Die Vielfalt der Kunststoffe

Was ist aus Kunststoff?

Schau dich um und überlege, aus welchen Materialien die Dinge sind, die dich umgeben!

• In welcher Form begegnen dir Kunststoffe im Alltag?
• Welche Dinge würde es ohne Kunststoff nicht geben?

Welche Gegenstände sind (auch) aus Kunststoff? Untersuche die Materialien und schau genau hin, denn Kunststoffe verstecken sich auch z. B. in Beschichtungen und Klebern! Manche Kunststoffe sind nicht so einfach zu erkennen. Wie kannst du überprüfen, welches Material vorliegt?

Geschichte der Kunststoffe

Die Anfänge der Kunststoffe liegen im 18. Jahrhundert in der Untersuchung und Veränderung von Naturstoffen wie Naturkautschuk und Zellulose. Man spricht daher von halbsynthetischen Kunststoffen. Der erste vollsynthetisch hergestellte Kunststoff war Bakelit (1905).

Der deutsche Chemiker Hermann Staudinger lieferte die naturwissenschaftlichen Grundlagen für die chemische Industrie, die sich mit diesem Wissen rasch entwickelte und vielfältige Materialien herstellen konnte. Beispielsweise erkannte Staudinger, dass die organischen Werkstoffe aus großen Molekülen, sogenannten Makromolekülen, bestehen. Substanzen, die aus Makromolekülen aufgebaut sind, nennt man Polymere. Kunststoffe sind synthetische Polymere.

Im Laufe des 20. Jahrhunderts wurden Kunststoffe (wie Polyethen und Polypropen) entwickelt. Die dazu notwendigen Ausgangsstoffe werden, damals wie heute, aus Erdöl und Erdgas gewonnen. Seit den 1960er-Jahren ist Erdöl der wichtigste Rohstoff für die Kunststoffindustrie. Seit den 1980er-Jahren forscht man an der Entwicklung von bio-basiertem Kunststoff (technische Biopolymere). Ziel ist es, Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen. Beispiele für heute eingesetzte bio-basierte Kunststoffe sind Thermoplastische Stärke (TPS), Celluloseacetat und Polymilchsäure (PLA).

Öffnet den Zeitstrahl und reist fast 200 Jahre zurück! Besprecht anschließend folgende Fragen:

• Welche Kunststoffe habt ihr bereits gekannt?
• Welche Informationen haben euch am meisten überrascht?

Zeitstrahl: Geschichte der Kunststoffe

Klicke dich durch den Zeitstrahl, um mehr über die Geschichte der Kunststoffe zu lernen!

Eigenschaften

Heute begegnen uns Kunststoffe überall. Ein Grund dafür ist, dass die technischen Eigenschaften je nach Bedarf erzeugt werden können. Gegenstände aus Kunststoff werden in verschiedenen Formen hergestellt. Kunststoffe sind leicht und gute Isolatoren. Einige sind weich, andere hart. Manche Kunststoffe sind elastisch. Manche sind temperaturbeständig oder chemisch beständig. Kunststoffe können ganz spezielle Eigenschaften haben. Beispiele dafür sind wasserlösliche Folien oder Superabsorber.

Überlegt euch Alltagsgegenstände aus Kunststoff, bei denen folgende Eigenschaften eine wichtige Rolle spielen! Vergleicht eure Ergebnisse in der Klasse!

• leichter als alternative Materialien
• wärmeisolierend, elektrisch isolierend
• temperaturbeständig
• weich
• hart
• elastisch
• chemisch beständig
• wasserlöslich
• Superabsorber

Die vielfältigen Eigenschaften der Kunststoffe ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen Bausteine der Polymere, unterschiedlicher Produktionstechniken und dem Einsatz von Zusatzstoffen. Beispiele dafür sind:

• Farbmittel
  Die meisten Polymere sind farblos und werden erst durch z. B. Farbstoffe gefärbt.
• Stabilisatoren
  Sie schützen vor schädlichen Einflüssen (z. B. UV-Licht) und verlängern so die Haltbarkeit.
• Weichmacher
  Sie machen den Kunststoff bei der Herstellung besser formbar und verarbeitbar.
• Füllstoffe
  Sie haben unterschiedliche Aufgaben: Sie strecken das Material (für eine günstigere Produktion), verbessern die Zugfestigkeit oder verringern die Entflammbarkeit.

Einteilung

Kunststoffe werden nach ihrem mechanisch-thermischen Verhalten unterschieden.

Herstellung

Bei der Herstellung von Kunststoffen werden kleine reaktionsfähige Moleküle (Monomere) zu Makromolekülen (Polymeren) zusammengesetzt. Dafür werden beispielsweise die Polymerisation und die Polykondensation eingesetzt.

Polymerisation

Als Ausgangsstoffe werden Moleküle mit einer Doppelbindung (oftmals Alkene, z. B. Ethen) verwendet. Die Monomere verbinden sich schrittweise zu langen Ketten. Um die Reaktion in Gang zu setzen, ist ein Startermolekül (Initiator) notwendig. Auf diesem Weg werden Kunststoffe wie Polyethen (PE), Polypropen (PP), Polystyren (PS) und Polyvinylchlorid (PVC) hergestellt.

Polykondensation

Bei dieser Methode verbinden sich Monomere zu Polymeren, indem kleine Moleküle (z. B. H₂O, HCl) abgespalten werden. Auf diesem Weg werden Kunststoffe wie Polyamide (z. B. Nylon) und Polyester (z. B. PET für Getränkeflaschen, Polyesterstoffe für Kleidung) hergestellt.

Arten von Kunststoffen

Durch die unterschiedlichen Bausteine und Herstellungsverfahren kann eine Vielzahl an Kunststoffen produziert werden. Welcher Kunststoff vorliegt, erkennt man auch am Recycling-Code.

Mit folgenden Experimenten kannst du Kunststoffproben untersuchen.

Verarbeitung

Kunststoffe liegen nach der Herstellung als Granulate, Pulver, Folien oder Platten vor. Um die gewünschte Form daraus herzustellen, werden unterschiedliche Verfahren angewendet. Plastomere werden geschmolzen und durch Aufblasen, Spritzen, Pressen oder Walzen in die gewünschte Form gebracht. Duromere härten in einer Form aus.

Extrudieren

Mit diesem Verfahren werden Produkte wie Rohre und Schläuche hergestellt.

Im beheizten Zylinder wird die Masse geschmolzen und durch die Schraube homogenisiert. Unter Druck wird sie durch eine formgebende Öffnung gepresst. Beim Austritt aus der Öffnung kühlt die Masse ab und härtet damit aus.

Stelle Kunststoffprodukte mit dem Extruder her!

Bravo, geschafft!

noch einmal

Extruder

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Herstellen von Hohlkörpern

Gefäße wie Shampooflaschen und Kanister werden durch Extrusionsblasformen hergestellt. Über einen Extruder wird die geschmolzene Kunststoffmasse durch eine Düse gepresst. Aufgrund des Drucks passt sich die Masse an die Form an.

PET-Flaschen müssen druckbelastbar sein (z. B. aufgrund kohlensäurehaltiger Getränke). Sie werden durch Spritzstreckblasen hergestellt. Beim Spritzgießen werden aus geschmolzener Kunststoffmasse Rohlinge hergestellt. Diese werden beim Streckblasverfahren erwärmt und in die gewünschte Form geblasen.

Durch das Rotationsformen werden Hohlkörper wie Transportbehältnisse und Spielzeuge hergestellt.

Schäumverfahren

Ein Beispiel für Kunststoffschäume ist Expandiertes Polystyren (EPS). Das Kunststoffgranulat ist mit einem Treibmittel (z. B. Pentan) versetzt. Das Granulat wird in eine Form gefüllt und geschmolzen. Dabei bläht das Treibmittel den weichen Kunststoff auf.

Umgang mit Kunststoffen

Kunststoffe bieten neben der kostengünstigen Produktion weitere Vorteile. Beispielsweise sind Materialien aus Kunststoff leicht und bruchsicher. Manche Verpackungen von Lebensmitteln verlängern die Haltbarkeit des Produkts, sodass weniger Lebensmittel weggeworfen werden. In der Medizin werden Kusntstoffe vielfältig (z. B. als Implantate) eingesetzt.

Der Kunststoffverbrauch steigt jedes Jahr weiter an. Da viele Materialien aus Kunststoff zum einmaligen Gebrauch (z. B. Verpackungen) hergestellt werden und manche Produkte nicht langlebig sind, produzieren wir jedes Jahr viel Kunststoffmüll.

Werden Kunststoffe nicht sachgemäß entsorgt, stellen sie eine große Belastung für die Umwelt dar, da die meisten nicht biologisch abbaubar sind.

Neben dem für uns sichtbaren Müll aus Kunststoffen gibt es auch Mikroplastik (Kunststoffpartikel, die kleiner als 5 mm sind). Es wird Produkten bewusst beigefügt (z. B. Zahnpasta und Kosmetikprodukten) und entsteht auch durch Abrieb und Zerfall von Kunststoffprodukten. Das Ziel politischer Maßnahmen ist, den Eintrag von Mikroplastik in die Umwelt zu reduzieren, da wir die möglichen negativen Auswirkungen nicht abschätzen können.

Kunststoffe werden nur für den jeweiligen Gebrauch getestet. Bei unsachgemäßer Verwendung kann es dazu kommen, dass sich Substanzen aus dem Material (z. B. Weichmacher) in Lebensmitteln lösen. Verwendet man beispielsweise Kunststoffbehälter von Speiseeis weiter, können sich durch fette oder saure Lebensmittel und durch Hitze Substanzen aus dem Gefäß lösen. Auch sind Einwegflaschen aus Kunststoff nicht für den mehrmaligen Gebrauch gedacht.