|
2.1. Aufbau
Kunststoffe sind makromolekulare (griech. makros = groß) organische Werkstoffe (d.h. sie enthalten mehr als 1000 Atome und haben eine Molekülmasse > 10000 g/mol), die durch Umwandlung von Naturprodukten (z.B. Kautschuk) oder vollsynthetisch aus niedermolekularen Stoffen hergestellt werden (s. 2.3).
Ihre Eigenschaften beruhen in erster Linie auf dem strukturellen Aufbau und dem Grad der Vernetzung und erst in zweiter Linie auf der chemischen Zusammensetzung.
Kunststoffe sind fadenförmig oder vernetzt aufgebaut, wobei die Verknüpfung über Kohlenstoffketten oder über Heteroatome (Sauerstoff-, Stickstoff-, Schwefelatome) erfolgen kann.
Kunststoffe zeichnen sich durch eine relativ geringe Dichte, recht hohes elektrisches Isolationsvermögen, chemische Resistenz gegen feuchte Luft und Säuren, sowie leichte Verarbeitbarkeit aus.
Gegenüber den Metallen sind sie weniger Wärmeformbeständig und von zum Teil erheblich geringer mechanischer Festigkeit.
2.2 physikalische Eigenschaften
Man unterscheidet nach physikalischen Eigenschaften:
® Thermoplastische Kunststoffe
diese sind ausschließlich aus linearen Makromolekülen aufgebaut. Sie fließen beim Erwärmen und können daher wiederholt verformt werden ( z.B. Polyethylen).
® Duroplastische Kunststoffe
härten irreversibel aus durch Ausbildung dreidimensional stark vernetzter
Makromoleküle. Die einmal nach Erkalten erhaltene Form kann nur minimal
verändert werden. Beim Erwärmen zersetzen sich Duroplaste ohne vorheriges
erweichen ( z.B. Phenoplaste).
® Elastomere
sind formfest, aber elastisch stark verformbar, da sie nur sehr weitmaschig vernetzt sind; in bestimmten Temperaturbereichen sind sie Thermoplastisch.
2.3. Herstellung von Kunststoffen (allgemein)
Alle Kunststoffe sind wie die Makromoleküle der Natur (Eiweiß, Stärke, Cellulose) aus einem Grundbaustein, dem Monomer, das in massenhafter Aneinanderreihung (siehe Polyaddition 2.4.), oder auch Vernetzung den hochmolekularen Stoff, das Polymer bildet. So bildet z.B. das Ethylenmolekül in n-facher Verkettung das Polyethylen (siehe auch Polymerisation 2.4.).
Je nach Herkunft bzw. Herstellung unterscheidet man zwischen:
® halbsynthetischen Kunststoffen
dies sind abgewandelte Naturprodukte ( z.B. Celluloseester u. -ether)
® vollsynthetischen Kunststoffen
Herstellung erfolgt aus niedermolekularen Substanzen durch
· Polymerisation
· Polyaddition
· Polykondensation
Bei der Herstellung fallen die polymeren Rohprodukte zunächst als Lösungen, Emulsionen, Flüssigkeiten, Perlen oder Blöcke an. Diese dienen dann als Grundstoffe für Lacke und Klebemittel.
Die Umwandlung der polymeren Rohprodukte in praktikable (verwendbare) Kunststoffe erfordert den Zusatz von Hilfsmitteln (siehe 2.5).
2.4. Herstellung von Kunststoffen (spezifisch)
2.4.1. Polymerisation
Bei der Polymerisation gehen ungesättigte Monomere unter dem Einfluß von Katalysatoren und unter Auflösung ihrer Mehrfachbindung in Polymere über.
Die Polymerisation ist eine Kettenreaktion, die Monomeren lagern sich dabei zu langen Fadenmolekülen unterschiedlichen Polymerisationsgrades zusammen.
Der Polymerisationsgrad bestimmt die Eigenschaften des entstehenden Kunststoffs und soll im Endprodukt möglichst innerhalb eines engen Bereichs liegen.
Bei der Polymerisation gibt es vier Möglichkeiten die Kettenreaktion auszulösen, die
· radikalische Polymerisation wird durch Radikalbildner ausgelöst (z.B. organische Peroxide).
· koordinative Polymerisation mit bestimmen Katalysatoren (z.B. Aluminiumtrialkylen) zeichnet sich durch sehr einheitliche Endprodukte aus.
· Mischpolymerisation, hier werden zwei oder mehr verschiedene Monomere eingesetzt, dadurch lassen sich die Eigenschaften der entstehenden Polymerisate in weiten Grenzen variieren.
· ionische Polymerisation, hier sind die Reaktionsträger Ionen. Zur Startreaktion ist nur eine geringe Aktivierungsenergie nötig, daher können ionische Polymerisationen unter Mitwirkung von Lewis-Säuren ( z.B. Bortriflourid BF3) als Katalysatoren bei sehr niedriger Temperatur ablaufen, z.B. Polymerisation von 2-Methylpropen (Isobuten) bei -70°C ( siehe Abb. unten).
Der Kettenumbruch kann durch Rückbildung des Katalysators oder auch durch Zusätze erfolgen, die mit Ionen neutrale Verbindungen bilden ( siehe Abb. unten).
2.4.2. Polyaddition
Die Polyaddition führt durch (vielfach wiederholte) Aneinanderlagerung (Addition) gleichartiger oder verschiedener Monomere zu höhermolekularen Verbindungen (Polyaddukten). Der Reaktionsmechanismus läuft dabei unter Protonenwanderung ab (siehe Abb.)
Voraussetzung für eine Polyaddition ist das Vorhandensein mehrerer reaktionsfähiger Gruppen im Molekül des Monomeren, z.B. Hydroxyl-, Amino-, oder Carboxylgruppen (-OH, -NH2. -COOH).
Die Polyaddition verläuft ohne Abspaltung niedermolekularer Produkte. Im Gegensatz zur Polymerisation findet bei der Polyaddition eine Umlagerung im Molekül des Monomeren statt. Die Bindungen zwischen den einzelnen Monomeren werden bei der Polyaddition ausschließlich durch Heteroatome wie Sauerstoff-, Stickstoff-, oder Schwefelatome gebildet.
2.4.3 Polykondensation
Die Polykondensation beruht auf einer vielfach wiederholten Kondensationsreaktion zwischen Molekülarten (z.B. Dialkohole, Dicarbonsäuren) unter gleichzeitigem Freiwerden von niedermolekularen Spaltprodukten (Wasser, Alkohole, Salzsäure).
Im Gegensatz zur Polymerisation ist die Polykondensation keine Kettenreaktion, d.h. jeder einzelne Polykondensationsschritt benötigt eine bestimmte Energiezufuhr.
2.5. Hilfsmittel
® Füllstoffe
werden als Streckmittel und zur Verbesserung mechanischer Eigenschaften eingesetzt.
® Stabilisatoren
verhindern Abbaureaktionen durch Wärme, Oxidation, Licht oder UV-Strahlen( z.B. bei PVC: Blei-, Cadmium- oder Bariumsalze u.a.)
® Gleit- und Trennmittel
verbessern die Bearbeitungseigenschaften. Übliche Gleitmittel sind hauptsächlich Wachse und Metallstearate. Verwendete Trennmittel sind u.a. Talkum, Seifenlösungen und Wachslösungen.
® Weichmacher
bewirken eine Erhöhung der Plastizität und eine verringerte Härte bei Thermoplastischen Kunststoffen.
Weichmacher sind meist esterartige Stoffe, welche gleich bei der Polymerisation (innere Weichmacher) eingebaut, oder nachträglich (äußere Weichmacher) zugegeben werden.
Äußere Weichmacher wirken wie Lösungsmittel. Sie werden bei Anwendung geringer Mengen über Nebenvalenzen gebunden, quellen den Kunststoff auf und führen ihn in einen Gelzustand über.
Kunststoffe können bei Kontakt mit anderen Stoffen Weichmacher "abgeben". Damit können sich Gewicht, Abmessungen und andere Eigenschaften ändern, bzw. die Umgebung kann nachteilig beeinflusst werden. Daher können gegen den Einsatz von Weichmachern in Lebensmittelverpackungen gesundheitliche Bedenken bestehen.
Ein Auszug aus dem "Kunststoff Lexikon" (s. Literaturnachweis) zum Begriff der "physiologischen Unbedenklichkeit":
"Kunststoffe werden als hochmolekulare Stoffe vom menschlichen Organismus nicht resorbiert. Sie sind deshalb insoweit im Sinne des Lebensmittelgesetzes unschädlich. Dagegen können Anteile an Monomeren, Polymerisations- oder Verarbeitungshilfsmitteln wie Härtern, Stabilisatoren, Gleitmitteln sowie Füllstoffen, Farbstoffen, Weichmachern als z.T. lösliche und resorbierbare Produkte nachteilige Wirkungen ausüben oder doch ungewiß in ihrer Auswirkung im Organismus sein. Außerdem dürfen die Lebensmittel weder geruchlich noch geschmacklich durch die Bedarfsgegenstäde beeinträchtigt werden. Das Lebensmittelgesetz der Bundesrepublik Deutschland sieht deshalb Positivlisten der Kunststoffe und Beimischungen vor, die als physiologisch unbedenklich angesehen werden können, bzw. es legt Grenzwerte fest für zulässige Anteile an Fremdstoffen oder an abgegebenen Produkten (z.B. Formaldehyd, Styrol). Bei Verpackungstoffen spielen außerdem die Licht, die Gas und die Wasserdampf-Durchlässigkeit eine bedeutende Rolle.
[...] Die volle Verantwortung für die richtige Auswahl des Kunststoffs liegt beim Endverarbeiter, der erst den Einsatzzweck voll übersehen kann, und der in vielen Fällen auch erst die Qualität des Bedarfsgegenstandes prägt. Das Gesetz enthält lediglich Empfehlungen. Wer sich danach richtet, ist im allgemeinen der Beweißpflicht enthoben, die ihm aber dann voll zufällt, wenn er nicht- `empfohlene` Stoffe verwendet oder gesetzte Grenzen überschreitet.
Kennzeichnung von Bedarfsgegenstände im Sinne des Lebensmittelgesetzes mit RAL-Registriernummer s. DIN 7725, 10955."
|
