Hunold + Knoop Kunststofftechnik GmbH
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Allgemeines über die Kunststoffe

Kunststoffe - polymere organische Werkstoffe

Kunststoffe sind im Wesentlichen aus Kohlenstoffatomen aufgebaut, die zu sehr langen kettenförmigen oder netzartigen Molekülen zusammengeschlossen sind. Einen sehr ähnlichen Aufbau findet man bei zahlreichen Naturstoffen, wie etwa Cellulose, Stärke, Eiweiß und Harzen. Diese riesigen Moleküle werden in der Chemie als Makromoleküle bezeichnet (griech. makros= groß). Sie entstehen durch das Aneinanderreihen und Verbinden von vielen gleichartigen Teilchen ("poly = viele", "meros =Teil). Kunststoffe zählen daher zu den makromolekularen, polymeren Stoffen.

Schließlich werden Kunststoffe noch als organische Werkstoffe bezeichnet. Der Grund hiefür: Es handelt sich bei Kunststoffen um Stoffe, deren Hauptbestandteil Kohlenstoff ist, und in der Chemie wird der Teilbereich, der sich mit den Kohlenstoffverbindungen befasst, organische Chemie genannt.

In der Praxis entstehen Kunststoffe aus einer Vielzahl von gleichartigen Bausteinen, die durch chemische Reaktion miteinander verbunden werden und die für Kunststoffe charakteristischen Makromoleküle aufbauen.
Die notwendigen "Einzelbausteine", d.h. die Ausgangsstoffe für die Kunststoffe, werden aus Erdöl, Erdgas oder Kohle gewonnen.

Der Kunststoff Polyethylen entsteht beispielsweise durch die Verbindung von Ethylenmolekülen. Die Namen vieler Kunststoffe geben Auskunft darüber, welche Ausgangsstoffe für ihre Herstellung verwendet werden:

  • Polystyrol = aus vielen Styrolteilchen
  • Polypropylen = aus vielen Propylenteilchen
  • Polyethylen = aus vielen Ethylenteilchen


Kunststoffe sind aus der heutigen modernen Welt nicht mehr wegzudenken. Nicht umsonst tragen sie auch den Namen "Werkstoffe des 21. Jahrhunderts". Aufgrund der endlichen Verfügbarkeit der zur Herstellung notwendigen Rohstoffe wie z.B. Öl, wird heute mehr und mehr an bio-basierten Kunststoffen aus nachwachsneden Rohstoffen geforscht. Viele Serienanwendungen aus diesen Biokunststoffen sind bereits heute am Markt verfügbar.

Einteilung der Kunststoffe

Man kennt heute mehr als 200 verschiedene Kunststoffarten. Kunststoffe kommen in vielen und sehr unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz, von der Medizin bis zur Raumfahrt. Ebenso verschieden wie die Anwendungsgebiete, sind auch die Anforderungen, die an das verwendete Material gestellt werden. Ein "Einheitskunststoff" oder einige wenige "Allzweckkunststoffe" wären nicht in der Lage diesen sehr spezifischen Ansprüchen gerecht zu werden.

Kunststoffe sind ebenso wie Metalle oder keramische Stoffe eine Werkstoffgruppe, die einige grundlegende gemeinsame Merkmale haben. Bei den Kunststoffen sind dies z.B. die Makromoleküle und der Polymercharakter. Die Art der Bausteine, die für die Herstellung eines Kunststoffes verwendet werden, bestimmt seinen chemischen Aufbau und damit auch seine Eigenschaften. Durch die Wahl geeigneter Ausgangsstoffe sind somit die Eigenschaften von Kunststoffen steuerbar und es gelingt, für eine bestimmte Anwendung einen Werkstoff mit genau passenden sozusagen "maßgeschneiderten" Eigenschaften herzustellen.

Einteilung nach dem Verhalten beim Erwärmen

1. Thermoplaste
Thermoplaste erweichen beim Erwärmen bis zum Fließen und sind in diesem "plastischen" Zustand leicht formbar. Beim Abkühlen werden sie fest und behalten ihre Form bei. Sie bestehen aus fadenförmigen Molekülketten, die zwar ineinander verknäuelt aber nicht untereinander verbunden sind (wie Spagetti auf einem Teller).

Zu den Thermoplasten zählen: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyamide (PA), Polycarbonate (PC), Polyethylenterephthalat (PET) u.a.m.

2. Elastomere
Elastomere zeichnen sich durch hohe Elastizität aus. Bei Raumtemperatur sind sie gummielastisch, bei Temperaturerhöhung werden sie nicht plastisch, da ihre Molekülketten an einigen Stellen miteinander verbunden sind und ein weitmaschiges Netz bilden. Zu den Elastomeren zählen: Kautschuk, Gummi

3. Duroplaste
Bei Duroplasten sind die Molekülketten in allen Richtungen eng vernetzt. Sie sind daher sehr hart und auch nicht plastisch verformbar. Duroplaste müssen bereits während der Zeit, in der die Makromoleküle vernetzen auch geformt werden. In der Praxis werden daher bei der Herstellung von Produkten aus Duroplasten, die noch nicht vernetzten Vorprodukte (sog. Reaktivharze) verarbeitet. Erst in der Verarbeitungsmaschine erfolgen Formgebung und Vernetzung gleichzeitig. Zu den Duroplasten zählen: Polyurethane (PUR), Phenolharze, Harnstoffharze, Melaminharze, Polyesterharze, Epoxidharze, Silikone.

Einteilung nach Eigenschaften und Einsatzbereichen

1. Standardkunststoffe
Auf Standardkunststoffe entfallen fast 80% der Weltkunststoffproduktion. Die Anzahl der Kunststoffe in dieser Gruppe ist klein: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS)

2. Technische Kunststoffe
Technische Kunststoffe: umfassen eine Vielzahl unterschiedlicher Kunststoffe und Kunststoff-Legierungen. Mengenmäßig entfallen allerdings nur etwa 20% der Weltkunststoffproduktion auf technische Kunststoffe. In ihren Eigenschaften sind sie den Standardkunststoffen überlegen, besonders was die mechanische Festigkeit und die Beständigkeit gegen erhöhte Temperaturen betrifft.

Beispiele: Styrol-Copolymerisate (ABS, SAN), Polyamide (PA), Polycarbonate (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polymethylmethacylat (PMMA), Polyoxymethylen (POM), Fluorkunststoffe (Teflon), Polyurethane (PUR) Technische Reaktionsharze und Formmassen (Phenolharze, Harnstoff- und Melaminharze, Polyesterharze, Epoxidharze)

3. Hochleistungs- bzw. Spezialkunststoffe
Hochleistungskunststoffe: sie zeichnen sich dadurch aus, dass eine, oder auch mehrere Werkstoffeigenschaft besonders hervorstechen, z.B. extreme Temperaturbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit, besondere Chemikalienbeständigkeit usw. Ihr Anteil an der Weltkunststoffproduktion liegt bei 0,2%.

Beispiele: Polytetrafluorethylen (PTFE),Polyaryletherketone (PAEK), Polyimide (PI), flüssigkristalline Kunststoffe (LCP).

Was sind Kunststoffe ?

Kunststoffe sind organische Werkstoffe, deren Hauptbestandteil Kohlenstoff ist. Fast alle Kunststoffe enthalten zusätzlich Wasserstoff, viele auch Sauerstoff oder Stickstoff. Wesentlich seltener findet man Schwefel, Chlor, Fluor oder Silizium in Kunststoffen.Die Elemente sind zu riesigen, kettenförmigen oder netzartigen Molekülen zusammengeschlossen, die man wegen ihrer Größe als Makromoleküle bezeichnet.

Zahlreiche Naturstoffe wie etwa Zellulose, Stärke, Eiweißstoffe oder Harze sind ebenfalls aus Makromolekülen aufgebaut. Der Aufbau aus Makromolekülen ist ein wichtiges Merkmal aller Kunststoffe und viele Eigenschaften der Kunststoffe sind darauf zurückzuführen.

Wie werden Kunststoffe hergestellt ?

Bei der Herstellung von Kunststoffen werden bestimmte Makromoleküle systematisch aufgebaut. Der Aufbau erfolgt aus einer Vielzahl kleiner gleichartiger Bausteine, die durch chemische Reaktion miteinander verbunden werden. Kunststoffe werden daher auch als polymere Stoffe bezeichnet, da sie durch das Aneinanderreihen und Verbinden sehr vieler Teile (poly = viele, meros = Teil) entstehen. In der Chemie nennt man diese Aufbaureaktionen Polymerisation.

Das regelmäßige Bauprinzip, bei dem sich ein bestimmter Teil des Makromoleküls ständig wiederholt (entsprechend den verwendeten Bausteinen), ist ebenso ein gemeinsames Merkmal aller Kunststoffe wie der Aufbau aus Makromolekülen.

Die Ausgangsstoffe ("Bausteine") für Kunststoffe sind einfach gebaute Kohlenstoffverbindungen, die heute aus Erdöl oder Erdgas gewonnen werden. Bis in die 60er Jahre war Kohle der wichtigste Rohstoff für die Herstellung der "Kunststoffbausteine". Grundsätzlich eignen sich alle kohlenstoffhaltigen Rohstoffe als Basismaterial für die Gewinnung von Kunststoffbausteinen also auch nachwachsende Rohstoffe, wie z.B. Melasse (Rückstände aus der Zuckergewinnung).

Die Namen vieler Kunststoffe geben Auskunft darüber, welche "Teilchen" für ihre Herstellung verwendet werden:

  • Polyethylen = "viele Ethylenteilchen"
  • Polypropylen = "viele Propylenteilchen"
  • Polystyrol = "viele Styrolteilchen"


Der Kunststoff Polyethylen, aus dem z.B. alle Tragetaschen sind, entsteht beispielsweise durch Polymerisation tausender Ethylenmoleküle.

Warum gibt es so viele Kunststoffe ?

Kunststoffe kommen in sehr unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz, von der Medizin bis zur Raumfahrt. So vielfältig und verschieden wie die Anwendungsgebiete, sind auch die Anforderungen, die an das verwendete Material gestellt werden. Ein "Einheitskunststoff" oder einige wenige "Allzweckkunststoffe" können diese spezifischen Materialanforderungen nicht erfüllen.

Der Name Kunststoffe bezeichnet eine Werkstoffgruppe und ist vergleichbar mit den Bezeichnungen Metalle oder Keramik. Wie bei Metallen oder Keramik haben die Vertreter der Werkstoffgruppe einige grundlegende gemeinsame Merkmale, in ihren individuellen Eigenschaften wie z. B. Härte, Temperaturbeständigkeit, Transparenz usw. zeigen sie aber deutliche Unterschiede.

Die individuellen Eigenschaften eines bestimmten Kunststoffes werden von den verwendeten "Bausteinen" und von der Art ihrer Verknüpfung bestimmt. Durch die Wahl geeigneter Ausgangsstoffe sind daher die Eigenschaften von Kunststoffen steuerbar und es gelingt, für eine bestimmte Anwendung einen Werkstoff mit genau passenden, sozusagen "maßgeschneiderten" Eigenschaften herzustellen.

Wo liegen die Vorteile der Kunststoffe ?

Sie sind leicht...

Mit einer Dichte von 0,9 bis 1,5 g/cm3 zählen Kunststoffe zu den leichtsten Werkstoffen überhaupt. Lediglich Holz zeigt eine vergleichbar geringe Dichte.

Das geringe Gewicht von Kunststoffprodukten macht Kunststoffe zum effizienten Verpackungsmaterial: Bei in Kunststoff verpackten Waren entfallen durchschnittlich nur 1-3% des Produktgewichtes auf die Verpackung. 2 g Kunststofffolie verpacken 200 g Käse, in eine 85 g schwere Flasche lassen sich 1,5 Liter Flüssigkeit sicher abfüllen und ein Becher für 125 g Joghurt wiegt 3,5 g.

Leichte Kunststoffprodukte sind aber nicht nur angenehm und bequem, sondern leisten beim Bau moderner Verkehrsmittel einen wichtigen Beitrag zur Verringerung des Treibstoff- und Energieverbrauchs. In einem heute gebauten Auto kommen etwa 140 kg Kunststoff zum Einsatz und ersetzen 200 bis 250 kg andere Materialien. 100 kg weniger Fahrzeuggewicht bedeutet eine Treibstoffersparnis von ca. 750 Liter im Laufe eines durchschnittlichen "Autolebens" von 150.000 Kilometern. Allein die österreichischen Autofahrer sparen durch den Kunststoff-Einsatz im Automobil 300 Millionen Liter Treibstoff in einem Jahr. 

Sie lassen sich leicht und kostengünstig formen...

Ihre gute und vergleichsweise leichte Formbarkeit lässt der Phantasie bei der Gestaltung von Kunststoffprodukten viel Raum. Es lässt sich zwar nicht jeder Formenwunsch in der Praxis verwirklichen – aber Ideen nehmen in Kunststoff Gestalt an.

Der Wunsch nach ungewöhnlichen und komplizierten Formen hat nicht nur optisch-ästhetische Gründe, sondern sehr oft einen technischen oder wirtschaftlichen Hintergrund.

Sie sind gute Isolatoren für Wärme und elektrischen Strom...

Kunststoffe sind sehr schlechte Wärmeleiter und leiten elektrischen Strom praktisch nicht. Sie sind daher besonders gut für die Herstellung von Wärmedämmprodukten und elektrischen Isolatoren geeignet.

Eine 5 cm dicke Isolierschicht aus Kunststoffschaum reduziert die Heizenergie und die Heizkosten eines Einfamilienhauses auf nahezu die Hälfte. Die Heizung eines nicht isolierten Hauses verbraucht pro Jahr rund 10l Heizöl/m2 Außenhaut. Durch die einmalige Verwendung von 200 kg Kunststoffdämmung ersparen sich die Bewohner eines durchschnittlich großen Einfamilienhauses (200 m2 Außenfläche) jedes Jahr 1000 Liter Erdöl und der Umwelt 2.800 Tonnen Kohlendioxidemission. 

Sie sind flexibel und anpassungsfähig...

Kunststoffe sind in vieler Hinsicht flexibel: Zum einen was die vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten betrifft, zum anderen lassen sich auch ihre Materialeigenschaften steuern und an den Einsatzbereich eines Produktes anpassen. Extrem dünne, zähe Folien sind einzigartige Produkte, die aus keinem anderen Werkstoff herstellbar sind. Sie passen sich wie eine zweite Haut vorgegebenen Formen an.

Ebenso lässt sich z. B. die Durchlässigkeit von Kunststofffolien für Gase genau einstellen. Solche Folien erlauben es, Verpackungen herzustellen die sich auf die Haltbarkeit von Frischprodukten günstig auswirken. Durch die Folie kann nur ein kontrollierter Gasaustausch stattfinden und in der Verpackung stellt sich ein für die Haltbarkeit günstiger Sauerstoffgehalt ein. Für Salat z.B. lässt sich mit Hilfe derartiger Verpackungen die Haltbarkeit um 50% erhöhen.

Wie viel Energie wird für die Herstellung verbraucht ?

Der Energiebedarf für Kunststoffprodukte ist oft niedriger als derjenige für Produkte aus Alternativ-Werkstoffen, obwohl der Energieverbrauch für die Herstellung eines Kilogramms Kunststoff vergleichsweise hoch liegt. Das geringe Gewicht von Kunststoffprodukten wirkt sich positiv aus.

Bei der Datenerfassung wird der Energiebedarf zunächst immer für ein Kilogramm eines Werkstoffes berechnet. Dafür werden alle erforderlichen Energiemengen addiert - von der Rohstoffgewinnung bis zum verarbeitungsfähigen Werkstoff. Rohstoffe, die auch Energieträger sind, wie z.B. Erdöl, werden dabei ebenfalls als "materialgebundener" Energiebedarf in der Berechnung berücksichtigt.

Die folgende Darstellung gibt einen Überblick über den Energiebedarf zur Produktion von je 1kg verschiedener Werkstoffe.

In der Praxis ist ein Vergleich der Herstellungsenergie für ein Kilogramm eines Werkstoffes aber nicht relevant. Interessant ist die Gegenüberstellung von Produkten, und dabei spielt das Gewicht des Produktes eine entscheidende Rolle.

Für die Produktion von 1 kg Glas ist deutlich weniger Energie erforderlich als für die Herstellung von 1 kg Kunststoff. Aus 1 kg Glas lassen sich aber max. drei 1L Getränkeflaschen, aus 1 Kg Kunststoff dagegen 20 Flaschen mit dem gleichen Füllvolumen herstellen. Der Vergleich von Getränkeflaschen fällt eindeutig zu Gunsten des Kunststoffes aus!

Welche Zusatzstoffe werden verwendet ?

Zusatzstoffe oder Additive werden den Kunststoffen zur Verbesserung bestimmter Materialeigenschaften oder zur Erleichterung der Verarbeitung zugesetzt. Man unterscheidet daher Funktionszusatzstoffe und Verarbeitungshilfsmittel.

Wichtige Funktionszusatzstoffe sind:

  • Lichtschutzmittel - sie schützen vor Schäden durch Licht
  • Antioxidantien - sie schützen vor Schäden durch Einwirkung von Sauerstoff
  • Füllstoffe - sie erhöhen die mechanische Festigkeit
  • Farbstoffe und Pigmente - sie ermöglichen farbige Kunststoffe
  • Weichmacher - sie erhöhen die Flexibilität bestimmter Kunststoffe
  • Antistatika - sie verhindern die statische Aufladung von Kunststoffprodukten an der Oberfläche

Wichtige Verarbeitungshilfsmittel sind:

  • Gleitmittel – sie erleichtern den Transport der Kunststoffschmelze in den Verarbeitungsmaschinen
  • Hitzestabilisatoren – sie schützen die Kunststoffe bei der Verarbeitung vor Schäden durch Überhitzung
  • Entformungshilfsmittel
  • Treibmittel – sie ermöglichen die Herstellung von Schaumstoffen

Gibt es biologisch abbaubare Kunststoffe ?

Mit der Bezeichnung abbaubare Kunststoffe sind im allgemeinen biologisch abbaubare Kunststoffe gemeint: Kunststoffe, deren Molekülgerüst durch Umwelteinflüsse wie z.B. Sonnenlicht, Feuchte und Mikroorganismen zerlegt und vollständig abgebaut werden kann.

Der Wunsch nach Kunststoffen, die nach ihrem Gebrauch in den natürlichen Stoffkreislauf eintreten können, ist im Zusammenhang mit der Abfalldiskussion zu sehen. Die Kunststoffwissenschaft beschäftigt sich seit Jahren mit diesem Thema und heute werden biologisch abbaubare Kunststoffe großtechnisch hergestellt und sind auf dem Markt erhältlich.

Der Einsatz biologisch abbaubarer Kunststoffe ist mit Sicherheit nicht in allen Anwendungsbereichen möglich. Für eine Reihe von Produkten wie z.B. Folien für Landwirtschaft und Gartenbau, Pflanztöpfe, Hygieneartikel, Müllsäcke u.ä. macht ihre Verwendung Sinn.

Wie lassen sich abbaubare Kunststoffe herstellen ?

Biologisch abbaubare Kunststoffe sind auf mehreren Wegen zugänglich.

Da wäre zunächst die Nutzung von natürlichen Polymeren wie Stärke oder Zellulose als Ausgangsstoffe für Kunststoffe. Die Verwendung von Stärke als Rohstoff war der erste Weg um biologisch abbaubare Kunststoffe zu erhalten. Es gibt mehrere auf Stärke basierende Kunststoffe auf dem Markt. Sie lassen sich schwer verarbeiten und nehmen in feuchter Umgebung Wasser auf. Sie sind daher nur beschränkt einsetzbar und eignen sich z.B. als Kurzzeitverpackung für trockene Produkte.

Die Fähigkeit bestimmter Bakterien ihre Energiereserven in Form von Polymeren anzulegen, lässt sich zur Herstellung von Kunststoffen nutzen. Die von den Bakterien produzierten Stoffe zeigen von Natur aus typische "Kunststoffeigenschaften": Sie sind fest, thermoplastisch und wasserabweisend und lassen sich auf den üblichen Kunststoffmaschinen zu Folien und Behältern verarbeiten. Als Folge des aufwendigen biotechnologischen Herstellverfahrens liegt ihr Preis im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen sehr hoch. Sie kommen nur für Spezialanwendungen, etwa im Medizinbereich, zum Einsatz.

Untersuchungen haben gezeigt, dass sich biologisch abbaubare Kunststoffe auch mit Hilfe der Verfahren und der preisgünstigen Ausgangsstoffe herstellen lassen, die für konventionelle Kunststoffe eingesetzt werden. Vorbild für die Konstruktion dieser Kunststoffe war selbstverständlich die Natur: Man nehme einen Biopolyester, ein Stoff der in der Wachsschicht von Blättern vorkommt, und Aminosäuren, die Bausteine von Eiweißstoffen. Zusammen wird daraus ein Polyesteramid - ein Kunststoff! Er ist gut zu verarbeiten, stabil und wird nach Gebrauch biologisch abgebaut.

An bestimmten Stellen des Moleküls gleichen sich Natur- und Kunststoff und dort können Bakterien den Abbau beginnen. Im restlichen Molekülgerüst unterscheiden sich Naturstoff und Kunststoff, wodurch die doch recht unterschiedlichen Eigenschaften von Blattwachs und Kunststoff zustande kommen.

Die ersten Produkte aus diesen synthetisch hergestellten, biologisch abbaubaren Kunststoffen sind bereits auf dem Markt. Das Material ist in seinen Eigenschaften dem Polyethylen sehr ähnlich und eignet sich für Folien und zur Herstellung von Behältern. Auch diese Kunststoffe sind noch vergleichsweise teuer.

Wo werden abbaubare Kunststoffe eingesetzt ?

Zur Zeit werden sie im Bereich der Landwirtschaft (Abdeckfolien zum Schutz für Setzlinge) und in der Medizin (Nähfäden, Wundtupfer, Implantate) eingesetzt.

Im Bereich der Landwirtschaft haben sich abbaubare Abdeckfolien und Pflanztöpfe bewährt. Der UV-Einfluß bewirkt die "Vergrubung" der Folie, die Pflanztöpfe werden im Boden völlig abgebaut.

In der Medizin werden sie dort eingesetzt, wo sich der Stoff nach dem Heilungsprozess im Körper auflösen soll.

Ihr Einsatz für Verpackungen, an die besondere hygienische Ansprüche gestellt werden, z.B. im Lebensmittelbereich, ist dagegen mit Risiken verbunden. Lebensmittel sind oft feucht und verfügen über eine eigene Flora von Mikroorganismen. Der Packstoff sollte bzw. muss gegenüber diesen Einflüssen resistent sein. Dies ist aber bei abbaubaren Kunststoffen nicht immer gewährleistet.

Abbaubare Kunststoffe stellen keinen generellen Ersatz für herkömmliche Kunststoffe dar, sondern sind für ausgewählte Bereiche eine sinnvolle Ergänzung.

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