Kunststoffe: Arten, Eigenschaften und Anwendungen von Polymeren

Was sind Kunststoffe? Definition und Bedeutung

Der Begriff Kunststoff wird in seiner facettenreichen Bedeutung in der Regel für Stoffe unterschiedlicher Strukturen und Beschaffenheiten angewendet, die keinen festen Schmelzpunkt haben und in einem bestimmten Temperaturbereich Elastizität und Flexibilität aufweisen. Diese Eigenschaften ermöglichen es, sie in verschiedene Formen und für unterschiedliche Anwendungen anzupassen. Im engeren Sinne bezeichnet der Begriff jedoch bestimmte Arten von Kunststoffen, die durch Polymerisationsphänomene oder die künstliche Vermehrung von Kohlenstoffatomen in langen Molekülketten organischer Verbindungen aus Erdöl und anderen natürlichen Stoffen gewonnen werden.

Allgemeine Eigenschaften von Kunststoffen

Die Eigenschaften und Merkmale der meisten Kunststoffe (obwohl sie nicht immer bei allen Kunststoffen zutreffen) sind folgende:

• Leicht zu bearbeiten und zu formen
• Niedrige Herstellungskosten
• Geringe Dichte
• Meist undurchlässig
• Gute elektrische Isolatoren
• Akzeptable akustische Isolierung
• Gute Wärmedämmung, obwohl die meisten keine sehr hohen Temperaturen aushalten können
• Beständig gegen Korrosion und viele chemische Einflüsse
• Einige sind nicht biologisch abbaubar oder schwer zu recyceln; beim Verbrennen können sie jedoch sehr sauber sein.

Elastomere: Flexible Polymere mit elastischem Verhalten

Elastomere sind Polymere, die ein elastisches Verhalten zeigen. Der Begriff kommt von „elastisches Polymer“ und wird manchmal synonym mit dem Begriff Gummi verwendet, welcher sich eher auf Vulkanisate bezieht. Jedes der Monomere, die sich zum Polymer verbinden, besteht in der Regel aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und/oder Silizium. Elastomere sind amorphe Polymere, die oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur (Tg) liegen und daher erhebliche Verformungen aushalten können. Bei Raumtemperatur sind Elastomere relativ weich (E ~ 3 MPa) und verformbar. Sie werden in erster Linie für hermetische Dichtungen, Klebstoffe und flexible Bauteile verwendet. Erstmals im späten neunzehnten Jahrhundert eingesetzt, ermöglichten sie Anwendungen, die zuvor nicht möglich waren (z.B. Pkw-Reifen).

Thermoplastische Elastomere (TPE)

Thermoplastische Elastomere werden bei Temperaturerhöhung weich und formbar. Ihre Eigenschaften ändern sich nicht, wenn sie wiederholt geschmolzen und geformt werden. Diese Materialart ist relativ neu und wurde erstmals 1959 synthetisiert.

Thermoplaste: Formbar und wiederverwertbar

Ein Thermoplast ist ein Kunststoff, der bei Raumtemperatur plastisch oder verformbar ist, beim Erhitzen schmilzt und beim ausreichenden Abkühlen in einen glasartigen Zustand übergeht. Die meisten Thermoplaste sind Polymere mit hohem Molekulargewicht, deren Ketten durch schwache Van-der-Waals-Kräfte (z.B. Polyethylen), starke Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen oder sogar aromatische Ringstapel (z.B. Polystyrol) verbunden sind. Thermoplastische Polymere unterscheiden sich von Duroplasten dadurch, dass sie nach dem Erhitzen und Formen wiederholt geschmolzen und zu anderen Gegenständen geformt werden können. Im Gegensatz dazu behalten Duroplaste nach dem Abkühlen ihre Form und können bei Überhitzung verbrennen, ohne sich zu verformen.

Ihre physikalischen Eigenschaften können sich allmählich ändern, wenn sie mehrmals geschmolzen und geformt werden (thermische Vorgeschichte). Diese Eigenschaften können dabei allmählich abnehmen.

Häufig verwendete Thermoplaste

Die am häufigsten verwendeten Thermoplaste sind:

• Polyethylen (PE)
• Polypropylen (PP)
• Polystyrol (PS)
• Polymethylmethacrylat (PMMA)
• Polyvinylchlorid (PVC)
• Polyethylenterephthalat (PET)
• Teflon (PTFE)
• Nylon (eine Art von Polyamid)

Viele bekannte Thermoplaste können durch den Zusatz verschiedener Polymere entstehen.

Duroplaste: Harte und hitzebeständige Polymere

Duroplaste sind Polymere, die unschmelzbar und unlöslich sind. Der Grund für dieses Verhalten ist, dass die Ketten dieser Materialien ein dreidimensionales Raumgitter bilden, das durch starke kovalente Bindungen miteinander verknüpft ist. Die so entstandene Struktur gleicht einem riesigen Einzelmolekül, dessen Form fest ist, da die Mobilität der Ketten und die Rotationsfreiheitsgrade der Bindungen praktisch Null sind.

Vorteile und Nachteile von Duroplasten

Duroplaste haben einige vorteilhafte Eigenschaften im Vergleich zu Thermoplasten. Zum Beispiel bieten sie eine bessere Schlagfestigkeit, Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln, geringere Gaspermeation und höhere Temperaturbeständigkeit. Zu den Nachteilen gehören im Allgemeinen die Schwierigkeiten bei der Verarbeitung, die Notwendigkeit der Aushärtung, die Sprödigkeit des Materials (oft spröde) und die Schwierigkeit, sie zu verstärken oder hohen Belastungen auszusetzen.

Duroplastische Harze können relativ leicht mit Fasern wie Glasfasern verstärkt werden, um so Verbundkunststoffe zu bilden. Auch thermoplastische Kunststoffe können mit dieser Technik verstärkt werden.

Beispiele für Duroplaste

• Vulkanisierter Kautschuk
• Bakelit, ein Phenol-Formaldehyd-Harz, das hauptsächlich in der Elektronikindustrie verwendet wird
• Harnstoff-Formaldehyd-Schaum (verwendet für Holz und Platten)
• Melamin (verwendet für Arbeitsplatten)
• Ungesättigte Polyesterharze, die fast immer mit Glasfasern verstärkt werden
• Epoxidharz, als Klebstoff und in faserverstärkten Kunststoffen verwendet
• Polyurethane
• Silikone

Biologisch abbaubare Kunststoffe: Eine nachhaltige Alternative

Im späten zwanzigsten Jahrhundert fiel der Ölpreis, und damit sank auch das Interesse an biologisch abbaubaren Kunststoffen. In den letzten Jahren hat sich dieser Trend umgekehrt, bedingt durch einen Anstieg der Ölpreise sowie ein gestiegenes Bewusstsein dafür, dass die Ölreserven mit alarmierender Geschwindigkeit aufgebraucht werden. In diesem Kontext ist das Interesse an der wissenschaftlichen und industriellen Forschung zur Herstellung von biologisch abbaubaren Kunststoffen oder PDEs (ökologisch abbaubare Polymere und Kunststoffe) deutlich gestiegen. Die Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe aus natürlichen Materialien ist eine der größten Herausforderungen in verschiedenen Sektoren wie Industrie, Landwirtschaft und für diverse Dienstleistungen. In dieser Hinsicht hat die Forschung an Kunststoffen aus anderen Quellen eine neue Dynamik erhalten, und Polyhydroxyalkanoate (PHA) erscheinen als vielversprechende Alternative.

Der Ersatz der derzeitigen Kunststoffe durch biologisch abbaubare Kunststoffe ist ein Mittel, mit dem deren umweltschädliche Auswirkungen reduziert werden könnten. Biologisch abbaubare Kunststoffabfälle können als organische Abfälle in Kompostieranlagen und ähnlichen Einrichtungen behandelt werden, sofern der Abbau in angemessenen Zeiträumen erfolgt.

Biologisch abbaubare Polymere können wie folgt eingeteilt werden:

• Polymere, die direkt aus Biomasse extrahiert oder gewonnen werden: Polysaccharide wie Stärke und Zellulose; Proteine wie Casein, Keratin und Kollagen.
• Polymere, die durch klassische chemische Synthese aus biologischen Monomeren mit erneuerbaren Energiequellen hergestellt werden.
• Polymere, die von Mikroorganismen (z.B. Bakterien) produziert werden, entweder nativ oder genetisch verändert.

Innerhalb der letzten Kategorie finden sich biologisch abbaubare Kunststoffe, die von Bakterien erzeugt werden, wie Polyhydroxyalkanoate (PHA) und Polymilchsäure (PLA). PHA werden aufgrund ihrer erneuerbaren Quellen und ihrer biologischen Abbaubarkeit als „doppelt grün“ bezeichnet. PLA, dessen natürliches Monomer durch fermentative Prozesse aus zucker-, zellulose- und stärkereichen Rohstoffen gewonnen wird, ist für den Menschen unbedenklich. Biokunststoffe können physikalisch-chemische Eigenschaften aufweisen, die denen von erdölbasierten thermoplastischen Polymeren ähneln. Unter geeigneten Bedingungen werden sie biologisch abgebaut.