmembranen von Mikroorganismen zu passieren, das heißt eine Wechselwirkung mit lebenden Organismen ist weitgehend ausgeschlossen. Dies hat zwar den Vorteil, dass Polymere als gesundheitlich absolut unbedenklich eingestuft werden können, eine Umwandlung in der belebten Natur aber ebenso ausgeschlossen werden kann. Kunststoffe verrotten also nur sehr langsam. Mikroorganismen können Kunststoffe im Grunde nur durch extrazelluläre Enzyme verarbeiten, die das Material in kleinere Bestandteile zerlegen, die von der Zelle aufgenommen werden können. Allerdings sind die Enzyme zu voluminös um effektiv in das verrottende Material einzudringen, so dass dieser Prozess nur als Oberflächenerosion ablaufen kann. Toxische Zwischenstufen der biochemischen Prozesse können sich auch, wenn sie nicht weiter umgesetzt werden können, u. U. in der Natur anreichern. Gefahr geht auch von den den Kunststoffen zugesetzten Additiven, wie Weichmachern, Farbstoffen oder Flammschutzmitteln aus. Man verfolgt daher verschiedene Strategie der Abfallberge Herr zu werden.

Kunststoffrecycling

LKW mit recyclebaren Kunststoffabfällen in China.

Grundsätzlich lassen sich Thermoplaste, einmal zu einem Werkstück geformt, wieder einschmelzen und zu einem neuen Produkt formen. Die Abfolge von Wärmebehandlungen führt allerdings zu einem fortschreitenden Qualitätsverlust des Materials. Größtes Problem beim Recycling ist allerdings die Trennung der einzelnen Kunststoffe. Mischt man verschiedene Polymere in einem Material, führt dies in der Regel zu einem starken Qualitätsverlust und wesentlich schlechteren mechanischen Eigenschaften. Um die Trennung zu erleichtern, führte man 1988 den Recycling-Code ein. Das Recycling ist dennoch problematisch, da nach wie vor kein physikalisches automatisiertes Trennverfahren existiert. Die Wiederverwertung ist daher aufgrund der personalintensiven Trennung sehr teuer und man erhält, anders als bei Metallen, keinen wirklich kommerziell wertvollen Rohstoff. Die billige Herstellung neuer Kunststoffe ist ja gerade eines der wichtigsten Argumente für ihren Einsatz. Das Kunststoffrecycling wird daher zur Zeit fast ausschließlich dort eingesetzt, wo große Mengen eines sortenreinen Materials zur Verfügung stehen, z.B. in der Wiederverwertung von Fahrzeugen oder Getränkeflaschen oder in Ländern der zweiten oder dritten Welt, wo das Sammeln sortenreiner Kunststoffabfälle zum Einkommen beiträgt.

Grundsätzlich lassen sich drei Möglickeiten der Weiterverwertung erschließen:

• Bei der werkstofflichen Verwertung entstehen aus den Sekundärrohstoffen erneut Verpackungen oder Produkte wie Profile, Rohre, Blumen- und Getränkekästen, neue Folien, Fensterrahmen oder Gießkannen.

• Die rohstoffliche Verwertung überführt den Kunststoff in gasförmige Bestandteil, die zur Erzeugung von Methanol oder als Synthesegas, beispielsweise als Ersatz von Schweröl im Hochofen, zum Einsatz kommen. Dieses Verfahren wird vor allem für die Verwertung von Mischkunststoffen genutzt. Sie bestehen aus verschiedenen Kunststoffsorten, die sich nur unter großem Aufwand trennen lassen würden.

• Bei der energetischen Verwertung werden die energetischen Potentiale der Kunststoffe genutzt. Mischkunststoffe, aber auch Sortierreste werden zu Sekundärbrennstoffen veredelt, die fossile Energieträger, wie Öl und Gas, z. B. in Kohlekraftwerken oder Zementwerken ersetzen.

Biologisch Abbaubare Kunststoffe

Seit etwa 1990 forscht man intensiv an durch Kompostierung entsorgbaren Kunststoffen. Definiert wird die Prüfung der Kompostierbarkeit von Kunststoffen seit 1998 unter der DIN-Norm V 54900. Damit ein Kunststoff biologisch abbaubar wird, muss er Angriffsstellen für die Enzyme der Mikroorganismen bieten, die ihn für ihren eigenen Stoffwechsel nutzen wollen. Diese Enzyme verwandeln die langen Polymerketten in handlichere wasserlösliche Bruchstücke. Dazu kann man bereits natürlich vorkommende Polymere (Biopolymere) nutzen, oder in synthetisch hergestellte Ketten, Einheiten, wie Zucker, Bernsteinsäure oder Milchsäure integrieren. Entscheidend ist die Anwesenheit von Heteroatomen, wie Stickstoff oder Sauerstoff, im Kunststoff. So sind die meisten der bisher etwa 30 bekannten, vermarktungsfähigen, biologisch abbaubaren Kunststoffe Polyester, Polyamide, Polyesterurethane und Polysaccharide. Bei synthetisch hergestellten Polyestern und -amiden besteht das Problem, das gerade die Eigenschaften, die die Schlag- und Zugfestigkeit der Materialien ausmachen (intramolekulare H-Brücken in Amiden, aromatische Komponenten in Polyestern), einer Verwertung durch die Natur entgegenstehen. Eine Verbesserung der biologischen Abbaubarkeit bedeutet so auch fast immer eine Verschlechterung der Werkstoffeigenschaften.

Polysaccharide

Kalottenmodell einer Cellulosekette.

Polysaccharide (Stärke, Cellulose) dienen der Natur als Energiespeicher und Gerüstsubstanzen. Unzählige Einfachzucker (z. B. Glukose oder Fruktose) bilden lange Ketten und stellen somit natürlich vorkommende Polymere dar, die als solche auch von der Natur abgebaut werden können. Sie sind billig und in großen Mengen verfügbar, zeigen allerdings einen gravierenden Nachteil: Sie können nicht durch Aufschmelzen zu Folien, Formteilen oder Fasern verarbeitet werden, d.h. sie sind nicht thermoplastisch formbar. Die thermoplastische Formbarkeit ist jedoch gerade einer der großen Vorzüge von Kunststoffen. Eine Veresterung der freien OH-Gruppen der Zucker verbessert zwar die Materialeigenschaften, setzt aber auch ihre Fähigkeit zur biologischen Abbaubarkeit herab. Will man also Polysaccharide als Werkstoff einsetzen, muss man einen Kompromiss zwischen Werkstoffeigenschaften und biologischer Abbaubarkeit finden.

Polyhydroxybutyrat (PHB)

Polyhydroxybutyrat ist ein ebenfalls natürlich vorkommendes Polymer, das von bestimmten Mikroorganismen zur Energiespeicherung gebildet wird. Durch Fermentation können diese dazu angeregt werden, das Polymer bis zu 90% ihrer eigenen Masse anzureichern. Es ist als Biopolymer biologisch abbaubar und zeigt Materialeigenschaften, die denen von Polyestern ähneln. Gegenwärtig forscht man daran PHB auch in gentechnisch veränderten Pflanzen produzieren zu können ("Plastikkartoffeln").

Anwendungen

Mögliche Anwendungsgebiete:

• Agrarwirtschaft: verrottende Mulchfolien, Pflanzentöpfe
• Abfallentsorgung: Entsorgung von besonders verdrecktem, nur schlecht recyclebarem Müll, wie Lebensmittelverpackungen, Windeln, etc
• Landschaftspflege: Verringerung des Littering
• Fischerei: verlorene Fischernetze stellen eine latente Gefahr für größere Meereslebewesen dar
• Kunstdünger: als Hüllsubstanzen für Dünger, so dass dieser langsamer und dosierter wirken kann (Controlled release).

Zukunft der Kunststoffe

Aufgrund der hohen Abhängigkeit der Kunststoffproduktion von den Erdölvorkommen ist die Zukunft der Kunststoffe auf Erdölbasis langfristig in Frage gestellt. Nach Überschreiten des Peak-Oils wird es zu einer Verknappung kommen.

Eine Alternative zu diesen Kunststoffen sind Biokunststoffe, welche praktisch in fast allen derzeitigen Anwendungsbereichen eingesetzt werden können. In Zukunft werden Kunststoffe daher weitestgehend aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen und auch in heute unüblichen Bereichen zum Einsatz kommen.

Siehe auch

• Kurzzeichen (Kunststoff)
• Liste der Kunststoffe
• Portal:Werkstoffe

Literatur

• Oberbach u. a. (Hrsg.): Saechtling Kunststoff-Taschenbuch. Carl Hanser Verlag, München 2004 (29. Aufl.). ISBN 3-446-22670-2
• Otto Schwarz: Kunststoffkunde. Vogel, Würzburg 2002 (7.Aufl.). ISBN 3802319176
• Gottfried W. Ehrenstein: Polymer-Werkstoffe. Carl Hanser Verlag, München 1999 (2. Aufl.). ISBN 3-446-21161-6
• Brigitta Huckestein, Thomas Plesnivy: Möglichkeiten und Grenzen des Kunststoffrecyclings. in: Chemie in unserer Zeit. 34.2000,5, S.276 - 286. ISSN 0009-2851
• Hans Domininghaus: Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg 2005 (6. Aufl.) ISBN 3-540-21410-0
• Kunststoffe. Werkstoffe, Verarbeitung, Anwendung. Organ deutscher Kunststoff-Fachverbände. Fachzeitschrift für Kunststofftechnik. Hanser, München 1.1911ff. ISSN 0023-5563
• Kunststoff-Magazin. Die Kennziffer-Fachzeitschrift der Kunststoff- und Kautschukbranche. Hoppenstedt, Darmstadt 1995ff. ISSN 0941-8520
• Plasticker Portal für Kunststoff-Verarbeitung und -Recycling. New Media Publishers, Kaarst
• Plastverarbeite(PV). internat. Fachzeitschr. für Verarbeitung, Gestaltung u. Anwendung von Kunststoffen. Hüthig, Heidelberg 1.1950,Apr.ff. ISSN 0032-1338
• Kunststoffe, Synthetics. Fachzeitschrift für Herstellung, Verarbeitung und Anwendung von Kunststoffen und neuen Werkstoffen. Vogt-Schild, Solothurn 23.1992,6ff. ISSN 1021-0601

Institute

• Süddeutsches Kunststoff Zentrum (SKZ), Forschungsinstitut und Ausbildungsstätte für Kunststofftechnik, Würzburg
• Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), Aachen
• Deutsches Kunststoff-Institut (DKI), Darmstadt
• Institut für Polymerforschung, Dresden

Weblinks

• Kunststoff-Tabelle
• Geschichte der Kunststoffe (von Peter Lutz)
• Deutsches Kunststoff Museum, Kunststoff-Museums-Verein e. V. Düsseldorf
• Physikalische Werkstoffrichtwerte von Kunststoffen
• Bayer Unternehmensmagazin: Plastik ist die Zukunft, mein Junge. Amüsant und leicht geschriebener Artikel über den Imagewandel und die Bedeutung von Kunststoff.
• PlasticsEurope Deutschland e.V. (vormals Verband Kunststofferzeugende Industrie e.V.)