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1.1 Was sind Kunststoffe?
Kunststoffe sind organische Werkstoffe, deren Hauptbestandteil Kohlenstoff ist. Fast alle Kunststoffe enthalten zusätzlich Wasserstoff, viele auch Sauerstoff oder Stickstoff. Wesentlich seltener findet man Schwefel, Chlor, Fluor oder Silizium in Kunststoffen.
Die Elemente sind zu riesigen, kettenförmigen oder netzartigen Molekülen zusammengeschlossen, die man wegen ihrer Größe als Makromoleküle bezeichnet.
Abb. 1: Modell eines Kunststoffmoleküls
Zahlreiche Naturstoffe wie etwa Zellulose, Stärke, Eiweißstoffe oder Harze sind ebenfalls aus Makromolekülen aufgebaut.
Abb. 2: Modell eines Zellulosemoleküls
1.2 Die Geschichte der Kunststoffe
Die Geschichte der Kunststoffe beginnt vor circa 140 Jahren mit der Entwicklung von Celluloid aus Cellulose. Zwar gab es schon im Mittelalter Rezepte zur
Herstellung von Kaseinharz und 1761 wurde in Frankreich Kautschuk zur Produktion von Schläuchen verwendet, doch die eigentliche Geschichte der
Kunststoffe beginnt erst mit der großtechnischen Nutzung der Kunststoffe selber und der Verfahren zu ihrer Herstellung.
Die Grundsteine für die Kunststoffchemie wurden schon in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts gelegt. Denn bereits 1837 entdeckte Justus von Liebig das Formaldehydharz und in den beiden darauffolgenden Jahren wurde Polyvinylchlorid im Labor hergestellt und die Polymerisation von Styrol beobachtet. Die großtechnische Nutzung dieser drei Kunststoffe begann jedoch
erst in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Obwohl die halbsynthetischen Kunststoffe Celluloid und Kunsthorn begannen sich auf dem Markt zu behaupten, waren die Chemiker immer noch auf der Suche nach vollsynthetisch zu erzeugenden Makromolekülen. Leo Hendrik Baekeland suchte diese Möglichkeit auf dem Gebiet der Phenol - Formaldehyd - Kondensation. Er fand die schon 1872 von A. Bayer beschriebenen, in Vergessenheit geratenen, Aufzeichnungen über "die Reaktion von Formaldehyd - Lösungen mit Phenol". Baekeland veränderte bei den Versuchen die Anteile von Säuren oder Alkalien und erhielt so technisch verwertbare Harze. Er schlug außerdem die Verwendung von Druck bei der Aushärtung der Harze vor, um dadurch ein weitgehend blasenfreies Produkt zu erhalten. 1909 begann Baekeland mit der Produktion des nach ihm benannten Bakelits. Ihm war es somit gelungen den ersten vollsynthetisch hergestellten Kunststoff technisch zu nutzen. Bakelit fand einen bedeutenden Einsatz in der damaligen Elektroindustrie und auch heute werden Phenolharze noch viel genutzt, vor allem als Bindemittel und für selbstschmierende Lager. Hierfür sind sie aufgrund ihrer Charakteristika wie Wärmebeständigkeit, Festigkeit und Härte besonders gut geeignet.
Im selben Jahr untersuchte Stobbe die Polymerisierbarkeit des Styrols. Die industrielle Großproduktion begann jedoch erst 1936. Die lange Zeit zwischen
Entdeckung und Nutzung des Polystyrols liegt zum Einen in den damaligen
wirtschaftlichen Verhältnissen und zum anderen in dem fehlenden Interesse der chemischen Industrie an synthetisch hergestellten Harzen begründet. Heutzutage ist Polystyrol einer der am meisten benutzten, da vielseitigsten, Kunststoffe. Seine Verwendung reicht von Verpackungsmaterial über Spielwaren und
Campinggeschirr bis hin zu optischen Linsen.
1922 schuf Hermann Staudinger die Grundlage für die spätere Kunststoffchemie. Denn er war der erste der davon ausging, dass "alle organischen Werkstoffe aus riesig langen Molekülketten bestehen" und führte für Molekülketten mit
einer Länge von mindestens 1.000 Atomen den Begriff Makromoleküle ein.
1.3 Wie werden Kunststoffe hergestellt?
Bei der Herstellung von Kunststoffen werden bestimmte Makromoleküle systematisch aufgebaut. Der Aufbau erfolgt aus einer Vielzahl kleiner gleichartiger Bausteine, die durch chemische Reaktion miteinander verbunden werden. Kunststoffe werden daher auch als polymere Stoffe bezeichnet, da sie durch das Aneinanderreihen und Verbinden sehr vieler Teile (poly = viele, meros_=_Teil) entstehen. In der Chemie nennt man diese Aufbaureaktionen Polymerisation.
Das regelmäßige Bauprinzip, bei dem sich ein bestimmter Teil des Makromoleküls ständig wiederholt (entsprechend den verwendeten Bausteinen), ist ebenso ein gemeinsames Merkmal aller Kunststoffe wie der Aufbau aus Makromolekülen.
Die Ausgangsstoffe (\"Bausteine\") für Kunststoffe sind einfach gebaute Kohlenstoffverbindungen, die heute aus Erdöl oder Erdgas gewonnen werden. Bis in die 60iger Jahre war Kohle der wichtigste Rohstoff für die Herstellung der \"Kunststoffbausteine\". Grundsätzlich eignen sich alle kohlenstoffhaltigen Rohstoffe als Basismaterial für die Gewinnung von Kunststoffbausteinen also auch nachwachsende Rohstoffe, wie z.B. Melasse (Rückstände aus der Zuckergewinnung).
Der Kunststoff Polyethylen, aus dem z.B. alle Tragtaschen sind, entsteht beispielsweise durch Polymerisation tausender Ethylenmoleküle.
Abb. 3: Ethylenmoleküle
Die Namen vieler Kunststoffe geben Auskunft darüber, welche \"Teilchen\" für ihre Herstellung verwendet werden:
Polyethylen = \"viele Ethylenteilchen\"
Polypropylen = \"viele Propylenteilchen\"
Polystyrol = \"viele Styrolteilchen\"
1.4 Die Kunststoffarten
Man kennt heute weit mehr als 200 verschiedene Kunststoffarten, die man nach verschiedenen Gesichtpunkten einteilen kann.
Eine Möglichkeit der Unterscheidung ist ihr Verhalten beim Erwärmen: Man unterscheidet Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste.
1.4.1 Thermoplaste
Sie erweichen beim Erwärmen bis zum Fließen und sind in diesem plastischen Zustand leicht formbar. Beim Abkühlen werden sie wieder fest und behalten ihre Form bei. Sie bestehen aus fadenförmigen Makromolekülen, die ineinander verknäuelt aber untereinander nicht verbunden sind (wie Spagetti auf einem Teller). Beim Erwärmen beginnen sich die Makromoleküle zu bewegen und können dabei aneinander abgleiten, da sie nicht verknüpft sind und der Kunststoff schmilzt.
Die meisten der heute bekannten Kunststoffe zählen zu den Thermoplasten: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polyamide (PA, z.B. Nylon , Perlon , Dralon ), Polycarbonate (PC), Polyethylenterephthalat (PET, z.B. Trevira), Polymethylmethacrylat (PMMA, z.B. Plexiglas )
1.4.2 Duroplaste
Bei diesen Kunststoffen sind die Makromoleküle in allen Raumrichtungen eng miteinander vernetzt. Duroplaste sind sehr hart und unschmelzbar. Man erhält sie, indem flüssige Ausgangsprodukte (z.B. Reaktivharze) miteinander reagieren und dabei die vernetzten Makromoleküle aufbauen. Duroplaste sind auch nur zu dem Zeitpunkt, an dem die Makromoleküle vernetzen, formbar, d.h. sie müssen bereits bei der Herstellung auch in die gewünschte Form gebracht werden.
Zu den Duroplasten zählen: Polyurethane (PUR), Phenolharze, Harnstoff- und Melaminharze, Polyesterharze, Epoxydharze, Silikone.
1.4.3 Elastomere
Ihr besonderes Merkmal ist ihre hohe Elastizität. Sie werden aber beim Erwärmen nicht plastisch und sind nicht schmelzbar. Ihre Makromoleküle sind an einigen Stellen miteinander verbunden und bilden ein weitmaschiges räumliches Netz. Das ist die Ursache für ihre Elastizität - das Material \"federt\" nach einer Verformung durch die Verknüpfung der Moleküle wieder in die Ausgangslage zurück - aber auch der Grund dafür, dass sie nicht schmelzen, da die Moleküle nicht mehr aneinander abgleiten können. Zu den Elastomeren zählen: Kautschuk, Gummi.
Eine andere Möglichkeit der Einteilung bieten die verschiedenen Eigenschaftsprofile.
Unter diesem Gesichtspunkt unterscheidet man Standardkunststoffe, Technische Kunststoffe und Hochleistungs- oder Spezialkunststoffe.
1.4.4 Standardkunststoffe
Auf sie entfallen fast 80% der Weltkunststoffproduktion. Die Anzahl der Kunststoffe in dieser Gruppe ist jedoch klein.
Polyethylen (PE) z.B. Waschmittelflaschen, Tragtaschen, Rohre
Polypropylen (PP) z.B. Margarinebecher, Stoßfänger, Teppichgarne
Polystyrol (PS), z.B. Joghurtbecher, Wärmedämmplatten
Polyvinylchlorid (PVC), z.B. Rohre, Fensterrahmen
Abb. 4: Beispiele für Standardkunststoffe
1.4.5 Hochleistungskunststoffe
Sie zeichnen sich dadurch aus, dass eine oder manchmal auch mehrere Werkstoffeigenschaften besonders hervorstechen, z.B. extreme Temperaturbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit, besondere Chemikalienbeständigkeit u.ä. Ihr Anteil an der Weltkunststoffproduktion liegt allerdings nur bei 0,2 %
Polyaryletherketone (PAEK),
Polyimide (PI),
Polyphenylensulfid (PPS),
flüssigkristalline Kunststoffe (LCP)
Abb. 5: Beispiel für Hochleistungskunststoffe
1.4.6 Technische Kunststoffe
Eine große Gruppe unterschiedlicher Kunststoffe und \"Kunststoff-Legierungen\". Mengenmäßig entfallen allerdings nur etwa 20% der Weltkunststoffproduktion auf technische Kunststoffe. In ihren Eigenschaften sind sie den Standardkunststoffen meist überlegen, v.a. was die mechanische Festigkeit und die Temperaturbeständigkeit betrifft.
ü Polyamide (PA): Maschinenteile, Fasern (Nylon, Perlon, Tactel),
ü Polycarbonate (PC): CDs, Schutzhelme, Mikroskopteile;
ü Polyethylenterephthalat (PET): z.B. Getränkeflaschen, Filme, Zahnräder, Schlafsackfüllungen;
ü Polymethylmethacrylat (PMMA): Autorückstrahler, Kontaktlinsen, Solarien, transparente Lärmschutzwände;
ü Fluorkunststoffe (PTFE, z.B. Teflon): Antihaft-Beschichtungenn für Bügeleisen, Pfannen usw., atmungsaktive Textilien (Gore-Tex), Dichtungen;
ü Polyurethane (PUR): Polstermöbel, Matratzen, Sportgeräte, Schuhsohlen, elastische Textilien (Elastan);
ü Phenol-, Harnstoff- und Melaminharze: Schaltergehäuse, Verteilerkästen, Spulenkörper, Laminatfussböden, Möbelplatten (Max-Platten);
ü Polyester- und Epoxydharze
Abb. 6: Smart als Beispiel für technische Kunststoffe
1.4.7 Warum gibt es so viele Kunststoffarten?
Kunststoffe kommen in sehr unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz, von der Medizin bis zur Raumfahrt. So vielfältig und verschieden wie die Anwendungsgebiete, sind auch die Anforderungen, die an das verwendete Material gestellt werden. Ein \"Einheitskunststoff\" oder einige wenige \"Allzweckkunststoffe\" können diese spezifischen Materialanforderungen nicht erfüllen.
Der Name Kunststoffe bezeichnet eine Werkstoffgruppe und ist vergleichbar mit den Bezeichnungen Metalle oder Keramik. Wie bei Metallen oder Keramik haben die Vertreter der Werkstoffgruppe einige grundlegende gemeinsame Merkmale, in ihren individuellen Eigenschaften wie z.B. Härte, Temperaturbeständigkeit, Transparenz usw. zeigen sie aber deutliche Unterschiede.
Abb. 7: Gebrauchstemperatur verschiedener Kunststoffe
Die individuellen Eigenschaften eines bestimmten Kunststoffes werden von den verwendeten \"Bausteinen\" und von der Art ihrer Verknüpfung bestimmt. Durch die Wahl geeigneter Ausgangsstoffe sind daher die Eigenschaften von Kunststoffen steuerbar und es gelingt, für eine bestimmte Anwendung einen Werkstoff mit genau passenden, sozusagen \"maßgeschneiderten\" Eigenschaften herzustellen.
1.5 Welche Vorteile haben Kunststoffe?
1.5.1 Sie sind leicht
Mit einer Dichte von 0,9 bis 1,5 g/cm3 zählen Kunststoffe zu den leichtsten Werkstoffen überhaupt. Lediglich Holz zeigt eine vergleichbar geringe Dichte.
Das geringe Gewicht von Kunststoffprodukten macht Kunststoffe zum effizienten Verpackungsmaterial: Bei in Kunststoff verpackten Waren entfallen durchschnittlich nur 1-3% des Produktgewichtes auf die Verpackung. 2 g Kunststofffolie verpacken 200 g Käse, in eine 85 g schwere Flasche lassen sich 1,5 Liter Flüssigkeit sicher abfüllen und ein Becher für 125 g Joghurt wiegt 3,5 g.
Leichte Kunststoffprodukte sind aber nicht nur angenehm und bequem, sondern leisten beim Bau moderner Verkehrsmittel einen wichtigen Beitrag zur Verringerung des Treibstoff- und Energieverbrauchs.
In einem heute gebauten Auto kommen etwa 140 kg Kunststoff zum Einsatz und ersetzen 200 bis 250 kg andere Materialien. 100 kg weniger Fahrzeuggewicht bedeutet eine Treibstoffersparnis von ca. 750 Liter im Laufe eines durchschnittlichen \"Autolebens\" von 150.000 Kilometern. Allein die österreichischen Autofahrer sparen durch den Kunststoff-Einsatz im Automobil 300 Millionen Liter Treibstoff in einem Jahr.
1.5.2 Sie lassen sich leicht und kostengünstig formen
Ihre gute und vergleichsweise leichte Formbarkeit lässt der Phantasie bei der Gestaltung von Kunststoffprodukten viel Raum. Es lässt sich zwar nicht jeder Formenwunsch in der Praxis verwirklichen - aber Ideen nehmen in Kunststoff Gestalt an .
bb. 8: Verformbarkeit der Kunststoffe
Der Wunsch nach ungewöhnlichen und komplizierten Formen hat nicht nur optisch-ästhetische Gründe, sondern sehr oft einen technischen oder wirtschaftlichen Hintergrund.
Abb. 9: Raumschiff
1.5.3 Sie sind gute Isolatoren für Wärme und elektrisch- en en Strom
Kunststoffe sind sehr schlechte Wärmeleiter und leiten elektrischen Strom praktisch nicht. Sie sind daher besonders gut für die Herstellung von Wärmedämmprodukten und elektrischen Isolatoren geeignet.
Abb. 10: Beispiel für Isolator aus Kunststoff
Eine 5 cm dicke Isolierschicht aus Kunststoffschaum reduziert die Heizenergie und die Heizkosten eines Einfamilienhauses auf nahezu die Hälfte. Die Heizung eines nicht isolierten Hauses verbraucht pro Jahr rund 10l Heizöl/m2 Außenhaut. Durch die einmalige Verwendung von 200 kg Kunststoffdämmung ersparen sich die Bewohner eines durchschnittlich großen Einfamilienhauses (200 m2 Außenfläche) jedes Jahr 1000 Liter Erdöl und der Umwelt 2.800 Tonnen Kohlendioxidemission. Abb. 11: Isolierschicht
1.5.4 Sie sind flexibel und anpassungsfähig
Kunststoffe sind in vieler Hinsicht flexibel: zum einen was die vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten betrifft, zum anderen lassen sich auch ihre Materialeigenschaften steuern und an den Einsatzbereich eines Produktes anpassen. Extrem dünne, zähe Folien sind einzigartige Produkte, die aus keinem anderen Werkstoff herstellbar sind. Sie passen sich wie eine zweite Haut vorgegebenen Formen an.
Ebenso lässt sich z. B. die Durchlässigkeit von Kunststofffolien für Gase genau einstellen. Solche Folien erlauben es, Verpackungen herzustellen die sich auf die Haltbarkeit von Frischprodukten günstig auswirken. Durch die Folie kann nur ein kontrollierter Gasaustausch stattfinden und in der Verpackung stellt sich ein für die Haltbarkeit günstiger Sauerstoffgehalt ein. Für Salat z.B. lässt sich mit Hilfe derartiger Verpackungen die Haltbarkeit um 50% erhöhen.
1.6 Wie viel Kunststoff wird produziert und ver-bra braucht?
Die weltweit jährlich produzierte und verbrauchte Menge an Kunststoffen liegt bei 150 Millionen Tonnen. 41 Millionen Tonnen oder 27% davon werden in Westeuropa produziert. In Österreich lag der Verbrauch von Kunststoffprodukten im Jahr 1999 bei rund 1 Million Tonnen.
1.6.1 Produktion von Rohkunststoffen in Österreich
In Österreich werden 4 verschiedene Kunststoffe erzeugt:
Polyethylen,
Polypropylen,
schäumbares Polystyrol und
Polymethylmethacrylat (Paraglas).
Polyethylen und Polypropylen werden von der Borealis GesmbH in Schwechat produziert.
Schäumbares Polystyrol erzeugt die Sunpor Kunststoff GesmbH in St. Pölten.
Polymethylmethacrylat stellt die Para-Chemie GesmbH in Gramatneusiedl her.
9 österreichische Unternehmen beschäftigen sich mit der Produktion verschiedener Kunstharze, die für die Herstellung von Farben, Lacken, Leimen, Klebstoffen, u.ä. verwendet werden.
Abb. 12: Herstellung von Kunststoffwaren in Österreich
Im Gegensatz zu den wenigen Betrieben, die in Österreich Kunststoffe erzeugen, sind im Bereich der Kunststoffverarbeitung mehr als 1000 Unternehmen mit annähernd 25.000 Beschäftigten tätig.
1.6.2 Kunststoffverarbeitung in Österreich
1999 wurden von bereits im Kapitel 1.6.1 genannten Betrieben 750.000 Tonnen Rohkunststoffe zu Kunststoffprodukten verarbeitet. Die wichtigsten in Österreich hergestellten Produkte sind: Verpackungsprodukte (Folien und Hohlkörper wie z.B. Fässer, Kanister, Flaschen, Dosen, Becher), technische Teile für den Automobilbau, den Maschinenbau und die Elektrotechnik sowie Rohre und Bauprodukte.
Abb. 13: Kunststoffverarbeitung in Österreich
1.6.3 Wo werden Kunststoffe eingesetzt?
Die großen Einsatzgebiete für Kunststoffe sind:
Verpackung 33%
Bauwesen 23%
Elektronik, Elektrotechnik 11%
Automobilindustrie 9%
Möbel, Einrichtung 6%
Landwirtschaft 2%
Klebstoffe, Farben, Lacke 4%
Haushaltswaren 3%
Sonstige (z.B. Medizin) 9%
Abb. 14: Einsatzgebiete für Kunststoffe
1.7 Wie viel Erdöl wird für die Herstellung verbraubraucht?
4 % des weltweit geförderten Erdöls werden für die Kunststoffherstellung verwendet. Fast 90 % werden als Brenn- oder Treibstoff eingesetzt und damit nur einmalig und kurzlebig genützt.
Abb. 15: Verbrauchte Erdölmenge
In Kunststoffprodukten bringt das Erdöl einen überwiegend langfristigen Nutzen:
ü 55 % aller Kunststoffprodukte werden in langlebigen Bereichen eingesetzt: im Bausektor, im Fahrzeug- und Maschinenbau und in der Elektrotechnik und Elektronik.
ü 10% der Kunststoffwaren werden in einem Zeitraum von 1 bis 10 Jahren ersetzt, z.B. Haushaltsgeräte, Haushaltswaren, Spielwaren, Sportartikel u.ä.
Abb. 16: Verwendungszweck und Einsatzdauer
ü 35% aller Kunststoffe gehen in Anwendungsbereiche, mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von einem Jahr. Dazu gehören Teile der Verpackung, Medizinartikel, manche Büroartikel.
Im Anschluss an diese erste Gebrauchsphase erhält ein Teil der Kunststoffe durch Recycling einen zweiten Gebrauchswert. Bei Produkten, die nicht für ein \"zweites Leben\" in Frage kommen, lässt sich der aus dem Erdöl stammende Heizwert der Kunststoffe zur Energiegewinnung heranziehen. Kunststoffe gewährleisten eine intelligente und mehrfache Nutzung des Rohstoffes Erdöl.
Abb. 17: Recycling von Kunststoffen
Der Einsatz von Kunststoffen ermöglicht in vielen Bereichen einen sparsamen Umgang mit dem Rohstoff Erdöl. z.B. durch Wärmedämmung im Baubereich, durch Gewichtsreduktion beim Bau von Verkehrsmitteln und die damit verbundene Senkung des Treibstoffverbrauches
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