Kunststoffe: Herstellung, Eigenschaften und Nachhaltigkeit

Was sind Kunststoffe?

Kunststoff ist ein künstliches Produkt, das in diesem Jahrhundert entwickelt wurde. Er besteht aus organischen Verbindungen, die aus Erdöl und anderen natürlichen Polymeren durch chemische Reaktionen gewonnen werden. Kunststoffe sind aus großen Molekülen (Polymeren) aufgebaut, die Kohlenstoff und andere Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel enthalten. Sie sind vielseitige Materialien, die wir in fast allen Arten von Alltagsgegenständen finden. Viele Kunststoffe haben unterschiedliche Eigenschaften, aber alle sind Isolatoren für Elektrizität, leicht und einfach zu verarbeiten.

Woher kommen Kunststoffe?

Kunststoffe können aus verschiedenen Quellen gewonnen werden:

• Natürliche pflanzenbasierte Stoffe: Zellulose, Latex
• Tierische Materialien: Kasein
• Künstliche Stoffe: Abgeleitet aus Kohle, Erdgas oder Erdöl.

Der Polymerisationsprozess

Ethylen ist ein Molekül mit zwei Kohlenstoffatomen und vier Wasserstoffatomen. Solche kleinen Moleküle werden Monomere genannt. Der Prozess, bei dem Monomere zu größeren Molekülen, den Polymeren, verbunden werden, nennt man Polymerisation. Die Polymerisation wird durch die Verwendung von Monomeren in einer Reihe chemischer Reaktionen erreicht, die durch Katalysatoren und Initiatoren ausgelöst werden. Kunststoffe werden oft in Form kleiner Pellets (Granulat) geliefert, um die gewünschte Form zu erhalten.

Arten von Kunststoffen

Es gibt drei Haupttypen von Kunststoffen, die sich in ihrer molekularen Struktur und ihrem Verhalten bei Erwärmung unterscheiden:

Thermoplaste

Ihre Makromoleküle sind frei und ohne feste Vernetzung angeordnet. Sie erweichen beim Erhitzen und können in die gewünschte Form gebracht werden, die sie beim Abkühlen beibehalten. Dieser Vorgang kann wiederholt werden.

Duroplaste

Ihre Makromoleküle bilden ein engmaschiges, vernetztes Netzwerk. Sie können nur einmal erhitzt und geformt werden. Nach dem Aushärten sind sie hitzebeständig und behalten ihre Form dauerhaft bei.

Elastomere

Ihre Makromoleküle sind in einem weitmaschigen Netzwerk mit wenigen Verbindungen angeordnet. Sie zeichnen sich durch hohe Elastizität aus und kehren nach Verformung in ihre ursprüngliche Form zurück.

Formgebung von Kunststoffen

1. Extrusionsverfahren

Beim Extrudieren wird Kunststoffgranulat von einer Förderschnecke in einer Maschine durch eine Heizzone geschoben, wo es schmilzt. Der geschmolzene Kunststoff wird dann durch eine Form (Düse) gepresst, um ein kontinuierliches Profil zu erzeugen. Typische Materialien sind Polyethylen (PE), PVC und Nylon.

2. Spritzgussverfahren

Das Spritzgießen ähnelt dem Extrudieren, jedoch wird der geschmolzene Kunststoff unter hohem Druck in eine zweiteilige Form gespritzt. Nach dem Abkühlen und Aushärten wird das fertige Teil entnommen. Häufig verwendete Materialien sind Polyethylen (PE), Polystyrol (PS), Polypropylen (PP) und Nylon.

3. Blasformverfahren

Das Blasformverfahren wird zur Herstellung hohler, einteiliger Gegenstände wie Flaschen oder Spielzeug verwendet. Ein frisch extrudiertes, heißes Kunststoffrohr (Vorformling) wird zwischen zwei Formhälften eingeschlossen. Anschließend wird heiße Druckluft in das Rohr geblasen, wodurch es sich ausdehnt und die Form der Kavität annimmt. Materialien: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), PVC.

4. Vakuumformverfahren

Beim Vakuumformen wird eine dünne thermoplastische Folie über eine Form gelegt und erhitzt. Durch Absaugen der Luft zwischen Folie und Form schmiegt sich die Folie an die Form an und nimmt deren Kontur an. Dieses Verfahren wird zur Herstellung dünner, flacher Behälter wie Joghurtbecher oder Einweggläser verwendet. Materialien: Polystyrol (PS), PVC, Acryl.

5. Kalandrieren

Beim Kalandrieren wird eine geschmolzene Kunststoffmasse durch mehrere beheizte Walzen geführt, um eine kontinuierliche Folie oder Platte zu erzeugen. Dieser Prozess wird häufig zur Herstellung von PVC-Folien und -Platten eingesetzt.

6. Formpressen

Das Formpressen ist ein Fertigungssystem, das dem Schmieden ähnelt, jedoch mit Kunststoff. Kunststoffpulver oder -granulat wird zwischen zwei komplementären, beheizten Formen platziert und unter Druck verpresst, um die Form des Werkzeugs anzunehmen. Durch Formpressen werden beispielsweise elektrische Bauteile, Toilettensitze, Topfgriffe oder Flaschenverschlüsse hergestellt.

Bearbeitungstechniken für Kunststoffe

1. Schneiden

Schnittmarken können mit einem Lineal und einem Cutter angebracht werden. Für dünne Kunststoffe eignen sich Scheren, für dickere Platten spezielle Scheren oder eine Bügelsäge. Wenn der Kunststoff durch eine dünne selbstklebende Schutzschicht geschützt ist, sollte diese vor dem Sägen nicht entfernt werden.

2. Bohren

Bei weichen Kunststoffen kann ein Schlagbohrer verwendet werden. Für harte Kunststoffe ist eine Bohrmaschine erforderlich. Löcher mit einem Durchmesser von mehr als 6 mm sollten in zwei oder drei Schritten gebohrt werden.

3. Verbinden

Es gibt verschiedene Methoden, Kunststoffe zu verbinden:

• Kleben: Für verschiedene Kunststoffarten werden spezielle Klebstoffe verwendet.
• Schweißen/Löten (Kohäsion): Zwei Kunststoffteile werden durch Erhitzen oder die Verwendung von Lösungsmitteln miteinander verschmolzen.
• Mechanische Verbindung: Hierbei werden verschiedene Verbindungselemente wie Nieten, Schrauben, Bolzen und Muttern verwendet.

Kunststoffe und Umwelt

Kunststoffe sind sehr stabile Materialien, die sich nur schwer zersetzen, was ihre Entsorgung zu einer Herausforderung macht. Die beste Lösung ist, umweltgefährdende Kunststoffe wie PVC zu vermeiden und Kunststoffe idealerweise zu recyceln. Es empfiehlt sich, die 3-R-Regel zu befolgen:

• Reduzieren (Verringerung des Verbrauchs)
• Wiederverwenden (Produkte mehrfach nutzen)
• Recyceln (Materialien wiederverwerten)