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?
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?
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. Die Vorsilbe „thermo“ deutet bereits ihre Besonderheit an: Ab einem bestimmten Temperaturbereich verlieren sie ihre Formbeständigkeit. Diese Kunststoffe werden unter Wärmezufuhr verformbar und weich. Beim Abkühlen gehen sie wieder in den festen Zustand über. Dieser Vorgang lässt sich beliebig oft wiederholen. Bei zu hohen Temperaturen zersetzt sich das Material jedoch.
Duromere (Duroplaste)
Duromere unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von Thermomeren: Duroplastische Kunststoffe sind hitzebeständig und werden unter Wärmezufuhr nicht weich. Sie lassen sich nur mechanisch bearbeiten. Da Duromere jedoch spröder sind als Thermomere, werden ihnen je nach Anwendung verstärkende Füllstoffe beigemischt. Bevorzugt kommen sie dort zum Einsatz, 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. Gieß- und Laminierharze lassen sich aber auch vor Ort herstellen.
Elastomere
Elastomere zeichnen sich durch eine hohe Elastizität aus. Egal, wie stark man sie verformt, drückt oder dehnt: Diese elastischen, biegsamen Kunststoffe kehren immer wieder in ihre Ursprungsform zurück. Der Ausgangsstoff zur Herstellung ist Natur- oder synthetischer Kautschuk. Elastomere können direkt vor Ort hergestellt werden. Beispiele hierfür sind Dichtungen oder Dichtungskleber. Die Polymerisation, also die Verbindung zu Polymeren, wird entweder durch die Aufnahme von Feuchtigkeit aus der Luft oder durch die Zugabe weiterer Komponenten eingeleitet.
Die verschiedenen Kunststoffarten auf einen Blick
Die folgende Tabelle stellt die drei Kunststoffarten, ihr thermisch-mechanisches Verhalten und ihre Anwendung im Alltag kurz vor.
| Thermoplaste | Duroplaste | Elastomere | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Struktur | Thermoplaste | weitgehend unverzweigte, lineare Makromoleküle | Duroplaste | engmaschiges, dreidimensional aufgebautes Netz an Makromolekülen | Elastomere | weitmaschig vernetzte Makromoleküle, die im Normalzustand eine Knäuelgestalt einnehmen |
| äußere Beschaffenheit | Thermoplaste | abhängig von der Glasübergangstemperatur; es gibt harte und weiche Thermoplaste | Duroplaste | fest und hart; verformt sich nicht unter Zug oder Druck | Elastomere | elastischer, aber formfester Kunststoff |
| Verhalten bei Wärmezufuhr | Thermoplaste | formbarer Kunststoff; kann mehrmals eingeschmolzen und wiederverwendet werden | Duroplaste | nicht umformbar; zersetzt sich bei sehr hohen Temperaturen | Elastomere | nicht umformbar (außer thermoplastische Elastomere); zersetzen sich bei sehr hohen Temperaturen |
| Kunststofftypen | Thermoplaste | Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Polyoxymethylen (POM), Polystyrol (PS) | Duroplaste | Polyester (PES), Epoxidharze (EP), Formaldehydharze (PF), Polyurethan (PUR), Gießharze, Silikone | Elastomere | Polyurethan (PUR), Melaminharz (MF), Gummi, Kautschuk |
| Beispiele | Thermoplaste | PET-Flaschen, Joghurtbecher, Frischhaltefolie, Fußbodenbeläge (PVC) | Duroplaste | Topfgriffe, Spielgeräte, Schutzhelme, Karosserieaußenhaut des Trabants | Elastomere | Gummibänder, Einweghandschuhe, Matratzen, Autoreifen |
Eigenschaften und Verwendung von Kunststoffen
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)
Der Kunststoff ABS ist ein wahrer Alleskönner: Er 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. −45 bis +100 °C
- bruchstabil, kratz- und schlagfest
- lädt sich nur in geringem Maße elektrostatisch auf
- nimmt nur wenig Wasser auf
- lässt sich kleben, schweißen und spanend bearbeiten
- kann bedruckt, beschichtet und lackiert werden
- normal entflammbar
- resistent gegenüber Witterungseinflüssen
- nicht beständig gegen konzentrierte Mineralsäuren, aromatische und chlorierte Kohlenwasserstoffe, Ester, Ether und Ketone
- in fester Form lebensmittelecht und gesundheitlich unbedenklich
Polymethylen (POM)
Polyoxymethylen, 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
- hart, fest, steif und zäh
- gute Gleiteigenschaften und hohe Abriebfestigkeit
- äußerst verschleißfest
- bei der Verarbeitung kann als Zersetzungsprodukt Formaldehyd entstehen
- beständig gegen verdünnte Säuren und Laugen, Öle, Alkohole, Benzol und Hitze
- nicht beständig gegen konzentrierte Säuren und Oxidationsmittel
- ohne Vorbehandlung nur bedingt klebbar
Polyamid (PA)
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. −30 bis +100 °C, kurzfristig sind sogar über 140 °C möglich
- fest, zäh, steif, abrieb- und verschleißfest
- beständig gegen organische Lösungsmittel
- ausreichend alterungs- und witterungsbeständig
- sehr geringe elektrostatische Aufladung
- gute Spannungsrissbeständigkeit
- brennt tropfend, verlöscht aber meist nach kurzer Zeit
- nicht beständig gegen starke Säuren, Basen und chlorierte Kohlenwasserstoffe
- können Feuchtigkeit aufnehmen und wieder abgeben
- bei längerer Hitzeeinwirkung ist der Kontakt mit wasserhaltigen Lebensmitteln bedenklich
- dauerhafte Verklebungen erfordern eine spezielle Vorbehandlung und eigens entwickelte Kleber
Polycarbonat (PC, Carbonatglas)
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. −40 bis +130 °C, kurzfristig sind bis zu 150 °C möglich
- hohe Transparenz
- hohe Steifigkeit, hohe Wärmeformbeständigkeit und sehr gute Schlagzähigkeit bis zu −40 °C
- entflammbar, Flamme erlischt aber nach Entfernen der Zündquelle
- nimmt sehr wenig Feuchtigkeit auf
- vergilbt und versprödet ohne Schutz bei längerer Sonneneinstrahlung
- beständig gegen verdünnte Säuren und Basen, Alkohole (außer Methanol), Öle und Fette
- nicht beständig gegen starke Säuren und Laugen, Ammoniak und Methanol
- vergleichsweise kerb- und kratzempfindlich
- unbeschichtetes PC kann sich elektrostatisch aufladen
- hydrolyseempfindlich, längere Einwirkung von heißem Wasser kann zu Spannungsrissen führen
Polyethylen (PE)
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)
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
- ab 100 °C plastisch verformbar
- transparent, transmittiert Licht besser als Glas
- fest, hart, steif und schlagfest, kratzunempfindlich
- witterungs- und alterungsbeständig
- lässt sich gut kleben und schweißen
- leicht entflammbar, verbrennt rückstandslos und ohne zu tropfen
- Alkohol, Aceton und Benzol greifen PMMA an, es entsteht Spannungsrisskorrosion
Polypropylen (PP)
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 +110 °C
- besitzt eine sehr geringe Dichte
- beständig gegenüber fast allen organischen Lösungsmitteln und Fetten sowie den meisten Säuren und Basen
- Steifigkeit, Härte und Festigkeit liegen zwischen denen von PE und PA
- lässt sich gut schweißen und kleben
- brennbar, tropft und brennt nach Entfernen der Flamme weiter
- wird bei Kälte spröde
- nicht beständig gegen Benzol, Benzin und Oxidationsmittel
- empfindlich gegenüber Witterungseinflüssen, zersetzt sich bei UV-Einstrahlung zu Mikroplastikpartikeln
- elektrostatische Aufladung
- lässt sich schlecht kleben
- minimale Wasseraufnahme und -durchlässigkeit
Polyvinylchlorid (PVC)
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
- beständig gegenüber Salzlösungen, Säuren, Laugen, Ethanol, Fette, Öle und Benzin
- lässt sich mit allen gängigen Verfahren bearbeiten
- preiswert und vielseitig einsetzbar
- schwer entflammbar, zersetzt sich aber unter dauerhafter Wärmeeinwirkung
- wird bei niedrigen Temperaturen spröde
- weiches PVC ist aufgrund der enthaltenen Weichmacher teilweise physiologisch bedenklich
- nicht beständig gegen Aceton, Ether, Benzol, Chloroform, konzentrierte Salzsäure und aromatischen Kohlenwasserstoffen
- Festigkeit ist abhängig von der Temperatur
- beim Verbrennen werden giftige Chlorverbindungen freigesetzt
Mit Kunststoff heimwerken
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 ein spezieller Haftvermittler als Grundierung notwendig. Wenn dieser durchgetrocknet ist, kann der Lack aufgetragen werden.
Fazit: Kunststoffe und ihre Bedeutung für den Alltag
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.
