Umfassender Leitfaden: Eigenschaften, Herstellung und Klassifizierung von Kunststoffen

Definition und Ursprung des Begriffs Kunststoff

Der Begriff Kunststoff gilt im Allgemeinen für Stoffe unterschiedlicher Natur und Struktur, die keinen festen Schmelzpunkt haben und in einem bestimmten Temperaturbereich Eigenschaften wie Elastizität und Flexibilität aufweisen. Diese Eigenschaften ermöglichen die Anpassung an verschiedene Formen und Anwendungen. Im engeren Sinne bezeichnet Kunststoff jedoch bestimmte Arten von synthetischem Material, das durch Polymerisation oder die künstliche Vermehrung von Kohlenstoffatomen in langen Molekülketten organischer Verbindungen entsteht. Diese werden hauptsächlich aus Erdöl und anderen natürlichen Stoffen gewonnen.

Das Wort *Plastik* wurde ursprünglich als Adjektiv verwendet, um ein gewisses Maß an Beweglichkeit und die einfache Formbarkeit zu bezeichnen. Daher leitet sich der Begriff **Plastizität** ab.

Historische Entwicklung

Die Erfindung des Kunststoffs wird Leo Hendrik Baekeland zugeschrieben, der 1907 das erste kommerziell vertriebene Produkt namens *Bakelit* auf den Markt brachte. Im Laufe des zwanzigsten Jahrhunderts wurde die Verwendung von Kunststoff extrem populär und ersetzte andere Materialien in privaten Haushalten, Industrie und Gewerbe.

Chemische Grundlage: Polymere

Kunststoffe bestehen aus organischen Makromolekülen, den sogenannten **Polymeren**. Diese Polymere sind große Gruppen von Monomeren, die durch einen chemischen Prozess namens Polymerisation miteinander verbunden sind. Kunststoffe bieten eine notwendige Kombination von Eigenschaften, die mit anderen Materialien oft nicht erreicht werden können, zum Beispiel: *Vielfalt an Farben, geringes Gewicht, angenehme Haptik* und *Widerstandsfähigkeit* gegen ökologischen und biologischen Abbau.

Tatsächlich beschreibt der Begriff Kunststoff eher einen *Zustand* des Materials als das Material selbst. Die synthetischen Polymere, die allgemein als Kunststoffe bekannt sind, sind Materialien, die den **plastischen Zustand** erreichen können. Dieser Zustand beschreibt einen viskosen oder flüssigen Zustand, in dem das Material formbar ist und keinen Widerstand gegen mechanische Beanspruchung aufweist. Dieser Zustand wird erreicht, wenn das normalerweise feste Material durch Erhitzen in den plastischen Zustand überführt wird. Dies ist ideal für verschiedene Produktionsprozesse, da das Material in diesem Zustand in die gewünschten Formen gebracht werden kann. Das Wort Kunststoff ist somit eine Bezeichnung für synthetische Materialien, die in den plastischen Zustand übergehen können.

Charakteristische Eigenschaften von Kunststoffen

Die folgenden Eigenschaften sind für die meisten Kunststoffe charakteristisch, auch wenn sie nicht immer bei allen spezifischen Kunststoffen zutreffen:

• Sie sind kostengünstig (geringe Marktkosten).
• Sie besitzen eine niedrige Dichte.
• Es gibt durchlässige und undurchlässige Kunststoffe (Diffusion in thermoplastischen Kunststoffen).
• Sie sind elektrische Isolatoren.
• Sie sind Wärmeisolatoren, können aber meistens keinen sehr hohen Temperaturen standhalten.
• Sie verbrennen oft sehr sauber.
• Sie sind beständig gegen Korrosion und Witterungseinflüsse.
• Sie widerstehen vielen chemischen Einflüssen.
• Einige sind besser recycelbar als andere (nicht alle sind biologisch abbaubar oder leicht zu recyceln).
• Sie sind leicht zu verarbeiten.

Herstellung und Verarbeitung

Der erste Schritt bei der Produktion von Kunststoffen ist die Herstellung der Polymere in der chemischen Industrie. Heutzutage ist auch die Gewinnung von Post-Consumer-Kunststoffen (Recycling) unerlässlich. Ein Teil der Industrie liefert den Kunststoff direkt als Granulat oder Harz. In den meisten Fällen werden verschiedene Gießverfahren (wie Spritzguss, Kompression, Rotation, Blasformen usw.) oder die Extrusion von Profilen oder Drähten genutzt. Ein Großteil der größten Kunststoffverarbeitungsmaschinen wird durch Öfen betrieben.

Klassifizierung von Kunststoffen

Nach Herkunft

• Natürliche Kunststoffe: Dies sind Polymere, deren Monomere aus natürlichen Produkten mit bestimmten Eigenschaften abgeleitet sind, zum Beispiel Zellulose, Kasein und Gummi.
  • Zellulose-Derivate: Zelluloid, Zellophan und Cellon.
  • Gummi-Produkte: Gummi und Ebonit.
• Synthetische Kunststoffe: Dies sind vom Menschen hergestellte Produkte, die hauptsächlich aus Erdöl gewonnen werden.

Nach thermischem Verhalten

Thermoplaste

Ein Thermoplast ist ein Kunststoff, der bei Raumtemperatur verformbar oder plastisch ist. Er schmilzt zu einer Flüssigkeit, wenn er erhitzt wird, und härtet beim Abkühlen ausreichend zu einem glasartigen Zustand aus. Die meisten Thermoplaste sind Polymere mit hohem Molekulargewicht, deren Ketten durch schwache Van-der-Waals-Kräfte (z. B. Polyethylen), starke Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen oder sogar gestapelte aromatische Ringe (z. B. Polystyrol) verbunden sind. Thermoplastische Polymere unterscheiden sich von Duroplasten dadurch, dass sie nach dem Erhitzen und Formen erneut erhitzt und umgeformt werden können. Im Gegensatz dazu ändert ein Duroplast (oder Thermodur) seine Form nach dem Abkühlen nicht mehr und ist feuerbeständiger.

Ihre physikalischen Eigenschaften ändern sich nur allmählich, wenn sie mehrmals geschmolzen und geformt werden.

Die wichtigsten Thermoplaste sind:

• Zellulose-Harze: Abgeleitet von Zellulose, dem Hauptbestandteil des holzigen Teils von Pflanzen. Zu dieser Gruppe gehört Viskose.
• Polyethylene und Derivate: Als Rohstoff dient Ethylen, das durch das Cracken von Erdöl gewonnen wird. Dieses kann zu verschiedenen Monomeren wie Vinylacetat, Vinylalkohol, Vinylchlorid usw. weiterverarbeitet werden. Zu diesem Bereich gehören **PVC**, **Polystyrol** und **Methacrylat**.
• Proteinderivate: Zu dieser Gruppe gehören Nylon und Perlon, die aus Diamid gewonnen werden.
• Gummi-Derivate: Beispiele für diese Gruppe sind die kommerziell als *Pliofilme* bekannten Gummi-Hydrochloride, die durch Zugabe von Salzsäure zu den Gummi-Polymeren entstehen.

Duroplaste (Thermostabile)

Duroplaste sind Materialien, die beim Erhitzen schmelzen und erstarren, wobei sie starre Materialien bilden, die nicht wieder schmelzen. Für ihre Herstellung wird in der Regel ein Aldehyd verwendet.

• Polymere des Phenol: Sie sind Hartplastik, unlöslich und unschmelzbar. Wenn bei der Herstellung jedoch ein Überschuss an Phenol verwendet wird, können Thermoplaste entstehen.
• Epoxidharze.
• Melaminharze.
• Bakelit.
• Amino-Polymere: Polymere von Harnstoff und Derivaten. Zu dieser Gruppe gehört Melamin.
• Polyester: Harze aus der Veresterung von Polyolen, die üblicherweise in Lacken eingesetzt werden. Wenn die Säure im Überschuss vorliegt, entstehen Thermoplaste.

Klassifizierung nach Synthesereaktion

Kunststoffe können je nach der Reaktion, durch die das Polymer hergestellt wird, klassifiziert werden:

Additionspolymere

Die Reaktion beinhaltet immer das Aufbrechen oder Öffnen einer Bindung des Monomers, um die Bildung einer Kette zu ermöglichen. Je länger und schwerer die Moleküle werden, desto härter und zäher wird das Material (z. B. Paraffin). Beispiel:

 2n H 2 C = CH 2 ? [-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2 -] n

Kondensationspolymere

Dies sind Polymere, bei denen die Reaktion zwischen vorhandenen reaktiven funktionellen Gruppen in den Monomeren stattfindet. Es müssen mindestens zwei reaktive Gruppen pro Monomer vorhanden sein, um die Kontinuität der Kette zu gewährleisten. Beispiel:

 R-COOH + R "-OH ? R-CO-OR '+ H 2 O 

Stufenwachstumspolymere

Die Polymerkette wächst allmählich, solange Monomere verfügbar sind, wobei jeweils ein Monomer hinzugefügt wird. Diese Kategorie umfasst alle Carothers Kondensationspolymere sowie einige andere kleine Moleküle, die nicht frei sind, sondern nach und nach gebildet werden, wie zum Beispiel Polyurethane.

Kettenwachstumspolymere

Jede einzelne Polymerkette wird schnell gebildet und wird dann inaktiv, auch wenn sie von Monomeren umgeben ist.

Klassifizierung nach molekularer Struktur

Amorphe Kunststoffe

Amorphe Kunststoffe sind solche, bei denen die Moleküle keine geordnete Struktur aufweisen, sondern zufällig angeordnet sind. Da zwischen den Ketten keine Ordnung herrscht, entstehen Lücken, durch die Licht fällt. Amorphe Polymere sind daher transparent.

Teilkristalline Kunststoffe

Teilkristalline Polymere besitzen geordnete (kristalline) Bereiche neben amorphen Bereichen. Da in den geordneten Bereichen weniger Zwischenräume zwischen den Ketten vorhanden sind, fällt das Licht nicht hindurch, es sei denn, die Dicke ist sehr gering.

Kristallisierbarkeit

Der Prozentsatz der Kristallinität eines teilkristallinen Polymers kann durch Verringern (Abschrecken) oder Erhöhen (langsame Abkühlung) der Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst werden. Bei amorphen Polymeren ist die Kristallinität, selbst bei extrem langsamer Abkühlgeschwindigkeit, nicht vorhanden.

Klassifizierung nach Marktsegment

Eine weitere Klassifizierung erfolgt nach Verfügbarkeit und dem Marktsegment, das beliefert wird.

Commodity Plastics (Standardkunststoffe)

Dies sind Kunststoffe, die eine hohe Produktionsrate, Verfügbarkeit und weltweite Nachfrage aufweisen. Sie haben festgelegte internationale Preise und erfordern keine Hochtechnologie für ihre Herstellung und Verarbeitung.

Technische Kunststoffe (Engineering Plastics)

Dies sind Materialien, die speziell entwickelt wurden, um nahezu jede technische Funktion zu erfüllen. Sie erfordern spezielle Technologien für die Herstellung oder Verarbeitung und sind relativ hochpreisig.

Elastomere und Gummi

Elastomere zeichnen sich durch hohe Elastizität und die Fähigkeit zur Dehnung und Erholung aus. Sie stellen ihre ursprüngliche Form wieder her, sobald die verformende Kraft entfernt wird. Dazu gehören natürlicher und synthetischer Gummi; zu den letzteren zählen Neopren und Polybutadien. Elastomere bestehen aus großen Molekülen, die nach der Verformung bei Raumtemperatur ihre Größe und Geometrie wiedererlangen, sobald die verformende Kraft freigegeben wird.

Häufige Anwendungsbereiche

• Als elektrischer Isolator.
• Anwendungen in der Industrie und bei Konsumgütern (Verpackungen, Müllbeutel, etc.).
• Bauwesen (Sanitäranlagen, Isolationsschaum, Polystyrol usw.).
• Verschiedene Industrien: Motorteile, Karosseriewerkstätten, Spielzeug, Gepäck, Sportartikel, Textilien.
• In Elektrogeräten.
• In Computern und Möbeln.