Kunststoff

Als Kunststoffe werden Werkstoffe bezeichnet, die künstlich oder durch Abwandlung von Naturprodukten hergestellt werden. Umgangssprachlich werden Kunststoffe auch als Plastik bezeichnet. Sie bestehen aus langen ineinander verschlungenen oder miteinander vernetzten Molekülketten, den sogenannten Polymeren. Diese Polymerketten setzen sich aus stets wiederholenden Molekülbausteinen, den sogenannten Monomeren, zusammen.

Im Wesentlichen bestehen Kunststoffe aus organischen Stoffen. Ihre Hauptbestandteile sind dabei Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Chlor, Schwefel und Stickstoff. Als Ausgangsstoff für die Herstellung von Kunststoffen dient vor allem Erdöl. Dabei wird das bei der Ölraffination entstehende Rohbenzin, das sogenannte Naphtha, weiterverarbeitet. In einem thermischen Spaltprozess, der als Cracken bezeichnet wird, werden die langen Kohlenwasserstoffketten des Naphthas aufgebrochen, wodurch Kohlenwasserstoffverbindungen mit kürzeren Molekülketten entstehen. Dabei handelt es sich z. B. um Ethylen, Propylen und Butylen. Im Anschluss werden aus diesen Kohlenwasserstoffverbindungen Kunststoffe hergestellt. Hierbei wird zwischen drei unterschiedlichen Kunststoffherstellungsverfahren unterschieden. Diese bezeichnet man als Polymerisation, Polykondensation und Polyaddition.

Bei der Polymerisation werden die Kohlenstoff-Doppelbindungen der Monomere, z. B. Ethylen, aufgebrochen und ohne Abspaltung von Nebenprodukten aneinandergereiht. Dadurch entstehen lange Polymerketten. Im Fall von Ethylen ist dies Polyethylen. Bei der Polykondensation reagieren Monomere in einem mehrstufigen Prozess miteinander zu Polymeren, wobei es zur Abspaltung von Nebenprodukten wie z. B. Wasser, Ammoniak und Chlorwasserstoff kommt. Reagieren unterschiedliche Monomere miteinander, wobei es zu einer Umlagerung von Wasserstoffatomen kommt, so wird dieses Herstellungsverfahren als Polyaddition bezeichnet.

Kunststoffe unterscheiden sich generell durch ihr Verhalten bei Erwärmung, ihren elastischen Eigenschaften und in ihrem strukturellen Aufbau. Aus diesem Grund werden sie auch nach ihrem mechanisch-thermischen Verhalten in drei Gruppen eingeteilt. Es handelt sich hierbei um Thermoplaste, Duromere und Elastomere.

Thermoplaste bestehen aus ineinander verschlungenen Molekülketten, die nicht miteinander vernetzt sind. Man unterscheidet zwischen amorphen und teilkristallinen Thermoplasten. Bei den amorphen Thermoplasten sind die Molekülketten wirr ineinander verschlungen, wohingegen bei den teilkristallinen Thermoplasten geordnete Strukturbereiche vorhanden sind. Thermoplaste sind bei Raumtemperatur hart, bei Erwärmung erweichen sie und sind somit plastisch verformbar. Ab einer gewissen Temperatur beginnen sie zu schmelzen und können bei Abkühlung auch wieder erstarren. Dieser Vorgang ist reversibel, d. h. umkehrbar. Zu den Thermoplasten zählen z. B. Polyethylen, Polystyrol, Polycarbonat und Polypropylen.

Duromere bestehen aus engmaschig vernetzten Molekülstrukturen. Im Unterschied zu den Thermoplasten bleiben Duromere auch nach Erwärmung hart. Bei hohen Temperaturen zersetzten sie sich und dieser Vorgang ist auch nicht reversibel. Zu den Duromeren zählen z. B. Polyurethan, Bakelit, Epoxidharz und Polyester.

Elastomere bestehen aus weitmaschig vernetzten Molekülstrukturen. Sie sind sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Erwärmung dauerhaft elastisch. Bei mechanischer Belastung dehnen sie sich stark aus und ziehen sich bei Entlastung wieder zusammen. Aus diesem Grund werden sie umgangssprachlich auch als Gummi bezeichnet. Ebenso wie Duromere sind sie nicht schmelzbar sondern zersetzten sich bei hohen Temperaturen. Zu den Elastomeren zählen z. B. Naturkautschuk und Chloropren-Kautschuk.

Die Eigenschaften der Kunststoffe unterscheiden sich sehr stark von denen anderer Werkstoffe wie z. B. Stahl, Beton, Glas oder Holz. Zusätzlich werden die Eigenschaften der Kunststoffe sehr stark von ihrem strukturellen Aufbau und der Verarbeitung beeinflusst. Generell weisen sie eine geringe Dichte, eine geringe Wärmeleitfähigkeit, eine große Wärmedehnung, eine hohe chemische Beständigkeit und eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Die Zugfestigkeiten und der Elastizitätsmodul von Kunststoffen sind besonders im Vergleich zu Stahl deutlich niedriger. Die Vielzahl der Kunststoffe ist brennbar, allerdings schwer entflammbar.

Im Gegensatz zu vielen anderen Werkstoffen, ist das mechanische Verhalten der Kunststoffe stark von der Zeit und der Temperatur abhängig. Mit steigender Temperatur sowie sinkender Beanspruchungsgeschwindigkeit nimmt bei Kunststoffen die Festigkeit deutlich ab und die Duktilität nimmt zu. Der Grund für dieses Verhalten sind die langen Molekülketten der Kunststoffe. Diese sind bei langsamer Belastungsgeschwindigkeit und höherer Temperatur in der Lage, sich gleichmäßiger auszurichten. Dieses zeitabhängige Verhalten ist bei den Thermoplasten stärker ausgeprägt als bei den Duromeren und Elastomeren. Der Grund hierfür liegt in der Vernetzung der Duromere und Elastomere. Diese chemischen Vernetzungen behindern das Abgleiten der Polymerketten.

Synonym(e):

Plastik

Englische Übersetzung(en):

plastic, synthetic