Materialienkunde: Kunststoffe, Fasern und mehr

Geschrieben am 14. September 2025 in Deutsch mit einer Größe von 8,05 KB

Kunststoffe sind synthetische Materialien, die durch chemische Reaktionen entstehen und durch die Zugabe von Zusatzstoffen modifiziert werden. Diese Zusatzstoffe verbessern bestimmte Eigenschaften wie Rostschutz, chemische, thermische und akustische Isolierung, elektrische Schlagfestigkeit und Ästhetik.

Rohstoffe für die Herstellung von Kunststoffen

Die Rohstoffe für Kunststoffe haben sich im Laufe der Zeit entwickelt:

19. Jahrhundert: Tierische und pflanzliche Rohstoffe sowie Teer.
Bis 1930: Kohle (Rückstand der Kokskohle).
Heute: Erdöl und Erdgas.

Hauptkomponenten von Kunststoffen

Basismaterial: Monomere, die in die Reaktion eingehen.
Füllstoffe: Werden dem Ausgangsmaterial hinzugefügt, um das Produkt zu verbessern und seine physikalischen, chemischen oder mechanischen Eigenschaften zu optimieren.
Zusatzstoffe: Verbessern die Eigenschaften des Polymers.
Katalysatoren: Initiieren und beschleunigen die Aushärtung.

Durch die Zugabe spezifischer Additive können Kunststoffen gezielt bestimmte Eigenschaften verliehen werden. Beispiele für Additive sind Farbstoffe, Pigmente, Antistatika, leitfähige Mittel, Stabilisatoren und Weichmacher.

Typen von Kunststoffen

Thermoplaste: Werden bei Temperaturen zwischen 50°C und 200°C formbar und können wiederholt erhitzt und geformt werden. Sie eignen sich zur Herstellung von Fasern, sind zugfest, gut waschbar und knitterarm.
Duroplaste: Sind nach dem Erhitzen und Formen dauerhaft fixiert und können nicht wieder in ihre ursprüngliche Form gebracht werden. Sie sind hart, aber zerbrechlich und verkohlen bei starker Hitze, ohne zu erweichen.
Elastomere: Sind sehr widerstandsfähig und lassen große Verformungen ohne Bruch zu, kehren aber in ihre ursprüngliche Form zurück. Sie können nicht wieder aufgeschmolzen werden.

Prozesse der Herstellung von Kunststoffprodukten

Die Herstellung von Kunststoffprodukten erfolgt durch verschiedene Formgebungsverfahren:

Pressen: Pulverförmiges Material wird mit Additiven zu Granulat verarbeitet, das dann unter Druck und Wärme in eine Form gepresst wird, bis es fließfähig wird. Nach dem Aushärten wird das fertige Teil entnommen.
Spritzgießen: Das Rohmaterial wird plastifiziert und in einen Behälter eingespritzt. Ein Kolben presst die Masse in die Form. Nach dem Abkühlen wird die Form geöffnet und das Teil entnommen.
Tiefziehen: Eine starre Platte wird durch Thermoformen (Erhitzen) verformt. Die erhitzte Platte wird über eine Form gelegt und durch Vakuum, Druck oder beides geformt. Nach dem Abkühlen wird die Form entfernt.
Extrusion: Thermoplastisches Material wird plastifiziert und durch eine Düse gepresst, um eine kontinuierliche Form (z.B. Rohre, Profile) zu erzeugen. Das extrudierte Material wird gekühlt und erstarrt.

Verbundkunststoffe (Verstärkte Kunststoffe)

Diese bestehen aus zwei Materialien, wobei ein Verstärkungsmaterial die mechanischen Eigenschaften verbessert:

Kevlar: Bietet hohe Zugfestigkeit und ist sehr zäh.
Kohlenstofffaser: Gewonnen aus Polyacrylnitril.
PVC-Acetat-Laminat: Besteht aus überlappenden Schichten.
Glasfaserverstärkter Kunststoff: Glasfasern sind mit einer dünnen Kunststoffschicht überzogen.
Kunststoff-Metall: Metallprodukte mit einer dünnen Kunststoffschicht (z.B. Konservendosen).
Kunststoff-Papier/Karton: Karton mit einer dünnen Kunststoffschicht zur Feuchtigkeitsbeständigkeit (z.B. Tetrapack).
Kunststoff-Vlies: Anwendung in Kunstleder, Planen etc.
Kunststoff-Kunststoff: Mehrere Schichten zur Gewährleistung von Widerstandsfähigkeit (z.B. Lebensmittelverpackungen).

Fasern

Fasern sind faserige Strukturen, die aus verschiedenen Quellen stammen.

Natürliche Fasern

Glasfasern: Entstehen durch Verschmelzung verschiedener Mineralien; dienen als thermische und akustische Isolierung.
Metallfasern: Metalle wie Gold und Silber können zu Garnen verarbeitet werden.
Pflanzenfasern:
- Baumwolle: Besteht zu 91% aus Zellulose.
- Leinen: Allergikerfreundlich, widerstandsfähiger, aber weniger elastisch und flexibel; teurer in der Herstellung.
- Espartogras: Hauptsächlich für Handwerksprodukte verwendet.
Tierhaarfaser:
- Wolle: Von Schafen, sehr elastisch, aber empfindlich gegen feuchte Hitze.
- Seide: Filament von Seidenraupen, sehr elastisch, aber schlechter Wärmeleiter.
Leder: Tierhaut, die gegerbt wird, um Haare und Oberhaut zu entfernen. Stoffe werden hinzugefügt, um Elastizität zu verleihen.

Künstliche Fasern

Cellulosefasern: Bekannt als Rayon.
Proteinfasern: Weniger verbreitet, aber vielversprechend. Beispiele sind Fibrolana und Lanital (aus Caseinmilch) und Vicära (aus pflanzlichem Eiweiß).

Elastomere

Elastomere ermöglichen große elastische Verformungen und werden oft durch Vulkanisation (Schwefelzugabe und Erhitzen) hergestellt. Sauerstoff, Hitze und Sonnenlicht können die Elastizität mit der Zeit verringern.

Naturkautschuk (NR): Gewonnen aus dem Latexsaft des Hevea-Baumes; weitgehend durch synthetischen Kautschuk ersetzt.
Synthetischer Kautschuk:
- Neopren (CR): Chloropren-Polymer, nicht brennbar, widerstandsfähig gegen Beschädigung, wird für Kabelisolierungen verwendet.
- Silikon (SI): Siliziumbasiert, sehr widerstandsfähig gegen äußere Einflüsse.
- Synthetischer Kautschuk allgemein: Extrem hitze-, abrieb- und alterungsbeständig; 80% werden für Reifen verwendet.

Kork

Kork wird aus der Rinde des Korkbaumes gewonnen. Die Entrindung erfolgt alle neun Jahre. Nach der Ernte wird der Kork getrocknet, gekocht und weiterverarbeitet, um Korken oder Bretter herzustellen.

Glas

Glas entsteht durch die Fusion von Quarzsand, Karbonat und Salz. Zusätzliche Verbindungen wie Bleioxid können hinzugefügt werden. Es gibt verschiedene Glasarten wie Ziehglas, Gussglas, Beton, diffus reflektierendes Glas, Glasfaser und Glasfaserkabel.

Gips

Gips ist ein weißes Calciumsulfat. Nach Zugabe von Wasser bindet er schnell ab. Er haftet gut auf Metallen, aber schlecht auf Holz und ist hygroskopisch.

Herstellungsprozess:

Das Rohmaterial wird in einem Ofen bei 450°C kalziniert, um Wasser zu entfernen, dann gemahlen und verpackt.
Für die Anwendung wird Wasser hinzugefügt und die Masse verrührt.

Neue Materialien

Strukturelle Materialien: Nutzen liegt in ihren mechanischen Eigenschaften.
Funktionale Materialien: Nutzen liegt in chemischen, magnetischen, elektronischen oder optischen Eigenschaften (z.B. Leuchtstoffe, Neodym-Eisen-Bor-Legierungen, Flüssigkristalle, Biomaterialien).
Organische Materialien: Produziert durch gentechnisch veränderte Viren für optische und elektronische Systeme.
Intelligente Materialien: Selbstheilend, mit Eigenschaften ähnlich biologischem Gewebe.
Nanokompositmaterialien: Hybridbasis für elektronische Komponenten mit höherer Kapazität und Geschwindigkeit.
Gele: Reagieren auf Reize wie Temperatur- oder pH-Änderungen.