Eigenschaften von Kunststoffen

Was sind Kunststoffe?

Kunststoffe und ihre Eigenschaften

Kunststoffe sind künstliche Polymere.

Die Vorsilbe poly kommt aus dem Griechischen und bedeutet viel.

Kunststoffe sind aufgrund ihrer Eigenschaften vielseitig einsetzbar.

Im Vergleich zu anderen Werkstoffen sind Kunststoffe

• leichter als Metalle,
• weniger zugfest als Holz,
• verformbar, also plastisch, und
• elektrisch isolierend.

Wegen dieser Eigenschaften werden Kunststoffe zu Textilien, Gefäßen, Verpackungsmaterialien, Gehäusen von verschiedensten Elektrogeräten, Spielzeug, Sportartikeln und vielem mehr verarbeitet.

Im Alltag hört man manchmal den Begriff Plastik anstelle von Kunststoff. Plastik kommt aus dem Griechischen plassein und bedeutet formen.

Des Weiteren haben Kunststoffe eine geringe Wärmeleitfähigkeit und werden daher zum Beispiel als Materialien für die Wärmedämmung verwendet.

Kunststoffe haben keinen eindeutigen Schmelzpunkt. Ihre Schmelztemperatur erstreckt sich über einen Temperaturbereich, da die langen Ketten der Polymere unterschiedliche Polymerisationsgrade aufweisen und sich daher wie ein Stoffgemisch verhalten.

Wichtige Kunststoffe kannst du in der unten stehenden Tabelle entnehmen.

Kunststoffe klassifizieren

Kunststoffe lassen sich in drei verschiedene Gruppen klassifizieren, die Duroplaste, die Thermoplaste und die Elastomere.

Duroplaste, Thermoplaste und Elastomere weisen alle oben genannten Eigenschaften auf, da alle drei Typen organische, langkettige Polymere sind. Sie unterscheiden sich jedoch in der Ausprägung der thermischen und mechanischen Eigenschaften.

Die unterschiedlichen Ausprägungen der thermischen und mechanischen Eigenschaften kann man auf die unterschiedlichen Strukturen auf molekularer Ebene zurückführen.

Die drei Kunststofftypen unterscheiden sich nämlich in ihrem Vernetzungsgrad.

Die Vernetzungsstellen entstehen durch kovalente Bindungen.

Duroplaste

Duroplaste weisen einen hohen Vernetzungsgrad auf. Die Polymerketten sind stark vernetzt durch die vielen Vernetzungsstellen.

Durch den hohen Vernetzungsgrad besitzen diese Kunststoffe eine hohe Beständigkeit gegenüber Temperaturen und mechanischen Einwirkungen. Vielleicht sind dir schon mal die gummiartigen Spitzen von Küchenzangen aufgefallen. Diese Spitzen bestehen aus Kunststoffen, meist Silikonen. Silikon ist ein Polymer, das im Gerüst Siliciumatome enthält. Küchenzangen sind so temperaturbeständig, dass du sie beim Braten zum Wenden und Herausnehmen der heißen Lebensmittel verwenden kannst.

Duroplaste können nur während der Herstellung aus den Reaktanten verformt oder in Form gegossen werden. Nach der Aushärtung sind Duroplaste fest und nicht mehr verformbar.

Die Vorsilbe duro- kommt aus dem Lateinischen und bedeutet hart, fest.

Duroplaste sind nach der Aushärtung auch nicht mehr schmelzbar. Sie fangen ab ihrer Zersetzungstemperatur an, zu zerfallen.

Duroplaste können nach der Aushärtung teilweise mechanisch bearbeitet werden. Sie können nicht mehr in Form gezogen oder gedrückt, aber noch gesägt werden. Duroplaste sind nämlich spröde.

Elastomere

Elastomere haben einen mittleren Vernetzungsgrad. Die Polymerketten sind weniger stark vernetzt als bei den Duroplasten.

Materialien aus Elastomeren sind, wie der Name schon sagt, elastisch, also verformbar.

Die Vorsilbe elasto- kommt aus dem Griechischen und bedeutet dehnbar.

Elastomere können durch Ziehen und Drücken verformt werden, springen allerdings beim Loslassen wieder in ihre ursprüngliche Form zurück. Daher werden Elastomere für Reifen, Gummibänder und Bälle eingesetzt.

Wie Duroplaste sind Elastomere auch nicht mehr schmelzbar. Sie besitzen ebenfalls eine Zersetzungstemperatur.

Bei sehr niedrigen Temperaturen allerdings werden Elastomere auch spröde und verhalten sich wie Duroplaste.

Um elastische Kunststoffe zu erhalten, die aber auch schmelzbar sind, werden Kunststoffe mit elastischen und thermoplastischen Eigenschaften in der Herstellung vermischt. So entstehen thermoelastische Elastomere, die sowohl die Eigenschaften eines Elastomers als auch die Eigenschaften eines Thermoplasten besitzen.

Thermoelastische Elastomere sind weniger vernetzt als die üblichen Elastomere. Sie haben also einen noch niedrigeren Vernetzungsgrad.

Thermoplaste

Thermoplaste haben keine Vernetzungsstellen und besitzen somit den niedrigsten Vernetzungsgrad. Die langen Polymerketten sind nicht kovalent miteinander verbunden, sondern ziehen sich nur durch Van-der-Waals-Kräfte an.

Thermoplaste sind daher bei höheren Temperaturen verformbar.

Die Vorsilbe thermo- kommt aus dem Griechischen und bedeutet warm, heiß.

Die Verformbarkeit eines Thermoplasten ist von Temperatur zu Temperatur verschieden.

Schon bei leichter Erwärmung wird der Thermoplast verformbar, allerdings springt der Kunststoff bei Abkühlung wieder in die ursprüngliche Form zurück. In diesem Temperaturbereich ist der Thermoplast thermoelastisch und seine Eigenschaften sind mit thermoelastischen Elastomeren vergleichbar.

Erhöht man die Temperatur weiter, gerät der Thermoplast in einen Zustand, in dem er immer noch verformbar ist, aber bei Abkühlung nicht mehr in die ursprüngliche Form zurückgeht. In diesem Temperaturbereich verhält sich der Kunststoff thermoplastisch.

Bei noch höheren Temperaturen beginnt der Thermoplast, zu schmelzen.

Wird die Temperatur noch weiter erhöht, dann beginnt der Thermoplast, sich zu zersetzen wie Duroplaste und Elastomere.

Sind Kunststoffe unzerstörbar?

Kunststoffe sind unter anderem wegen ihrer Beständigkeit gegenüber Temperatureinflüssen und mechanischen Einwirkungen gern eingesetzte Werkstoffe. Sie sind aber nicht unbegrenzt beständig.

Kunststoffe können bei Kälte oder über die Zeit spröde und damit anfällig für Zerstörungen werden. Bei sehr hohen Temperaturen erreichen alle Kunststofftypen ihre Zersetzungstemperaturen.

Auch gegenüber einigen Chemikalien, vor allem Lösungsmitteln, sind Kunststoffe unbeständig.

Verhalten gegenüber Chemikalien

Kunststoffe sind porös, das heißt, dass sie kleine Öffnungen auf der Oberfläche besitzen. Durch diese kleinen Öffnungen können Chemikalien in die Kunststoffe eindringen.

Da Kunststoffe organische Moleküle sind, schaden ihnen vor allem organische Lösungsmittel wie Aceton, Methanol, Benzin und Chloroform. Wenn die Moleküle des Lösungsmittels in den Kunststoff gelangen, dann quellen die Kunststoffe auf und verlieren so ihre Eigenschaften. Säure wie konzentrierte Essigsäure, aber auch anorganische Säuren wie Salzsäure können Kunststoffe zersetzen.

Unbeständige Kunststoffe sind zum Beispiel Polyamid, Polystyrol und PMMA.

Kunststoffe und Recycling

Die Beständigkeit der Kunststoffe macht sie zu schwer recycelbaren Kunststoffen, aber wie schon erwähnt sind sie nicht unbegrenzt gegenüber äußeren Einflüssen beständig.

Ein Großteil der Kunststoffabfälle wird durch Recycling wiederverwertet. Es gibt drei Möglichkeiten des Recyclings.

1. Eine Möglichkeit des Recyclings ist das rohstoffliche Recycling. Hierbei wird der Kunststoff in seine Grundbestandteile, also Rohstoffe, aufgetrennt, sodass aus den Rohstoffen erneut Polymere erzeugt werden können. Allerdings sind die meisten Kunststoffe Stoffgemische aus verschiedenen Polymeren und weiteren Zusätzen wie Weichmacher oder Pigmente. Dadurch wird das rohstoffliche Recycling sehr stark erschwert. Deshalb macht das rohstoffliche Recycling nur einen geringen Anteil aus.

2. Eine weitere Möglichkeit ist das werkstoffliche Recycling, bei dem die Kunststoffe grob sortiert und für Werkstoffe meist mit geringerer Qualität wiederverwendet werden. Fast die Hälfte der Kunststoffe wird werkstofflich recycelt.

3. Die am häufigsten angewandte Variante des Recyclings ist das thermische Recycling, da hier die Sorte und der Typ des Kunststoffs keine Rolle spielt. Die Kunststoffe werden, ohne vorher sortiert werden zu müssen, verbrannt und die dabei gewonnene Wärmeenergie wird wiederverwertet. Zum Beispiel kann die gewonnene Wärmeenergie als Heizwärme verwendet oder in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Nachteil des thermischen Recyclings ist die Erzeugung von Kohlenstoffdioxid $\ce{CO2}$ durch das Verbrennen der organischen Stoffe. Etwas mehr als die Hälfte der Kunststoffabfälle wird thermisch recycelt.

Viel geforscht wird an biologisch abbaubaren Kunststoffen. Das sind Kunststoffe, die durch Mikroorganismen wie spezielle Bakterien abgebaut und kompostiert werden können. Ein biologisch abbaubarer Kunststoff ist Polylactid, das aus der Milchsäure gewonnen wird.

Zusätze in Kunststoffen

Arten von Zusätzen

Die Eigenschaften von Kunststoffen können durch Zusätze noch etwas abgeändert und angepasst werden.

Zum Beispiel kann die Farbe durch den Zusatz von Farbstoffen verändert werden.

Einigen Kunststoffen werden aufgrund ihrer spröden Eigenschaften weich machende Chemikalien zugegeben, die die elastische Eigenschaft verbessern. Solche Zusätze heißen Weichmacher.

Stabilisatoren können die Beständigkeit von Kunststoffen gegenüber Wärme und Licht erhöhen.

Damit brennbare Kunststoffe nicht schnell entzündlich oder entflammbar sind, werden ihnen Flammschutzmittel zugesetzt.

Gesundheitsgefährdende Zusätze

Viele Zusätze in Kunststoffen sind gesundheitsgefährdend oder sogar extrem giftig. Zusätze sind vor allem gesundheitsgefährdend, da sie leicht flüchtig und nicht fest im Kunststoff gebunden sind. Nicht nur durch direkten Kontakt mit den Kunststoffen gelangen die frei werdenden Zusatzstoffe in den Körper. Die flüchtigen Moleküle der Zusatzstoffe gelangen in die Umwelt und können sich in der Atemluft verteilen. Der Körper nimmt sie dann nicht nur durch die Haut auf, sondern auch durch die Atemwege. Durch Verpackungsmaterialien gelangen sie auch in Nahrungsmittel und so in den menschlichen Körper.

Besonders gefährlich sind Zusatzstoffe, die ins Hormonsystem des Menschen eingreifen. Sie beeinflussen unter anderem den Stoffwechsel und die Entwicklung der Organe wie zum Beispiel das Gehirn. Zu solchen hormonell wirksamen Zusatzstoffen gehören die Weichmacher Bisphenol A und Phthalate.

Da vor allem Kinder noch in ihrer körperlichen Entwicklung sind und besonders empfindlich gegenüber solchen Zusatzstoffen reagieren, ist der Einsatz von Phthalaten in Babyartikeln, Spielzeugen und Tellern sowie Besteck für Kinder verboten. Der Einsatz von Bisphenol A in Babyflaschen ist ebenfalls verboten.

Des Weiteren sind die erlaubten Mengen durch europäische Verordnungen sehr stark begrenzt worden.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Eigenschaften von Kunststoffen