Geschichte, Eigenschaften und Verwendung von Kunststoffen

Inhaltsverzeichnis

1. Definition

2. Geschichte der Kunststoffe

3. Vorteile und Nachteile der Kunststoffe

4. Struktur und Eigenschaften

5. Eigenschaften und Verwendung von Kunststoffen

6. Die Herstellung von Kunststoffen

7. Recycling von Kunststoffen

Anhang

Literaturverzeichnis

1.Definition

Kunststoff ist ein Material, das aus organischen, makromolekularen Polymeren besteht, wobei jedoch auch abgewandelte natürliche Makromoleküle (halbsynthetische Kunststoffe) zu den Kunststoffen zählen.

Diese Polymere unterscheidet man grundsätzlich in

- natürliche Polymere (Polysaccharide, Proteine, Nukleinsäuren... etc.) und
- synthetische Polymere - die Kunststoffe (PVC, PE, PET, ...etc.)

Kunststoffe an sich sind plastische Werkstoffe, die durch Pressen, Strangpressen (Extrudieren, Fließpressen), Gießen, Spritzgießen, Ziehen oder Tauchen in die gewünschte Form gebracht werden können. Unter Kunststoffen versteht man in erster Linie synthetische Verbindungen (z. B. Polyethylen und Nylon), daneben auch abgewandelte Naturprodukte wie Celluloid oder Kautschuk.

2.Geschichte der Kunststoffe

Die Entwicklung der Kunststoffe begann in den USA um 1860, nachdem Phelan and Collander, ein amerikanischer Hersteller von Billardbällen, einen Preis von 10 000 US-Dollar für einen brauchbaren Ersatz für Elfenbein ausgesetzt hatte. Der amerikanische Erfinder John Wesley Hyatt entwickelte daraufhin ein Verfahren zur Bearbeitung von Collodiumwolle (auch Pyroxylin) unter Druck. Dabei handelt es sich um ein Cellulosenitrat, das mit Campher und Alkohol plastisch gemacht wurde. Hyatt gewann den Preis zwar nicht, doch seine Erfindung, auch bekannt unter dem Handelsnamen Celluloid, wurde zur Herstellung von Produkten verwendet, die von Gaumenplatten bis zu Kragen von Herrenhemden reichten. Trotz seiner Entflammbarkeit und der mangelnden Lichtbeständigkeit erzielte Celluloid einen beachtlichen wirtschaftlichen Erfolg.

Unter den in den folgenden Jahrzehnten entwickelten Kunststoffen befanden sich die ersten vollsynthetischen Kunststoffe. Dazu zählt u. a. die Gruppe von Phenol-Formaldehyd-Harzen, welche der belgisch-amerikanische Chemiker Leo Hendrik Baekeland um 1906 entwickelte und die unter dem Handelsnamen Bakelit bekannt wurden. Außerdem gehören auch modifizierte natürliche Polymere wie beispielsweise Kunstseide dazu. In den zwanziger Jahren formulierte der deutsche Chemiker Hermann Staudinger die Vermutung, dass die Moleküle der Kunststoffe aus zahlreichen kleinen Moleküleinheiten aufgebaut sind. Die Versuche, diese Theorie zu beweisen, führten zu einer explosionsartigen

Entwicklung der wissenschaftlichen Forschung und diese ihrerseits zu bedeutenden Durchbrüchen in der Kunststoffchemie. Für seine entscheidenden Arbeiten im Bereich der Makromoleküle erhielt Staudinger 1953 den Nobelpreis für Chemie. In den zwanziger und dreißiger Jahren wurde eine Vielzahl neuer Produkte entwickelt, darunter Celluloseacetat

(CA), das beispielsweise für Photofilme und Fasern verwendet wird; Polyvinylchlorid (PVC) für Rohre, Beschichtungen und Isolierungen; Harnstoff-Formaldehydharze für Geschirr und elektrische Geräte; und Acrylharze wurden als Binder für Mehrschichtglas entwickelt.

Einer der bekanntesten Kunststoffe, der in dieser Zeit erfunden wurde, ist Polymethylmethacrylat, das unter der Bezeichnung ,,Plexiglas" auf den Markt kam. Plexiglas verwendete man für Brillengläser, Kameralinsen sowie für Straßenbeleuchtungen und Leuchtreklamen. Polystyrolharze, die um 1937 erstmals kommerziell hergestellt wurden, zeichnen sich durch hohe Widerstandsfähigkeit gegen chemische und mechanische Veränderungen bei tiefen Temperaturen und durch sehr geringe Aufnahme von Wasser aus. Aufgrund dieser Eigenschaften sind Polystyrole für Funkabschirmungen geeignet und für Geräte, die bei tiefen Temperaturen verwendet werden. Sie werden für Kühleinrichtungen und Flugzeugteile verwendet. Polytetrafluorethen (PTFE), erstmals 1938 hergestellt, wurde ab 1943 unter der Bezeichnung ,,Teflon" vertrieben. Eine weitere Schlüsselentwicklung in den dreißiger Jahren war die Synthese von Nylon, dem ersten technischen Hochleistungskunststoff.

Im 2. Weltkrieg waren die Kriegspartner mit einem ernsten Mangel an natürlichen Rohstoffen konfrontiert. Die Kunststoffindustrie war gefordert, Ersatzstoffe bereitzustellen. So entwickelte z. B. Deutschland, das keinen Zugang zu natürlichem Latex mehr hatte, einen brauchbaren synthetischen Gummi (Kautschuk). Durch den Kriegseintritt Japans haben beispielsweise die Vereinigten Staaten die Verbindung zu den Lieferanten von natürlichem Gummi, von Seide und vielen Metallen verloren. Die Reaktion darauf war eine beschleunigte Entwicklung und Produktion von Kunststoffen. Nylon ersetzte Textilfasern, Polyester wurden für die Herstellung von Panzerungen und anderem Kriegsgerät verwendet, und verschiedene Arten von synthetischem Gummi wurden in großen Mengen hergestellt.

3.Vorteile und Nachteile der Kunststoffe:

Vorteile:

- Kunststoffe verfügen aufgrund ihrer molekularen Struktur über eine geringe Dichte, was sich beim Transport und bei ihrer Verarbeitung zu Fahrzeugteilen günstig auswirkt

- Kunststoffe sind sehr haltbar, d.h. sie sind widerstandsfähig gegen Chemikalien, Verwitterung... etc.

- Kunststoffe eignen sich hervorragend zur Verwendung als Isolatoren (sowohl in der elektrischen als auch in der Wärmeisolation)

- Ihr gutes Färbverhalten, d.h. leichte ,,Färbbarkeit" und die Haltbarkeit der Farbe eignet die Kunststoffe zur Verwendung in der Lebensmittelindustrie

- Kunststoffe sind preiswert und leicht zu verarbeiten und damit zur Herstellung von Massen - artikeln geeignet

Nachteile:

- Kunststoffe haben eine geringe Wärmebeständigkeit (dadurch sind sie jedoch leicht zu bearbeiten)

- Plastik lässt sich auch nicht in jedem Gebiet anwenden, da es brennbar ist und zudem bei seiner Verbrennung giftige Gase entstehen (können)

- Durch ihre geringe Dichte haben sie eine geringe Härte und sind deshalb kaum kratzfest

- mit zunehmenden Alter werden Kunststoffe spröde und verfärben sich

- schließlich ist die gestiegene Verwendung von Kunststoff Auslöser für die aktuelle

Müllproblematik, da man nicht weiß wohin mit den sich nicht biologisch abbauenden Stoffen

- die Verbrennung ist deswegen umstritten, da dadurch aggressive Gase (HCl, HF) sowie Dioxine entstehen

Rohstoffe:

Ursprünglich stellte man die meisten Kunststoffe aus Harzen her, die aus pflanzlichem

Material gewonnen wurden (Zellulose aus Baumwolle oder Furfole aus Weizenkleie), aber auch nichtpflanzliche Rohstoffe (Casein) wurden verwendet.

Heute ist Erdöl neben Erdgas der wichtigste Rohstofflieferant für die Kunststofferzeugung. Allerdings gibt es seit einiger Zeit Forschungsanstrengungen, Kunststoffe aus natürlichen Produkten, so genannten nachwachsenden Rohstoffen zu entwickeln. Ein Beispiel hierfür wäre die Synthese eines mit holzähnlichen Eigenschaften auf der Basis von Lignin und Pflanzenfasern (z. B. Hanf oder Flachs). Dieser Kunststoff lässt sich z. B. auch nach dem Spritzgussverfahren verarbeiten.

4.Struktur und Eigenschaften:

Die Kunststoffe lassen sich nach zwei Gesichtspunkten einordnen:

1.) Nach der räumlichen Struktur, die das thermische und mechanische Verhalten bestimmt

2.) nach der Art der Verknüpfungsreaktion.

zu 1.): Hier unterscheidet man die Kunststoffe in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere.

Beim Erwärmen werden einige Kunststoffe weich und formbar.

Diese thermoplastischen Kunststoffe erstarren beim Abkühlen wieder in ihrer neuen Form. Sie bestehen aus einem Gemisch verschieden- langer, kettenförmiger Makromoleküle. Sie besitzen keinen genauen Schmelzpunkt, sondern nur einen Erweichungsbereich.

In diesen Makromolekülen verhindert die Summierung der zwischenmolekularen Kräfte ein Verdampfen der Stoffe; vorher kommt es zum Zersetzen oder Zerreißen der Ketten. Die Eigenschaften hängen stark von der Anordnung der Ketten im festen Zustand ab. Thermoplaste bestehen aus linearen oder verzweigten Molekülen, die untereinander mehr oder weniger starke intermolekulare Wechselwirkung ausüben. Man spricht auch von geordneten und ungeordneten Bereichen. Die kettenförmigen Makromoleküle der Thermoplaste bilden (wie Spaghetti auf einem Teller) ungeordnete Molekülknäuel. Polymere mit dieser amorphem Struktur sind meist glasartig, transparent und spröde. Jedoch können sich auch geordnete, kristalline Bereiche (Kristallite) ausbilden. Die Makromoleküle sind hier parallel ausgerichtet oder lamellenartig gefaltet. Hier können sich auch kugelförmige Kristallite (Sphärolithe) bilden. Der Anteil an geordneten Bereichen zum

Gesamtvolumen bestimmt die mechanische Festigkeit des Plastiks.. Der ,,Kristallinitätsgrad" ist abhängig von der Gestalt des Makromoleküls - von der Art und der Stärke der zwischenmolekularen Bindungen und der Verarbeitung. Bei linearen Molekülen wird eine niedrige Kristallinität erreicht, diese fügen sich in amorpher Struktur zusammen und sind daher Transparent, elastischer und weniger wärmebeständig, als die Polymere mit teilkristalliner Struktur, da an den Kristalliten Licht gestreut und reflektiert wird.

Die im Unterschied zu den Thermoplasten nicht verformbaren Polymere nennt man Duroplaste. Diese sind von großer Festigkeit und Wärmebeständigkeit, sie bestehen aus vernetzten Molekülen, die ein unregelmäßiges dreidimensionales Gitter bilden. Das Duroplast erweicht bei erhitzen nicht. Sie sind härter und spröder als Plastomere Oberhalb von 300 ° tritt Zersetzung ein. Die Bearbeitung ist nach dem ausgehärteten Zustand nur noch mechanis ch möglich.Man kann zum noch nicht vollständigvernetzten Kunststoff anorganische Füllstoffe geben, um einen sehr widerstandsfähigen Werkstoff zu erzeugen.

Die dritte Gruppe von Polymeren sind die Elastomere. Zu dieser Gruppe zählen diesynthetischen und natürlichen Gummis.Die Elastomere besitzen nur wenige Quervernetzungen zwischen den Molekülketten, wodurch sie elastisch, also dehn- und formbar sind. Nach Druck oder Zug nehmen die Elastomere die ursprüngliche Form aber wieder ein.

In der Herstellung von Gebrauchselastomeren bedient man sich zusätzlich einer Einarbeitung eines ,,Gedächtnisses" , um die Elastomere nach dem Verformungsvorgang in die alte Form zurück zu bringen.

Beispielsweise erreicht man durch das Vulkanisieren von Kautschuk ( Dunlop! erhitzen mit Schwefel) die Bildung von Hartgummi. Zur Herstellung werden 3-5% Schwefel zugesetzt.

5. Eigenschaften und Verwendung von Kunststoffen

Von morgens bis abends bedienen wir uns einer Vielzahl von Gebrauchs gütern, die aus Kunststoffen bestehen, so dass uns ein Leben ohne Kunststoffe kaum noch vorstellbar scheint. Andererseits wissen wir trotz des vielseitigen Einsatzes von Kunststoffen und ihrer unterschiedlichen Erscheinungsformen sehr wenig über die Chemie der verschiedenen Kunststoffe.

Das Gebiet der Kunststoffe, die früher auch als Plaste bezeichnet wurden, ist in wissenschaftlicher und technischer Hinsicht besonders in den letzten 4 Jahrzehnten enorm angewachsen und befindet sich noch immer in stetiger Aufwärtsentwicklung. Inzwischen gibt es zahlreiche Kunststoffe mit speziellen, zweckbestimmten Eigenschaften. Zwei grundlegende Materialeigenschaften von Kunststoffen sind uns aus dem alltäglichen Gebrauch und alltäglichen Erfahrungen bekannt. So wissen wir, dass z. B. eine Plastiktüte unter dem Einfluss starker Hitze (z. B. einer heißen Herdplatte) zu schmelzen beginnt, während ein Kochlöffel dieses unbeschadet überstehen würde. Weiterhin kennen wir aus dem Alltag Kunststoffe, die unter dem Einfluss mecha nisch einwirkender Kräfte ihre Form behalten, während sich andere, wie z. B. Gummis, dehnen lassen und später ihre ursprüngliche Form wieder einnehmen. Sie zeigen ein elastisches Verhalten. Diese zwei Materialeigenschaften, das Verhalten gegenüber Erwärmung und die Elastizität, werden auch zur Einteilung der Kunststoffe herangezogen. Thermisch verformbare Kunststoffe heißen Thermoplaste, hitzebeständige Kunststoffe werden als Duroplaste und elastische Kunststoffe als Elastomere bezeichnet.

Diese verschiedenen Eigenschaften der Kunststoffe basieren auf ihrem unterschiedlichen molekularen Aufbau. Kunststoffe bestehen aus sehr großen Molekülketten (Makromolekülen), die unterschiedlich angeordnet und vernetzt sein können.

Thermoplaste

In Thermoplasten liegen die Makromoleküle hauptsächlich nebeneinander vor. Wird ein solcher Kunststoff erwärmt, können die Moleküle aneinander entlanggleiten und der Gegenstand verformt sich. Beim Abkühlen erhärtet der Kunststoff zu einer neuen Form.

Duroplaste

Die Duroplaste sind aus Makromolekülen aufgebaut, die engmaschig miteinander vernetzt sind. Dabei entstehen zwischen den Molekülen feste Bindungen, so daß die Moleküle beim Erhitzen nicht aneinander vorbeigleiten können.

Elastomere

Die Makromoleküle der Elastomere bilden dichte "Knäule". Beim Dehnen eines

Gegenstandes aus Elastomeren werden die "Knäule" auseinandergezogen. Lässt man den Gegenstand wieder los, "verknäulen" sich die Moleküle erneut.

Einige Kunststoffe besitzen auch die Eigenschaft, sich gut in organischen Lösungsmitteln bzw. Lösungsmittelgemischen zu lösen. Solche Kunststoffe werden in Lacken verwendet.

6. Die Herstellung von Kunststoffen

Wie der Name schon sagt, werden Kunststoffe auf künstlichem Wege (synthetisch) hergestellt. Ihre Herstellung erfolgt immer durch Verknüpfung vieler kleiner Moleküle (Monomere) zu den großen Makromolekülen (Polymere) der Kunststoffe. Dies läßt sich vereinfacht mit dem Bau eines Turms aus vielen kleinen LEGO® -Steinen vergleichen, der später eine neue und größere Gestalt besitzt, als die einzelnen Teilchen zuvor. Die zur Herstellung von Kunststoffen verwendeten Monomere sind zum Teil Produkte der Erdölaufbereitung bzw. aus diesen synthetisiert. Inzwischen wurden aber auch schon eine Reihe von Kunststoffen entwickelt, die aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden können.

Trotz des ähnlichen Prinzips der Herstellung polymerer Verbindungen, sind die Reaktionen, die zur Verknüpfung der Monomere führen, verschieden. Je nachdem, welche chemischen Eigenschaften die Monomere besitzen, lassen sie sich durch Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition miteinander verknüpfen.

Polymerisation

Bei der Polymerisation vereinigen sich kleine Moleküle (Monomere), die Doppelbindungen aufweisen. Zunächst wird den Monomeren ein Aktivator zugesetzt, der Radikale bildet. Dies sind reaktionsfreudige Teilchen mit je einem ungepaarten Elektron. Ein solches Radikal lagert sich an ein Monomer an und erzeugt dabei ein neues, größeres Radikal, welches sich an ein weiteres Momomer unter erneuter Radikalbildung anlagert. So entstehen immer größere Radikale, bis keine Monomere mehr vorhanden sind oder zwei Radikale aufeinandertreffen.

In der folgenden Tabelle sind die Makromolekülausschnitte einiger Polymerisationsprodukte und deren Monomere dargestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Polymerisationsprodukte aus unterschiedlichen Monomeren

Polykondensation

Im allgemeinen verbinden sich bei Kondensationsreaktionen zwei Moleküle unter Abspaltung eines kleineren Moleküls, wie z. B. bei der Bildung von Estern. Polykondensationsreaktionen setzen im Molekül der Monomere mindestens zwei funktionelle Gruppen voraus, die zwischen den einzelnen Molekülen miteinander reagieren und so die Monomere zu Polymeren verknüpfen. Reagieren Carboxylgruppen (COOH-Gruppen) mit Hydroxylgruppen (OH-Gruppen) entstehen Ester; die sogenannten Polyester.

Außer den Polyestern gibt es aber auch Polykondensate, die aufgrund der Reaktion anderer funktioneller Gruppen synthetisiert werden und aus unterschiedlichen Monomeren aufgebaut sind. Beispiele hierfür sind Bakelit® (Phenol-Formaldehyd-Harz), Nylon und Perlon.

Polyaddition

Bei der Polyaddition reagieren unterschiedliche Monomere in einer Additionsreaktion miteinander, ohne daß ein Nebenprodukt entsteht. Beispiele für Kunststoffe, die durch

Polyaddition hergestellt werden, sind Polyurethane und auch Polyester, wobei letztere aus Anhydriden und Oxiden bzw. Alkoholen hergestellt werden, so daß kein Wasser als Nebenprodukt entsteht.

7.Recycling von Kunststoffen

Aufgrund der vielfältigen Verwendung von Kunststoffen und deren häufigem Einsatz als Einweg-Produkte, werden inzwischen nicht nur im Hinblick auf wachsende Müllberge, sondern auch hinsichtlich der verschwendeten Erdölrohstoffe verschiedene RecyclingVerfahren angewendet.

Widerverwertung von Kunststoffabfällen Kunststoff ist unverwüstlich, die meisten synthetischen Kunststoffe sind biologisch nicht abbaubar. Sie verrotten nicht.

Sie sind verantwortlich für die plötzliche Müllschwemme, da die Deponieflächen aber immer kleiner werden, muss die Entsorgung des Kunststoffmülls bedacht werden. Die Devisen lauten: Vermeiden, Vermindern, Verwerten Verbrennen

Recycling

Sortenreine Kunststoffe werden wieder eingeschmolzen und neu verarbeitet. Teilweise können sie in die Ausgangsstoffe aufgetrennt werden. Eine weitere Möglichkeit ist das Pressung von zerkleinerten Kunststoffteilen zu Lärmschutzwänden. Eine Möglichkeit gemischte Kunststoffabfälle zu recyceln ist die Pyrolyse. Die Pyrolyse ist ein Verfahren, bei dem feste Abfälle durch die Zufuhr von Hitze und Sauerstoff chemisch zersetzt werden. Dadurch entsteht ein Gasstrom, der je nach den Eigenschaften des pyrolysierten Materials aus Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, anderen Gasen und Asche bestehen kann.

Damit wird Müll verringert und Rohstoffe werden eingespart.

Verbrennen

Kunststoffe haben einen hohen Heizwert. Bei ihrer Verbrennung können jedoch giftige Nebenprodukte bei entstehen (bei chlorhaltigen Kunststoffen).

Man benötigt daher spezielle Verbrennungsanlagen ... die Dioxine zerfallen bei hohen Temperaturen. Aus ökologischer Sicht sind diese Anlagen jedoch umstritten. Kompostierbare Kunststoffe

In jüngster Zeit sind auch abbaubare Kunststoffe entwickelt worden, die auf Deponien normalerweise jedoch nicht verrotten.

Das heißt: Diese Kunststoffe haben die Eigenschaft biologischabgebaut werden zu können. Sie werden durch Mikroorganismen zu natürlich vorkommenden Stoffwechselprodukten zersetzt.

Von ihren Eigenschaften her sind sie vergleichbar mit herkömmlich Kunststoffen (bzgl.:

Verarbeitung) und werden erst unter Kompostierungsbedingungen abgebaut.

Anhang

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Eigenschaften und Verwendung verschiedener Kunststoffe

Literaturverzeichnis:

- C.C. Buchner, ,,Chemie SII"

- Die Grosse Bertelsmann Lexikothek

- Ein paar ausgewählte Seiten im Internet · Microsoft, ,,Encarta 98"

- Mein Chemiehefter

- Microsoft, ,,LexiRom 2.0"