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Kunststoffe: Aufbau, Eigenschaften und Recycling
Kunststoffe sind Werkstoffe auf der Grundlage von Polymeren. Ihre Eigenschaften hängen vor allem vom Aufbau der langen Molekülketten, ihrer Vernetzung und zugesetzten Stoffen ab. Deshalb können Kunststoffe hart, elastisch, schmelzbar oder dauerhaft formstabil sein.
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Vom Monomer zum Kunststoff
Ein Kunststoffgegenstand besteht aus sehr vielen langen, miteinander verschlungenen oder vernetzten Molekülen. Diese großen Moleküle heißen Makromoleküle.
Monomer und Polymer
Ein Monomer ist ein kleines Molekül, das als Baustein dienen kann. Werden viele Monomere chemisch verbunden, entsteht ein Polymer. Seine langen oder verzweigten Moleküle sind Makromoleküle.
Polymer und Kunststoff bedeuten nicht genau dasselbe:
- Das Polymer bildet die makromolekulare Grundlage.
- Der Kunststoff ist der daraus hergestellte Werkstoff. Er enthält häufig zusätzlich Additive, zum Beispiel Pigmente, Weichmacher, Stabilisatoren oder Füllstoffe.
Polymer + passende Additive = Kunststoff mit gezielt eingestellten Eigenschaften. Im Alltag wird „Plastik“ meist gleichbedeutend mit Kunststoff verwendet; „Kunststoff“ ist der Fachbegriff.
Natürliche Polymere kommen in Lebewesen vor, beispielsweise Cellulose und Proteine. Synthetische Polymere werden durch chemische Reaktionen hergestellt. Chemisch veränderte Naturpolymere bilden eine weitere Gruppe.
Ethen ist ein Monomer. Bei der Polymerisation werden sehr viele Ethenmoleküle zu Polyethen verbunden. Die wiederkehrende Einheit lässt sich vereinfacht als $[-\mathrm{CH_2-CH_2}-]_n$ schreiben. Das $n$ zeigt, dass die Einheit sehr oft vorkommt.
Wie die Ketten das Verhalten bestimmen
Ob sich ein Kunststoff erwärmen, dehnen oder erneut formen lässt, hängt besonders davon ab, wie stark seine Polymerketten miteinander vernetzt sind.
| Kunststoffklasse | Struktur | Verhalten |
|---|---|---|
| Thermoplast | lineare oder verzweigte, nicht dauerhaft vernetzte Ketten | wird beim Erwärmen formbar und kann schmelzen; nach dem Abkühlen bleibt die neue Form erhalten |
| Duroplast | engmaschig vernetztes Netzwerk | bleibt beim Erwärmen zunächst formstabil; starke Erwärmung führt zur Zersetzung statt zum Schmelzen |
| Elastomer | weitmaschig vernetztes Netzwerk | lässt sich elastisch verformen und kehrt nach Entlastung weitgehend in die Ausgangsform zurück |
Thermoplaste: Ketten können gleiten
Beim Erwärmen erhalten die nicht dauerhaft vernetzten Ketten mehr Beweglichkeit. Sie können aneinander vorbeigleiten. Deshalb lassen sich Thermoplaste erneut formen, solange sie nicht durch zu starke Erwärmung zersetzt werden. Polyethen, Polypropylen und Polyvinylchlorid sind Beispiele.
Duroplaste: ein festes Netzwerk
Bei Duroplasten verbinden chemische Bindungen die Ketten engmaschig. Zum Schmelzen müsste dieses Netzwerk zerstört werden. Duroplaste sind daher meist hart und formstabil, aber häufig spröde. Bakelit ist ein Beispiel.
Elastomere: dehnbar und rückfedernd
Die wenigen Vernetzungsstellen halten die Ketten zusammen, lassen aber Bewegung zwischen ihnen zu. Beim Ziehen verändert sich das Netzwerk. Nach dem Loslassen ziehen die Vernetzungen es wieder in Richtung der Ausgangsform. Autoreifen und elastische Dichtungen sind typische Anwendungen.
Nicht die Bezeichnung allein, sondern der Vernetzungsgrad erklärt das Verhalten: unvernetzt bedeutet thermisch formbar, weitmaschig vernetzt bedeutet elastisch, engmaschig vernetzt bedeutet dauerhaft formstabil.
Drei Wege zur Polymersynthese
Polymere entstehen nicht alle durch dieselbe Reaktion. Im Schulkontext werden drei wichtige Wege unterschieden.
Polymerisation
Bei der Polymerisation wachsen viele ungesättigte Monomere zu einer Kette. Häufig wird dabei eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung geöffnet. Die Atome der Monomere bleiben Bestandteile des Polymers; ein kleines Nebenprodukt wird nicht abgespalten.
Bei einer radikalischen Polymerisation laufen drei Grundphasen ab:
- Ein Initiator bildet Radikale und startet eine aktive Kette.
- Am aktiven Kettenende lagern sich wiederholt Monomere an.
- Treffen geeignete Radikale aufeinander, endet das Kettenwachstum.
Polykondensation
Bei der Polykondensation reagieren Monomere mit mindestens zwei geeigneten funktionellen Gruppen schrittweise miteinander. Dabei wird ein kleines Molekül abgespalten, häufig Wasser. Dicarbonsäuren und Diole können beispielsweise Polyester bilden; Dicarbonsäuren und Diamine können Polyamide bilden.
Polyaddition
Auch bei der Polyaddition reagieren passende, meist bifunktionelle Monomere schrittweise. Im Unterschied zur Polykondensation entsteht dabei kein kleines Nebenprodukt. Die Reaktion von Isocyanat- und Hydroxygruppen zu Polyurethan ist ein Beispiel.
| Syntheseweg | Kennzeichen | Kleines Nebenprodukt? |
|---|---|---|
| Polymerisation | wiederholte Anlagerung, häufig nach Öffnung einer Doppelbindung | nein |
| Polykondensation | schrittweise Reaktion funktioneller Gruppen | ja |
| Polyaddition | schrittweise Addition funktioneller Gruppen | nein |
Der Syntheseweg allein legt die Kunststoffklasse nicht vollständig fest. Entscheidend ist auch, ob lineare Ketten oder weit- beziehungsweise engmaschige Netzwerke entstehen.
Eigenschaften gezielt einstellen
Kunststoffe sind im Vergleich zu vielen Metallen oder keramischen Werkstoffen meist leicht. Viele isolieren Wärme und elektrischen Strom gut. Ihre Festigkeit, Elastizität, Beständigkeit und Verarbeitbarkeit können jedoch stark variieren.
Additive helfen, Eigenschaften an eine Anwendung anzupassen:
- Pigmente geben Farbe.
- Weichmacher erhöhen die Beweglichkeit der Polymerketten und machen einen Werkstoff weicher.
- Stabilisatoren schützen beispielsweise vor Wärme, Sauerstoff oder UV-Strahlung.
- Füllstoffe können den Preis senken oder mechanische Eigenschaften verändern.
- Verstärkungsfasern können die Festigkeit erhöhen.
Polypropylen kann hart und belastbar sein. Ein sehr dünner Bereich desselben Werkstoffs lässt sich als Filmscharnier wiederholt biegen. Die Anwendung nutzt also nicht nur den Stoffnamen, sondern auch die Form und Verarbeitung des Bauteils.
Zwischen ähnlichen Polymeren können bereits Unterschiede in der Kettenstruktur viel bewirken. HD-PE besitzt weniger Verzweigungen als LD-PE. Seine Ketten können sich geordneter und dichter packen. LD-PE eignet sich wegen seiner Struktur unter anderem gut für flexible Folien; HD-PE wird beispielsweise für feste Behälter verwendet.
Nutzung und Verwertung beurteilen
Die lange Haltbarkeit vieler Kunststoffe ist während der Nutzung oft erwünscht. Nach der Nutzung wird sie zum Problem, weil viele Kunststoffe nur sehr langsam biologisch abgebaut werden. Außerdem können Additive und unsachgemäße Verbrennung zusätzliche Risiken verursachen.
Eine Verwertungsentscheidung beginnt deshalb mit drei Fragen:
- Kann der Gegenstand ohne große Aufbereitung erneut verwendet werden?
- Ist das Material sauber und sortenrein trennbar?
- Ist eine stoffliche Rückgewinnung technisch sinnvoll, oder bleibt nur die Nutzung des Energieinhalts?
Wiederverwendung
Ein noch funktionsfähiger Gegenstand wird erneut genutzt. Dadurch entfällt zunächst die Herstellung eines Ersatzprodukts. Wiederverwendung ist von Recycling zu unterscheiden, denn das Material wird dabei nicht neu verarbeitet.
Werkstoffliche Verwertung
Thermoplaste können zerkleinert, erneut geschmolzen und geformt werden. Das funktioniert besonders gut bei sortenreinen Abfällen. Gemischte Polymere besitzen häufig schlechtere mechanische Eigenschaften. Wiederholte Wärmebehandlung kann zusätzlich zu Qualitätsverlust führen; diese Abwertung heißt Downcycling.
Duroplaste und Elastomere lassen sich wegen ihrer Vernetzung nicht wie Thermoplaste einschmelzen.
Rohstoffliche Verwertung
Chemische oder thermische Verfahren zerlegen Kunststoffe in kleinere Stoffe, etwa Monomere, Gase, Wachse oder Öle. Solche Verfahren können für schwer trennbare Kunststoffmischungen infrage kommen.
Energetische Verwertung
Bei der energetischen Verwertung werden Kunststoffe verbrannt und ihr Energieinhalt genutzt. Dabei geht der Werkstoff als Stoff verloren. Die Verbrennung erfordert geeignete technische Bedingungen, weil Kunststoffbrände giftige oder ätzende Stoffe freisetzen können.
„Recycelbar“ bedeutet nicht automatisch „wird problemlos recycelt“. Kunststoffklasse, Sortenreinheit, Verschmutzung, Additive und Qualitätsverlust beeinflussen die Wahl des Verfahrens.
Biologisch abbaubare Kunststoffe lösen das Problem nicht pauschal. Der Abbau braucht geeignete Polymerstrukturen und passende Bedingungen. Eine bessere biologische Angreifbarkeit kann außerdem mit geringerer Stabilität während der Nutzung verbunden sein.
Eine saubere, sortenrein gesammelte Thermoplastkiste kann eingeschmolzen und neu geformt werden. Für einen stark verschmutzten, schwer trennbaren Kunststoffmix ist dieser Weg weniger geeignet. Dann können rohstoffliche oder als letzte stofflich nicht nutzbare Möglichkeit energetische Verfahren geprüft werden.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Kunststoffe
- Aufbau: Monomere bilden Polymere; Additive stellen Eigenschaften ein
- Strukturklassen: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere
- Synthesewege: Polymerisation, Polykondensation und Polyaddition
- Eigenschaften: Vernetzung, Kettenordnung und Additive wirken zusammen
- Verwertung: Wiederverwendung, werkstofflich, rohstofflich oder energetisch
- Bewertung: Materialart, Sortenreinheit, Zustand und Risiken beachten
Abschluss-Check
Du kannst Kunststoffe nun als Kette von Zusammenhängen untersuchen: Monomer und Synthese bestimmen die Polymerstruktur; Struktur und Additive prägen die Eigenschaften; Eigenschaften und Zustand beeinflussen Nutzung und Verwertung.