Die Welt der Plastik: Arten von Kunststoffen und ihre Eigenschaften

Vom Kugelschreiber über den Joghurtbecher bis hin zum Smartphone: Jeden Tag kommen wir mit Kunststoffen in Berührung. Doch was versteht man eigentlich genau unter diesem Begriff? Wie der Name bereits verrät sind Kunststoffe keine Naturmaterialien, sondern synthetisch hergestellte Werkstoffe, die optimal auf ihren Einsatzzweck abgestimmt sind. Umgangssprachlich wird Kunststoff auch als Plastik oder Plaste bezeichnet.

Aber was ist genau der Unterschied zwischen Plastik und Kunststoff? Der Begriff „Plastik“ ist eigentlich viel älter. Er stammt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie gestalt- oder formbar. Damit bezieht er sich auf die besonderen Eigenschaften einiger Kunststoffarten, unter Wärmezufuhr weich zu werden. Heute kennt man nicht nur formbares Plastik. Es gibt eine große Bandbreite an Kunststoffen, die von geschäumten über extrudierte bis hin zu sehr harten Varianten reicht. So gesehen ist Plastik nur ein Teilbereich der Kunststoffe.


Aus was besteht Kunststoff?

Nahaufnahme von Kunststoff-Polymer-Granulat

Bei Kunststoffen handelt es sich um Werkstoffe, die aus Polymeren und Zusatzstoffen bestehen. Polymere sind lange, fadenförmige Molekülketten, die man übrigens auch in der Natur vorfindet. Eiweiße, Haare, Baumwolle, Zellulose, Stärke und sogar die DNS setzen sich aus solchen Makromolekülen zusammen. Basis der synthetischen Molekülketten bilden einfach gebaute Kohlenstoffverbindungen, die aus den fossilen Rohstoffen Erdöl, Erdgas oder Kohle gewonnen werden. Die Herstellung der Makromoleküle wird auch als Polymerisation bezeichnet.

Aber Kunststoff ist nicht gleich Kunststoff. Die Materialien unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Formbarkeit, Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit und Temperaturbeständigkeit. Welche Eigenschaften ein Kunststoff besitzt, hängt von den Ausgangsstoffen, dem Herstellungsverfahren und von den Additiven ab. Additive sind Stoffe, die zusätzlich beigemischt werden. Sie sorgen dafür, dass der Kunststoff härter oder weicher wird, schwerer Feuer fängt oder dass er dem Sonnenlicht besser standhält.


Welche Kunststoffarten gibt es?

Joghurtbecher vor rosafarbenen Hintergrund

Grundsätzlich kann man drei Arten von Kunststoffen unterteilen:

1. Thermomere (Thermoplaste)

2. Duromere (Duroplaste)

3. Elastomere

Thermomere (Thermoplaste)

Bei den meisten Kunststoffen, die heute hergestellt werden, handelt es sich um Thermomere, auch unter dem Begriff Thermoplaste bekannt. Oberhalb ihrer spezifischen Temperatur verlieren sie ihre Formbeständigkeit. Die Kunststoffe werden unter Wärmezufuhr verformbar und weich. Beim Abkühlen verfestigen sie sich wieder. Dieser Vorgang lässt sich beliebig oft wiederholen. Bei zu hohen Temperaturen zersetzt sich das Material jedoch.


Duromere (Duroplaste)

Föhn vor blauem Hintergrund

Duromere haben bis in den Bereich der Herstelltemperatur Formstabilität: Duroplastische Kunststoffe sind hitzebeständig und werden unter Wärmezufuhr nicht weich. Ihre mechanischen Eigenschaften sind damit weniger temperaturabhängig als die der Thermoplaste. Duromere sind zudem spröder, je nach Anwendung enthalten sie deshalb verstärkende Füllstoffe. Sie werden bevorzugt dort eingesetzt, wo auch unter schwankenden Temperaturen Stabilität und Festigkeit gefragt ist, etwa bei der Elektroinstallation oder im Freien. Duromere werden meist in der gewünschten Zielform angefertigt, sie lassen sich aber auch an Ort und Stelle durch Zusammenfügen der Bestandteile (Gieß- und Laminierharze) herstellen.


Elastomere

Autoreifen

Elastomere verfügen über eine gummiartige Elastizität. Egal wie stark man sie verformt, drückt oder dehnt: Diese elastischen, biegsamen Kunststoffe kehren immer wieder in ihre Ursprungsform zurück. Der Ausgangsstoff zur Herstellung bildet Natur- oder synthetischer Kautschuk. Elastomere können auch an Ort und Stelle (z. B. Dichtungen, Dichtkleber) hergestellt werden. Die Polymerisation erfolgt dabei durch Luftfeuchtigkeit oder durch Zugabe einer weiteren Komponente.


Die verschiedenen Kunststoffarten auf einen Blick

Die folgende Tabelle stellt die drei Kunststoffarten, ihr thermisch-mechanisches Verhalten und ihre Anwendung im Alltag kurz vor.

 ThermoplasteDuroplasteElastomere

Struktur

weitgehend unverzweigte, lineare Makromoleküle

engmaschiges, dreidimensional aufgebautes Netz an Makromolekülen

weitmaschig vernetzte Makromoleküle, die im Normalzustand eine Knäuelgestalt einnehmen

äußere Beschaffenheit

abhängig von der Glasübergangstemperatur; es gibt harte und weiche Thermoplaste

fester und harter Kunststoff; verformt sich nicht unter Zug oder Druck

weicher, elastischer Kunststoff

Verhalten bei Wärmezufuhr

formbarer Kunststoff; kann mehrmals eingeschmolzen und wiederverwendet werden

nicht umformbar; zersetzt sich bei sehr hohen Temperaturen

nicht umformbar (außer thermoplastische Elastomere); zersetzen sich bei sehr hohen Temperaturen

Kunststofftypen

Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Polyoxymethylen (POM), Polystyrol (PS)

Polyester (PES), Epoxidharze (EP), Formaldehydharze (PF), Polyurethan (PUR), Gießharze, Silikone

Polyurethan (PUR), Melaminharz (MF), Gummi, Kautschuk

Beispiele

PET-Flaschen, Joghurtbecher, Frischhaltefolie, Fußbodenbeläge (PVC)

Topfgriffe, Spielgeräte, Schutzhelme, Karosserieaußenhaut des Trabants

Gummibänder, Einweghandschuhe, Matratzen, Autoreifen


Eigenschaften und Verwendung von Kunststoffen

flüssiges Kunststoff mit Blasen

Das Verwendungsspektrum ist breit gefächert: Kunststoffe werden in Form von Folien, Platten, Tafeln, Profilen und Fertigprodukten angeboten. Wirft man einem Blick auf die Inhaltsstoffe von Farben, Lacken, Klebern oder Kosmetikartikeln, findet man auch hier oft Kunststoffe.

Im Vergleich zu anderen Werkstoffen besitzen Kunststoffe einige ungewöhnliche Eigenschaften: Sie sind nicht nur sehr leicht, sondern auch zäh. Obwohl ihre Festigkeit relativ gering ist, brechen sie nicht so leicht wie etwa Keramik oder Glas. Zudem punkten viele Kunststoffe mit ihrer chemischen Beständigkeit. Der Werkstoff wird deshalb gern für die Herstellung von pflegeleichten Haus- und Elektrogeräten, Bodenbelägen, Fahrzeugausstattungen sowie Spielzeugen genutzt. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit kommen Kunststoffe auch bei der Wärmedämmung zum Einsatz.

Die meisten Kunststoffe sind im Winter oder im Tiefkühlfach spröder und weniger elastisch als bei wärmeren Temperaturen. Das hängt mit ihrer Glasübergangstemperatur, auch Erweichungstemperatur genannt, zusammen. Die Glasübergangstemperatur ist die Temperatur, bei der Polymere (ganz oder teilweise amorph) vom flüssigen oder gummielastischen in den glasigen oder hartelastischen, spröden Zustand übergehen. Sie ist für jeden Kunststoff spezifisch. Einige werden unterhalb, andere oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur verwendet.

Wichtig: Die Glasübergangstemperatur ist nicht das Gleiche wie die Schmelztemperatur von Plastik. Der Übergang vom glasigen in den flüssigen Zustand und das Schmelzen sind chemisch gesehen zwei völlig verschiedene Vorgänge. Bei Letzterem wir die zugeführte Wärme genutzt, um das Kristallgitter kristalliner Materialien zu zerstören. Teilkristalline Kunststoffe besitzen sowohl eine Glasübergangs- als auch eine Schmelztemperatur.

Im Folgenden werden stellvertretend die gängigsten Kunststofftypen aufgelistet.


Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)

Legosteine

Der Kunststoff ABS ist ein wahrer Alleskönner: Es wird im Fahrzeugbau, in elektronischen Geräten sowie in der Spielzeugindustrie verwendet. So bestehen beispielsweise Lego-Steine aus ABS. Heimwerker werden den Kunststoff unter anderem als 3-D-Druckmaterial kennen.

  • Einsatztemperaturbereich ca. −40 bis +100 °C
  • hohe Schlag-, Kerbschlag- und Kratzfestigkeit
  • geringe elektrostatische Aufladung
  • relativ geringe Wasseraufnahme
  • geringe Spannungsrissbildung
  • kann geklebt werden
  • brennbar
  • nicht beständig gegen Lösungsmittel, Benzol und konzentrierte Mineralsäuren
  • in seiner erstarrten Form gesundheitlich unbedenklich und lebensmittelecht

Polymethylen (POM)

Präzisionsteile aus Polymethylen

Polymethylen, auch unter der Bezeichnung Polyacetal bekannt, wird bevorzugt zur Herstellung von Präzisionsteilen verwendet. Es gibt viele verschiedene Typen mit unterschiedlichen Eigenschaften.

  • Einsatztemperaturbereich ca. −40 bis +100 °C
  • hohe Härte, Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit und Wechselbiegefestigkeit
  • gutes Gleit- und Abriebverhalten
  • Elastizität auch bei tiefen Temperaturen
  • gute chemische Beständigkeit
  • empfindlich gegen konzentrierte Säuren und verschiedene Ölprodukte
  • Verklebungen haben keine hohe Haltbarkeit

Polyamid (PA)

Fabrikherstellung von Nylon

Polyamid ist ein Kunststoff auf der Basis von Peptidbindungen. Der Anwendungsbereich ist groß: Meist wird PA zu Fasern verarbeitet. Sehr bekannt aus der Textilindustrie ist beispielsweise Nylon. Auch im Fahrzeugbau wird Polyamid verwendet. Es existiert eine große Typenvielfalt mit unterschiedlichen Eigenschaften.

  • Einsatztemperaturbereich ca. −40 bis +80 °C
  • hohe Festigkeit, Zähigkeit und Abrieb- und Verschleißfestigkeit
  • gute Beständigkeit gegenüber Chemikalien
  • alterungsbeständig
  • fast keine elektrostatische Aufladung
  • gute Spannungsrissfestigkeit
  • brennt tropfend
  • nicht beständig gegen starke mineralische Säuren und Laugen
  • nimmt etwas Wasser auf
  • erhitztes PA ist nicht lebensmittelsicher
  • Verklebungen nicht sehr haltbar

Polycarbonat (PC, Carbonatglas)

Bunte Schutzhelme aus Kunststoff

Polycarbonat ist ein sehr stabiler Kunststoff. Allerdings ist er auch vergleichsweise teuer. Deshalb findet er vor allem dort Verwendung, wo andere Kunststoffe zu weich, zu empfindlich oder nicht transparent genug sind. Aus PC werden DVDs, Scheinwerfer, Schutzhelme und Visiere oder auch Ausweisdokumente hergestellt. Aufgrund der hormonellen Wirkung von Bisphenol A, das häufig zur Herstellung genutzt wird, ist die Anwendung von Polycarbonat im Lebensmittelbereich rückläufig.

  • Einsatztemperaturbereich ca. −80 bis +130 °C
  • transparent
  • hohe Steifigkeit und sehr hohe Schlagzähigkeit auch bei tiefen Temperaturen
  • schwer entflammbar und selbstverlöschend
  • sehr geringe Wasseraufnahme
  • zäh und witterungsbeständig
  • chemische Beständigkeit gegen verdünnte Säuren, Öle und Fette
  • nicht beständig gegen Alkohole, Laugen, Ammoniak und Ozoneinwirkung
  • in Mineralölen beständig bis ca. 60 °C
  • lädt sich elektrostatisch auf
  • neigt zu Spannungsrissen

Polyethylen (PE)

Frischhaltefolie

Polyethylen ist der am häufigsten verwendete Kunststoff. Es gibt mehrere Typen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Zur Anwendung kommt Polyethylen vor allem im Food-Bereich, beispielsweise in Form von Gefrierbeuteln, Frischhaltefolien oder als Beschichtung für Milchkartons. Gegenüber PVC besitzt Polyethylen den Vorteil, dass es nicht giftig bzw. dass es gesundheitlich unbedenklich ist. Auch im Non-Food-Bereich wird gern auf den Kunststoff zurückgegriffen.

  • Einsatztemperaturbereich ca. −60 bis +85 °C
  • hohe chemische Beständigkeit
  • preisgünstig
  • elektrisch isolationsfähig
  • mäßige Festigkeit, Härte und Steifigkeit
  • wasserabweisend
  • hohe Dehnbarkeit und Kälteschlagfestigkeit
  • gutes Gleittreibverhalten
  • kann gut geschweißt werden
  • brennbar
  • nicht witterungsbeständig
  • kann gut verschweißt, aber nur bedingt verklebt werden

Polymethylmethacrylat (PMMA, Acrylglas)

Plexiglas wird ausgeschnitten

Polymethylmethacrylat ist Heimwerkern meist unter der Bezeichnung Acrylglas oder auch Plexiglas bekannt, wobei es sich bei Plexiglas um einen Markennamen handelt. PMMA wird unterhalb seiner Glasübergangstemperatur eingesetzt. Aufgrund der Bruchfestigkeit gibt es sowohl im Innen- als auch im Außenbereich viele Verwendungsmöglichkeiten für Acrylglas. Oft wird es für Gewächshäuser oder als Duschabtrennung genutzt.

  • Einsatztemperaturbereich ca. −40 bis +80 °C
  • transparent (glasklar)
  • hart, steif und mäßig schlagzäh, kratzfest
  • gute Licht- und Alterungsbeständigkeit
  • kann gut geklebt werden
  • leicht entflammbar, brennt
  • Spannungsrissbildung
  • nicht beständig gegenüber einigen Lösungsmitteln: z. B. Nitro, Benzol, Verdünner und konzentrierte Säuren

Polypropylen (PP)

Weißer Matratzenbezug

Polypropylen ist ein relativ junger Kunststoff, der sich durch eine hohe Widerstandsfähigkeit und Resistenz auszeichnet. Aufgrund der Materialeigenschaften gehört PP zu den am häufigsten eingesetzten Kunststoffen in der Lebensmittelindustrie. Auch im Bereich der Heimtextilien kommt Polypropylen zur Anwendung. Aus dem Kunststoff lassen unter anderem Matratzenbezüge oder Sportbekleidung fertigen.

  • Einsatztemperaturbereich ca. 0 bis +100 °C
  • leicht, hohe Steifigkeit und federnd
  • gute chemische Beständigkeit
  • bruchunempfindlich, hart
  • kann gut geschweißt werden
  • brennt tropfend
  • Versprödung bei Kälte
  • quillt in Benzin und Benzol
  • oxidiert bei hohen Temperaturen
  • Witterungsbeständigkeit schlecht
  • lädt sich elektrostatisch auf
  • Klebeverbindungen halten schlecht
  • wasserfest, sehr geringe Wasseraufnahme

Polyvinylchlorid (PVC)

Schwarze Schuhsohle von unten

PVC ist ein harter und spröder Kunststoff, der durch Zugabe von Weichmachern und Stabilisatoren weich und formbar wird. Das Einsatzgebiet ist breit gefächert: Polyvinylchlorid findet beispielsweise Verwendung für Bodenbeläge, Abwasserrohre, Spielzeug oder auch Schuhsohlen. Aufgrund der großen Typenvielfalt ergibt sich eine Reihe unterschiedlicher Eigenschaften.

  • Einsatztemperaturbereich ca. −5 bis +60 °C
  • gute chemische Beständigkeit
  • gute Festigkeit und universelle Verarbeitbarkeit
  • preiswerter Massenkunststoff
  • schwer entflammbar
  • Versprödung bei tiefen Temperaturen
  • nicht alle PVC-Typen sind lebensmittelecht
  • geringe Kriechstromfestigkeit
  • Festigkeit temperaturabhängig
  • starke toxische und korrosive Wirkung der Zersetzungsprodukte im Brandfall

Mit Kunststoff heimwerken

Kunststofffernsterrahmen wird lackiert

Auch im Heimwerkerbereich haben Kunststoffe inzwischen einen festen Platz eingenommen. Sie lassen sich genauso leicht bearbeiten wie Holz – vorausgesetzt, man kennt den jeweiligen Kunststofftyp und seine spezifischen Eigenschaften. Denn danach richtet sich die Auswahl der Werkzeuge und Verarbeitungsmaterialien.

Kunststoffe können geklebt, lackiert, gebohrt, geschnitten oder geformt werden. Soll ein Gegenstand aus Kunststoff lackiert werden, ist meist ein spezieller Haftvermittler als Grundierung notwendig. Erst wenn dieser vollständig durchgetrocknet ist, kann der Lack aufgetragen werden.


Fazit: Kunststoffe und ihre Bedeutung für den Alltag

Kunststoff wird reparieret

Kunststoffe sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Der große Vorteil gegenüber anderen Werkstoffen ist, dass sie sich in ihren Eigenschaften perfekt auf die verschiedenen Anwendungsgebiete zuschneiden lassen. Zudem sind sie vergleichsweise günstig.

Leider haben viele Plastikgegenstände nur eine kurze Lebensdauer, danach landen sie im Müll. Und hier liegt das größte Problem des Materials: Es ist nicht biologisch abbaubar. Mit 60,1 % werden die meisten Kunststoffabfälle verbrannt. Nur 26,6 % gehen ins Recycling. Davon werden jedoch 9,6 % wieder aussortiert, weil der Kunststoff zu stark verunreinigt ist.

Deshalb ist ein verantwortungsvoller Umgang mit Plastik sehr wichtig. Sind Gegenstände aus Kunststoff gerissen, zerbrochen oder mit Löchern gespickt, müssen sie noch längst nicht weggeworfen werden. Mit den richtigen Materialien lässt sich Kunststoff leicht reparieren und kleben.

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