Kunststoffe: Eigenschaften, Herstellung & Anwendungen im Überblick

Was sind Kunststoffe? Definition und Eigenschaften

Kunststoffe sind Materialien organischen Ursprungs, die bei Raumtemperatur fest sind und sich durch Wärmeanwendung leicht formen lassen. Sie sind oft durch die Verwendung von Polypropylen (PP)-Molekülen gekennzeichnet.

Vorteile von Kunststoffen

• Gewichtsreduktion
• Geräuschdämpfung
• Stoßdämpfung
• Chemische Beständigkeit
• Korrosionsbeständigkeit
• Wärme- und Schalldämmung

Nachteile von Kunststoffen

• Geringe mechanische Widerstandsfähigkeit
• Nicht für hohe Temperaturen geeignet (Temperaturempfindlichkeit)
• Leicht zerkratzbar
• Problematische Feuchtigkeitsaufnahme
• Empfindlichkeit gegenüber Sonneneinstrahlung
• Allgemeine Empfindlichkeit gegenüber Umweltbedingungen

Chemische Prozesse der Kunststoffherstellung

Kunststoffe sind organische chemische Verbindungen, die durch die Vereinigung mehrerer Monomereinheiten zu Polymeren entstehen. Diese Polymere können durch Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition gebildet werden. Oft werden Additive hinzugefügt, um die Materialeigenschaften zu verbessern.

Polymerisation

Die Polymerisation ist ein Prozess, der in zwei Hauptphasen abläuft:

• Initiation: Monomere werden durch Katalysatoren aktiviert.
• Kettenwachstum: Die Polymerkette wächst und stabilisiert sich.

Durch Polymerisation entstehen lineare Ketten, thermoplastische Elastomere und beispielsweise Polypropylen (PP).

Polykondensation

Bei der Polykondensation werden Monomere unterschiedlicher Art miteinander verbunden. Dabei entstehen Nebenprodukte wie Wasser, Alkohol oder Ammoniak. Beispiele für durch Polykondensation hergestellte Kunststoffe sind Polyurethane und Polyamide.

Polyaddition

Die Polyaddition ist die Vereinigung ähnlicher Monomere, die zu thermostabilen Kunststoffen führt, wie beispielsweise Polyurethan (PUR).

Polymerkettenstrukturen

• Linear: Thermoplaste
• Verzweigt: Thermoplaste
• Vernetzt: Duroplaste und Elastomere

Arten von Kunststoffen

1. Thermoplaste

Thermoplaste können durch Hitze verformt und geschweißt werden. Sie nehmen beim Abkühlen ihre gewünschte Form an und behalten diese Härte bei.

Beispiele für Thermoplaste:

• Polyethylen (PE)
• Polypropylen (PP)
• Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (PP/EPDM)
• Polyamid (PA)
• Polycarbonat (PC)
• Polyvinylchlorid (PVC)
• Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)

2. Duroplaste (Thermosets)

Duroplaste reagieren nicht auf Wärme; sie zerfallen bei hohen Temperaturen. Sie sind hart und oft faserverstärkt. Ihre Struktur entsteht durch die Kombination von duroplastischem Harz und synthetischen Fasern.

Beispiele für Duroplaste:

• Epoxidharze (EP)
• Polyurethan (PUR)
• Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK)
• Ungesättigte Polyesterharze (UP)

3. Elastomere

Elastomere können große Verformungen unterstützen und kehren in ihre ursprüngliche Form zurück. Sie fließen nicht, wenn sie erhitzt werden, und bleiben bis zur Zersetzung elastisch. Beispiele sind Gummi und Polyurethan (PUR).

Wichtige Zusatzstoffe für Kunststoffe

• Stabilisatoren: Schützen vor Sauerstoff, Wärme und Licht.
• UV-Adsorber: Bieten Schutz vor UV-Strahlung (Lichtschutz).
• Entformungsmittel: Ermöglichen eine einfache Entnahme des Produkts aus den Formen (z.B. Teflon-basierte Mittel).
• Weichmacher: Verleihen dem Polymer Flexibilität.
• Schmierstoffe: Verbessern das Fließverhalten während der Verarbeitung und reduzieren die Reibung in den Formen (interner und externer Gebrauch).
• Farbstoffe: Verleihen den Polymeren Farbe.

Herstellungsverfahren für Thermoplaste

• Prägung: Ein Prägeverfahren, das durch die Anwendung von Wärme und Druck erfolgt.
• Rotationsformen: Erzeugt eine gleichmäßige Schichtdicke in einer rotierenden, konkaven Form mit heißen Innenwänden (250-300 °C).
• Extrusion: Ein Verfahren zur Herstellung von Halbfertigprodukten, bei dem eine Schnecke die Kunststoffmasse in einem beheizten Zylinder komprimiert, erweicht und durch eine Form presst.
• Extrusionsblasformen: Ein Extrusionsprozess, bei dem ein Kunststoffschlauch zwischen zwei Formhälften geblasen wird. Durch Luftdruck passt sich der Kunststoff den Formwänden an.
• Spritzguss: Das am häufigsten verwendete Verfahren für Thermoplaste. Der Kunststoff wird in einem Plastifizierzylinder erhitzt und unter Druck in einen Formhohlraum gespritzt.
• Kalandrieren: Wird zur Herstellung von PVC-Platten für den Innenbereich verwendet. Dabei wird das Material unter Heiztemperatur kontinuierlich zwischen Walzen laminiert.
• Schäumen: Hierbei wird Luft in den Kunststoff eingeführt oder ein Treibmittel hinzugefügt, um Schaumstoffe zu erzeugen.

Herstellungsverfahren für Duroplaste

Zur Verbesserung der Beständigkeit werden Verstärkungsmaterialien wie Glasfasern (in Form von Geweben, Matten oder Rovings) mit Harz gemischt.

• Manuelles Kontaktlaminieren: Zuerst wird eine Gel-Coat-Harzbasis aufgetragen. Nach dem Trocknen wird Polyesterharz aufgetragen, gefolgt von Glasfaserverstärkung. Luftblasen werden mit einer Metallrolle entfernt, und anschließend erfolgt die Entformung.
• Harz-Spritzguss (Resin Transfer Molding - RTM): Flüssiges Harz wird bei niedrigem Druck in eine Form injiziert, die bereits die Glasfaserverstärkung enthält.
• Heißpressen (Compression Molding): Bei diesem Verfahren wird das Harz-Faser-Gemisch unter Hitze und Druck in einer Form ausgehärtet.