BKM Kunststoffherstellung
Kunststoff ist ein organischer Werkstoff mit Kohlenstoff als Hauptbestandteil. Fast alle Kunststoffe enthalten außerdem Wasserstoffe, viele Kunststoffe zusätzlich Sauerstoff und Stickstoff.
Die Elemente sind zu großen, ketten- oder netzartigen Molekülen verbunden. Weil diese Moleküle eine enorme Größe aufweisen, werden sie auch als Makromoleküle bezeichnet.
Gleichzeitig hat der Aufbau aus Makromolekülen einen maßgeblichen Einfluss auf die Eigenschaften der jeweiligen Kunststoffe.
Inhalt:
Die verschiedenen Kunststoffarten
Kunststoffe werden in zahlreichen und gleichzeitig sehr verschiedenen Bereichen eingesetzt. So unterschiedlich wie die Anwendungen sind, so sehr unterscheiden sich auch die Ansprüche an das Material. Ein einziger Kunststoff oder nur einige wenige Allzweckkunststoffe wären nicht in der Lage, den teils sehr spezifischen Anforderungen gerecht zu werden.
Der Begriff Kunststoff steht deshalb für eine Gruppe aus Werkstoffen mit diversen Arten und Typen, ähnlich wie die Bezeichnungen Metall oder Holz. Wie Metalle und Hölzer haben auch Kunststoffe grundlegende Merkmale gemeinsam.
Doch in ihren individuellen Eigenschaften, beispielsweise mit Blick auf die Härte, die Temperaturbeständigkeit oder die Transparenz zeigen sie deutliche Unterschiede.
Die individuellen Eigenschaften eines Kunststoffs hängen davon ab, aus welchen Bausteinen er sich zusammensetzt und wie diese Bausteine miteinander verknüpft sind. Die Auswahl geeigneter Ausgangsstoffe, eventuell ergänzt um Zuschlagstoffe, erlaubt es deshalb, einen Kunststoff herzustellen, der exakt die Eigenschaften aufweist, die die jeweilige Anwendung verlangt.
Kunststoffarten nach ihrem Verhalten
Auch wenn es sehr viele verschiedene Kunststoffe gibt, lassen sie sich in drei große Gruppen einteilen. Maßgeblich für diese Einteilung ist, wie sich die Kunststoffe verhalten, wenn sie erwärmt werden.
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Thermoplaste erweichen unter Einfluss von Wärme und können im flüssigen Zustand leicht geformt werden. Beim Abkühlen werden sie wieder fest und behalten ihre Form bei. Sie bestehen aus Molekülketten, die Fäden ähneln und miteinander verknäuelt, aber untereinander nicht verbunden sind. In die Gruppe der Thermoplasten gehören zum Beispiel Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyamid und Polyvinylchlorid.
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Elastomere kennzeichnen sich durch ihre hohe Elastizität. Bei Raumtemperatur sind sie so elastisch wie Gummi. Wärme bewirkt nicht, dass Elastomere plastisch werden. Denn ihre Molekülketten sind an einigen Stellen miteinander verbunden und bilden ein weitmaschiges Netz. Beispiele für diese Kunststoffart sind Gummi und Kautschuk.
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Duroplaste haben Molekülketten, die in alle Richtungen eng vernetzt sind. Deshalb sind sie hart und plastisch nicht formbar. Das Formen muss dann geschehen, wenn sich die Makromoleküle vernetzen. Für die Herstellung von Duroplasten werden deshalb noch nicht vernetzte Vorprodukte, sogenannte Reaktivharze, verwendet. Die Formgebung und die Vernetzung erfolgen dann zeitgleich im Zuge der Verarbeitung. Zu den Duroplasten zählen zum Beispiel Polyurethan, Silikon oder Melamin-, Epoxid- und Polyesterharz.
Kunststoffarten nach Einsatzbereich
Eine andere Unterscheidung der Kunststoffarten ist anhand ihrer Eigenschaften und ihrer Einsatzbereiche möglich. Fast 80 Prozent der weltweiten Kunststoffproduktion entfallen auf die Standardkunststoffe. Dabei ist diese Gruppe sehr klein und umfasst im Wesentlichen Polyethylen, Polypropylen und Polystyrol.
Als dritte Gruppe gibt es die Hochleistungs- und Spezialkunststoffe. Darunter werden Kunststoffe verstanden, die zum Beispiel deutlich temperaturbeständiger, chemikalienbeständiger oder schlagzäher sind als Standard- und technische Kunststoffe.
Sie wurden eigens entwickelt, um extremen Beanspruchungen standzuhalten. Ihr Marktanteil ist sehr gering, wächst aber konstant.
Die Kunststoffherstellung
Um Kunststoffe herzustellen, werden Makromoleküle systematisch aufgebaut. Für den Aufbau werden kleine, gleichartige Bausteine durch eine chemische Reaktion miteinander verbunden. Weil viele Teilchen aneinandergereiht und miteinander verbunden werden, werden Kunststoffe auch Polymere genannt.
Dieser Name geht auf die griechischen Wörter „poly“ für „viele“ und „meros“ für „Teil“ zurück. Die Chemie bezeichnet die Aufbaureaktion als Polymerisation.
Das gleichmäßige Aufbauprinzip, bei dem sich ein bestimmter Teil eines Makromoleküls dauernd wiederholt, ist wie der Aufbau aus Makromolekülen ein charakteristisches Merkmal von Kunststoffen.
Die Bausteine für Kunststoffe sind einfache Kohlenstoffverbindungen, die heutzutage größtenteils aus Erdöl oder Erdgas gewonnen werden. Grundsätzlich können aber aus allen Rohstoffen, die Kohlenstoff enthalten, Bausteine für Kunststoffe abgeleitet werden.
Aus dem Namen eines Kunststoffs lässt sich oft ablesen, aus welchen Bausteinen er besteht. So wird zum Beispiel Polyethylen aus vielen Etyhlenmolekülen gebildet, während Polypropylen durch die Polymerisation zahlreicher Propylenteilchen entsteht,
Der Energiebedarf bei der Kunststoffherstellung
Für Kunststoffprodukte wird oft weniger Energie benötigt als für die Herstellung vergleichbarer Produkte aus anderen Materialien. Der Energieverbrauch für die Herstellung von einem Kilo Kunststoff ist zwar vergleichsweise hoch, wird durch das geringe Gewicht von Kunststoffprodukten aber wieder ausgeglichen.
Um den Energiebedarf zu berechnen, ist immer ein Kilogramm eines Werkstoffs maßgeblich. Dabei werden alle Energiemengen erfasst und addiert, angefangen bei der Gewinnung der Rohstoffe bis hin zum verarbeitungsfähigen Werkstoff.
Rohstoffe, die wie zum Beispiel Erdöl und Erdgas gleichzeitig Energieträger sind, fließen als sogenannter materialgebundener Energiebedarf in die Berechnung ein.
In der Praxis macht es aber nicht unbedingt Sinn, die Herstellungsenergie für ein Kilogramm Werkstoff zu vergleichen. Sinnvoller ist, die Produkte gegenüberzustellen. Und an dieser Stelle spielt das Gewicht eine Schlüsselrolle.
So wird für die Herstellung von einem Kilogramm Kunststoff wesentlich mehr Energie verbraucht als für die Herstellung von einem Kilogramm Glas.
Aber aus einem Kilogramm Glas können maximal drei Flaschen mit einem Füllvolumen von einem Liter hergestellt werden. Die gleiche Menge Kunststoff hingegen reicht für 20 1-Liter-Flaschen aus.
Die Zusatzstoffe bei der Kunststoffherstellung
Kunststoffen werden oft Additive beigemischt. Diese Zusätze dienen entweder dazu, die Eigenschaften eines Kunststoffs anzupassen oder zu verbessern. Oder sie haben die Aufgabe, die Verarbeitung zu vereinfachen. Aus diesem Grund wird zwischen Funktionszusatzstoffen und Verarbeitungshilfsmitteln unterschieden.
Zu den gängigsten Funktionszusatzstoffen gehören folgende:
- Füllstoffe erhöhen die mechanische Festigkeit.
- Weichmacher machen Kunststoffe flexibler.
- Lichtschutzmittel beugen Schäden durch Licht vor.
- Antioxidantien wirken Schäden durch den Einfluss von Sauerstoff entgegen.
- Antistaika vermeiden, dass sich die Oberfläche von Kunststoffprodukten statisch auflädt.
- Farbstoffe und Pigmente ermöglichen, Kunststoffe in verschiedenen Farben einzufärben.
Hier eine PDF-Übersicht:
Häufig eingesetzte Verarbeitungshilfsmittel sind zum Beispiel Gleitmittel, Hitzestabilisatoren und Entformungshilfsmittel. Die Gleitmittel bewirken, dass der geschmolzene Kunststoff einfacher durch die Verarbeitungsanlage befördert werden kann.
Hitzestabilisatoren beugen Schäden durch Überhitzung bei der Verarbeitung vor und Entformungsmittel sorgen dafür, dass sich die Kunststoffteile besser aus den Formen lösen.
Weitere Kunststoff-Herstellungsarten:
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Polymerblendung: Eine Methode, bei der zwei oder mehr Polymere miteinander gemischt werden, um neue Kunststoffeigenschaften zu erzielen.
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Polykondensation: Ein Prozess, bei dem Monomere unter Abspaltung von kleinen Molekülen (wie Wasser) miteinander reagieren und dabei lange Polymerketten bilden.
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Polyaddition: Ein Herstellungsverfahren, bei dem Monomere durch die Bildung von Chemischen Bindungen miteinander verknüpft werden, ohne dass dabei kleine Moleküle abgespalten werden.
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In-situ Polymerisation: Die Bildung von Polymeren direkt am Ort ihrer Verwendung oder Anwendung, ohne dass sie zuvor hergestellt und dann transportiert werden.
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Blockcopolymere: Eine spezielle Form von Polymeren, bei der zwei oder mehr verschiedene Polymerblöcke miteinander verknüpft sind.
FAQ: Chemische Aspekte der Kunststoffherstellung
Wie entstehen Makromoleküle bei der Kunststoffherstellung?
Makromoleküle entstehen durch einen chemischen Prozess, der Polymerisation genannt wird. Dabei verbinden sich gleichartige Bausteine, meist Monomere, zu langen Ketten oder Netzstrukturen. Die Polymerisation ist notwendig, um Makromoleküle zu bilden, aus denen Kunststoffe aufgebaut sind.
Welche Rolle spielen Katalysatoren bei der Herstellung von Kunststoffen?
Katalysatoren sind Stoffe, die die Geschwindigkeit der Polymerisationsreaktion durch Erleichterung des Reaktionsweges beeinflussen. Bei der Herstellung von Kunststoffen werden Katalysatoren eingesetzt, um die Effizienz des Prozesses zu erhöhen. Außerdem ermöglichen sie es, die Struktur der Makromoleküle zu kontrollieren.
Aus welchen Rohstoffen werden Kunststoffe hergestellt?
Die Grundbausteine von Kunststoffen sind meist einfache Kohlenstoffverbindungen. Diese werden zumeist aus Erdöl oder Erdgas gewonnen. Grundsätzlich ist es aber möglich, aus allen kohlenstoffhaltigen Rohstoffen Bausteine für Kunststoffe zu gewinnen.
Welche chemischen Prozesse bestimmen die Eigenschaften eines Kunststoffs?
Die Auswahl der Ausgangsstoffe und die Art und Weise ihrer Verknüpfung sind entscheidend für die individuellen Eigenschaften eines Kunststoffs. Härte, Temperaturbeständigkeit und andere charakteristische Eigenschaften werden durch chemische Prozesse einschließlich der Vernetzung der Molekülketten beeinflusst.
Wie werden die verschiedenen Kunststoffarten durch unterschiedliche Polymerisationsverfahren hergestellt?
Thermoplaste entstehen durch Polymerisation von Molekülketten, die sich beim Erhitzen verflüssigen und beim Abkühlen wieder verfestigen. Bei Elastomeren sind die Molekülketten miteinander vernetzt, während bei Duroplasten die Molekülketten in alle Richtungen eng miteinander verbunden sind. Die spezifischen Polymerisationsreaktionen sind für jeden Kunststofftyp unterschiedlich und bestimmen seine endgültigen Eigenschaften.
Welche Herausforderungen und Innovationen gibt es aus chemischer Sicht bei der Kunststoffherstellung?
Herausforderungen bei der Herstellung von Kunststoffen sind die umweltgerechte Entsorgung und nachhaltige Rohstoffquellen. Um den ökologischen Fußabdruck der Kunststoffindustrie zu reduzieren, konzentrieren sich Innovationen auf alternative Monomere, effizientere Polymerisationsprozesse und Recyclingtechnologien.
