Kunststoffe: Aufbau, Arten und Eigenschaften

Kunststoffe, auch Polymere genannt, sind organische Makromoleküle, die entweder natürlich vorkommen oder synthetisch hergestellt werden. Ihr wichtigster molekularer Bestandteil ist der Kohlenstoff. Diese Moleküle werden auch als Polymere bezeichnet.

Polymerisationsarten

Polyaddition

Die Polyaddition besteht aus der Aneinanderreihung gleicher oder unterschiedlicher Monomere, ohne dass dabei kleine Moleküle wie Wasser oder Alkohol abgespalten werden. Dabei entsteht ein Polymer, dessen Molekülmasse ein Vielfaches der Monomere beträgt. Wenn verschiedene Monomere gemeinsam polymerisieren, spricht man von einer Copolymerisation, und das Ergebnis ist ein Copolymer.

Polykondensation

Bei der Polykondensation reagieren ein oder mehrere Monomere miteinander, wobei als Nebenprodukte kleine Moleküle entstehen. Das resultierende Polymer ist daher nicht das exakte Vielfache der Monomere. Die Polykondensation gilt als wichtiger Prozess zur Herstellung zahlreicher Kunststoffe.

Kräfte zwischen Polymeren

Bei der Betrachtung von Polymeren spielen die Kräfte zwischen den Molekülen eine entscheidende Rolle. Man unterscheidet zwei Arten von Bindungen:

• Intramolekulare Kräfte: Sie wirken innerhalb eines Moleküls und halten die Atome der Molekülbausteine zusammen.
• Intermolekulare Kräfte: Sie sind schwächer und wirken zwischen benachbarten Molekülen.

Arten von Kunststoffen nach ihrem Verhalten

Thermoplastische Polymere

Thermoplaste bestehen überwiegend aus linearen oder verzweigten Molekülen, die nur durch schwache intermolekulare Kräfte verbunden sind. Beim Erhitzen werden diese Kräfte überwunden, sodass sich die Polymere verformen lassen. Beim Abkühlen erstarren sie wieder. Dieser Vorgang ist beliebig oft wiederholbar.

Duroplastische Polymere

Duroplaste besitzen dreidimensionale, eng vernetzte Strukturen. Sie sind daher hart und spröde und zersetzen sich bei hohen Temperaturen, anstatt zu schmelzen.

Elastomere

Elastomere bestehen aus langen, locker verbundenen Molekülketten, die durch wenige Vernetzungen miteinander verbunden sind. Sie lassen sich stark dehnen und kehren nach der Belastung in ihre ursprüngliche Form zurück. Ohne Vulkanisation, also die Vernetzung mit Schwefel, verlieren sie ihre elastischen Eigenschaften. Unter Einwirkung von Licht, Sauerstoff und Wärme verhärten sie mit der Zeit; dieser Vorgang wird als Alterung bezeichnet. Etwa 68 % der Elastomerproduktion werden zur Herstellung von Reifen verwendet.

Wichtige Kunststoffarten

Polyethylen (PE)

Polyethylen ist eines der am häufigsten verwendeten Polymere. Es ist chemisch stabil und inert gegenüber vielen Agenzien und besitzt ausgezeichnete mechanische und elektrische Eigenschaften. Man unterscheidet:

• Polyethylen niedriger Dichte (LDPE): Hat stark verzweigte Moleküle, ist weniger kristallin und flexibler.
• Polyethylen hoher Dichte (HDPE): Hat kaum Verzweigungen, ist stärker kristallin und besitzt daher höhere Dichte, Festigkeit, Steifigkeit und Schmelzpunkt.

Polypropylen (PP)

Polypropylen ist ein Industriekunststoff mit geringerer Dichte als Polyethylen. Seine Hauptschwäche ist die Sprödigkeit bei niedrigen Temperaturen, weshalb häufig Copolymere verwendet werden. Es ist farblos, transparent, witterungsbeständig und gut zu verarbeiten.

Polystyrol (PS)

Polystyrol ist ein amorpher, starrer und sehr spröder Kunststoff mit geringer Wärmebeständigkeit. Es wird für Haushaltsgeräte, Spielwaren und Verpackungen verwendet. Wenn bei der Polymerisation flüchtige Stoffe zugesetzt werden, entsteht durch Erwärmung expandiertes Polystyrol, das als Verpackungsmaterial sowie als Wärme- und Schalldämmung eingesetzt wird.

Polyamid (PA)

Polyamide sind besser bekannt als Nylon. Aufgrund ihrer hohen Elastizität, Zugfestigkeit und der Möglichkeit, sie zu sehr feinen Fäden zu verarbeiten, sind sie wichtige synthetische Fasern.

Polyester

Polyester entstehen durch Polykondensation einer Dicarbonsäure mit einem Di-Alkohol. Sie bilden Ketten mit wiederkehrenden Estergruppen. Polyesterfasern sind weit verbreitet, sehr zug- und formbeständig und knitterfrei. Sie sind im Handel unter Namen wie Terylene, Tergal oder Enkalene erhältlich.

Polycarbonate (PC)

Polycarbonate sind Thermoplaste mit hoher Schlagfestigkeit. Sie werden unter anderem für Getriebe, Gehäuse von Büromaschinen, Schiffspropeller und ähnliche Anwendungen verwendet.

Polyacetale (POM)

Polyacetale besitzen eine regelmäßige, lineare Struktur, die deutlich kristallisiert. Sie haben einen hohen Schmelzpunkt, sehr gute mechanische Eigenschaften, eine hohe Abriebfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie eine geringe Löslichkeit in Lösungsmitteln.

Fluorkunststoffe

Fluorkunststoffe besitzen eine hohe thermische Stabilität und behalten ihre Festigkeit auch bei hohen Temperaturen. Das bekannteste Beispiel ist Polytetrafluorethylen (PTFE), das unter dem Handelsnamen Teflon bekannt ist. Es ist abriebfest, gut isolierend und besitzt sehr gute elektrische Eigenschaften.

Epoxidharze

Epoxidharze sind im flüssigen Zustand giftig, und ihre Dämpfe können die Haut reizen. Im ausgehärteten Zustand sind sie geruchlos, geschmacklos und ungiftig. Sie sind sehr beständig gegenüber chemischen Arbeitsstoffen und Wärme bis etwa 120–150 °C und gute elektrische Isolatoren.

Polyurethane (PUR)

Polyurethane entstehen durch die Polymerisation von Isocyanaten und Alkoholen. Häufig werden sie als Schaumstoff mit sehr geringer Dichte hergestellt, der für Isolierungen, Kissen, Matratzen, Dichtungen, Klebstoffe und Lacke verwendet wird.

Amino-Harze

Aminoplaste gibt es in zwei Hauptformen: Produkte aus der Polykondensation von Harnstoff mit Formaldehyd sowie Produkte aus der Polykondensation von Melamin mit Formaldehyd (Melaminharz, bekannt als Formica). Ihre Eigenschaften ähneln denen der Phenolharze. Sie werden für dekorative Platten und Klebstoffe verwendet und sind hitzebeständig, weshalb sie häufig für Arbeitsplatten in der Küche eingesetzt werden.

Glaskeramiken

Glaskeramiken gehören zu den modernsten keramischen Werkstoffen. Sie kombinieren die kristalline Struktur keramischer Werkstoffe mit der Herstellungsweise von Glas. Ein bekanntes Produkt ist das Glaskeramik-Kochfeld. Im Vergleich zu konventioneller Keramik zeichnen sie sich durch eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Einflüsse und thermische Schocks aus. Dies liegt zum einen am Fehlen von Poren, die als Spannungskonzentratoren wirken, und zum anderen an ihrem sehr geringen Ausdehnungskoeffizienten.

Fazit

Kunststoffe sind vielseitige Werkstoffe, deren Eigenschaften durch ihren molekularen Aufbau und die Art ihrer Vernetzung bestimmt werden. Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere unterscheiden sich grundlegend in ihrem Verhalten und ihren Anwendungsgebieten.