Fragen und Antworten aus
Nina Woickes Kunststoff-Nähkästchen
Natürliche Polymere sind lang (und teilweise sehr komplex) aufgebaute Kohlenwasserstoffe, d.h. die Hauptkette ist überwiegend aus Kohlenstoffatomen aufgebaut. Die Chemie der Kohlenwasserstoffe ist extrem komplex und deswegen hat sie einen eigenen Bereich der Chemie bekommen, der sich organische Chemie nennt.
Kunststoffe sind ebenfalls Polymere und ähneln sehr stark den natürlichen Polymeren. Sie sind damit langkettige Kohlenwasserstoffe und sind ein Teil der organischen Chemie.
Häufig liegen die Polymerketten von Kunststoffen ohne Struktur bzw. "wirr" im Material vor. Dann spricht man von einem amorphen Material.
In einigen Kunsttoffen bilden einige Teile der Polymerketten strukturierte Bereiche. Solche Bereiche nennt man kristallin. Deswegen ist der Kunststoff teil-kristallin
Die Glasübergangstemperatur ist ein Übergangsbereich, den alle Kunststoffe haben. Unterhalb dieses Bereiches sind die zwischenmolekularen Kräfte so groß, dass sich die amorphen Teile des Kunststoffes hart und spröd verhalten. Man spricht auch von der „Verglasung“.
Ein viskoelastisches Material verhält sich weder vollkommen elastisch noch vollkommen plastisch. Im inneren des Materials wird ein Teil der zwischengespeicherten elastischen Verformungsenergie zeitverzögert dissipiert.
Die Werkstoffmodelle benutzen ideale elastische Federn und ideale Dämpfer und verschalten diese zu einem komplexeren Modell.
Das ist die Vikosität, die man normalerweise im Kopf hat. Sie ist der verbindende Faktor zwischen der Schergeschwindigkeit und der Schubspannung bei einer Kunststoffschmelze.
Die kinematische Viskosität ist die dynamische Viskosität durch die Dichte des Fluids geteilt. Sie wird vor allem genutzt, wenn man mittels der Reynold-Zahl einen Strömungszustand (beispielsweise in einem Rohr) bewerten will.
Durch den Einfluss der Dichte können die Viskositäten beim Vergleich zweier Fluide deutlich voneinander abweichen, insbesondere dann, wenn die Dichten deutlich unterschiedlich sind.
In der Regel wird als Indikatorwert für die Viskosität die sogenannte Melt Flow Rate (MFR) bestimmt. Hierbei wird ein Volumen bei einer bestimmten Temperatur und einem gegebenen Druck durch eine Düse gedrückt und dabei die Zeit gemessen. Die Messmethode sieht dabei eine vergleichsweise geringe Verformungsgeschwindigkeit vor.
Selbst im formbaren Schmelzezustand halten zwischenmolekulare Kräfte Kunststoffe noch recht stark zusammen. Das Maß für diesen Zusammenhalt ist die Viskosität. Je niedriger diese ist, desto flüssiger ist das Material. Ein Parameter, auf den man achten muss, ist die Verformungsgeschwindigkeit. Mit zunehmender Geschwindigkeit nimmt die Viskosität bei Kunststoffen in der Regel auch ab. Wenn dieses Verhalten auftritt, spricht man von Strukturviskosität.
Das bedeutet, dass zwei Materialien, die beide den gleichen MFR haben, in der Praxis völlig anders reagieren können, weil sie unterschiedlich stark strukturviskos sind.
Bei der DMA wird ein Material mit einer schwingenden Belastung beaufschlagt und die Verformung aufgezeichnet. Die Verformung schwingt auch, aber bei Kunststoffen ist diese Verformung leicht zeitverzögert. Aus dieser Information können Aussagen über das Material gemacht werden.
Bei diesem Prinzip wird das zeitlich Verhalten eines viskoelastischen Kunststoffs mit dem Temperaturverhalten in einem festen Verhältnis korreliert. Beispielsweise verhält sich ein Kunststoff bei einer 100fach langsamerem Belastungsgeschwindigkeit in etwa wie bei einer Belastung bei einer um 10°C erhöhten Temperatur.
Da es in der Regel einfacher ist, bei unterschiedlichen Temperaturen zu messen, kann man das ZTV nutzen, um Vorhersagen über das Langzeitverhalten zu treffen.
Wenn für ein Material das ZTV genutzt werden kann, dann nennt man es thermo-rheologisch einfach. Man muss aber grundsätzlich bei Übergangstemperaturen aufpassen. Glasübergangstemperatur und Schmelztemperaturen verändern das rheologische Verhalten oft sehr stark.
Mehrphasige Kunststoffe sind oft nicht thermo-rheologisch einfach, da das ZTV nicht über breitere Temperatur-/Zeitbereiche genutzt werden kann. Dann ist das Material thermo-rheologisch komplex.
Bei der Spannungsrisskorrosion kommen zwei Faktoren zusammen: (Innere) Spannung / Mechanische Belastung und ein Medium, für das das Material spannungsrissanfällig ist. Wenn sie auftritt, beginnt sie mit Mikrorissen im Material und kann sich dann aber zum Versagen führen.
Die Besonderheit ist, dass nur beim Zusammenkommen beider Faktoren diese Art der Korrosion auftritt, allerdings kann es auch durch innere Spannungen auftreten, die bei der Verarbeitung im Material „eingefroren“ wurden.
Eine der Untergruppierungen ist mittels der Dichte: Beispielsweise PE hoher Dichte (HDPE) und PE niedrigere Dichte (LDPE). Da hört es aber nicht auf. Bei der niedrigen Dichte wird noch mal zwischen verzweigtem LDPE und linearem LDPE (LLDPE) unterschieden.
Es ist ein sehr günstiger Kunststoff mit einem für viele Anwendungen akzeptablen Eigenschaftsprofil. Mein klassisches Einsatzbeispiel für die Älteren von uns ist die CD-Hülle, die es früher gab. PS ist verhältnismäßig wenig schlagzäh.
Ja, das geht sehr gut. Es gibt beispielsweise Projekte, die 30% von rezykliertem PS in Lebensmittelkontaktanwendungen nutzen.
SAN ist PS, welches mit Acrylnitril co-polymerisiert wurd. Das erhöht die Steifigkeit, die thermische Beständigkeit und die Kratzfestigkeit. SAN ist weitgehend spülmaschinengeeignet und die meisten Typen haben eine Lebensmittelzulassung, so dass es viele Anwendungen in diesem Bereich gibt. Der Wasserbehälter meiner Kaffeemaschine ist beispielsweise aus SAN. SAN ist nicht schlagzäh.
ABS ist SAN mit Butadien gemischt. Die Butadien-Molekülbereiche bilden innerhalb des ABS-Kunststoffs eine eigene Phase und puffern schlagartige Belastungen ab. Der bekannteste Eisatzbereich von ABS sind Klemmbausteine zum Spielen, aber es kommt auch in vielen Produkten im Automobilsektor oder bei der weißen Ware zum Einsatz.Trotz seiner Komplexität kann man ABS sinnvoll mechanisch rezyklieren.
Das ist ABS mit noch einer zusätzlichen Komponente. ABS ist ein mehrphasiger Kunststoff. Ein Merkmal solcher Kunststoffe ist, dass die Lichtstreuung beim Übergang von einer Phase in die andere. Dies führt zu einer geringen Lichtdurchlässigkeit.
Die Zugabe von Methylmethacrylat (MMA) zur starren SAN-Phase führt zu sehr ähnlichen Brechungsindexwerten der beiden Phasen und somit wieder zur höherer Transparenz. Allerdings kann MABS weder in der Schlagfestigkeit noch in der Hitzebeständigkeit mit ABS mithalten.
POM macht nur etwa 0,5% des gesamten Kunststoffmarktes aus. Seinen Haupteinsatz findet POM im Automobil- und Maschinenbau. Das liegt an seinen guten Gleit- und Verschleißeigenschaften, der durch die hohe Kristallinität vergleichsweise hohen Dimensionsstabilität bei Feuchtigkeit und wechselnden Temperaturen (-40 °C bis ca. 100 °C) und der chemische Beständigkeit gegenüber Kraftstoffen & Ölen.
Nachteile von POM ist auf der anderen Seite die relativ geringe Beständigkeit gegenüber UV und die eingeschränkte Säurebeständigkeit. Man sollte also wie immer genau prüfen, mit welchen Medien das Material in Kontakt kommen kann.
Eine Möglichkeit, POM herzustellen ist es, Formaldehyd zu polymerisieren, deswegen wurde der Kunststoff auch Polyformaldehyd genannt. Folglich kann auch Formaldehyd entstehen, wenn sich POM (beispielsweise bei der Verarbeitung) bei hohen Temperaturen wieder zersetzt.
Hohe Exposition mit Formaldehyd kann allergieauslösend, potentiell krebserregend oder sogar akut toxisch sein.
Im Deutschen nennt man diesen Werkstoff auch Polymilchsäuren. Für die Gewinnung der Milchsäuren wird dabei nicht auf Milch zurückgegriffen. Stattdessen wird Stärke beispielsweise aus Kartoffeln, Mais oder Zuckerrohr/-rübe fermentiert und dann polymerisiert. Dadurch ist PLA selbst keine Säure mehr, sondern ein Polyester.
Viele Menschen denken, die bioabbaubaren Kunststoffe wären neu, aber PLA wurde 1845 bei dem Versuch, Milchsäure durch Erhitzen und Entfernen von Wasser aufzureinigen, entdeckt. Und 1932 wurde bei DuPont in den USA ein technisches Verfahren zur Herstellung von PLA aus Lactiden entwickelt, welches dann nach dem zweiten Weltkrieg patentiert wurde. Das Problem war nur, dass das Verfahren so aufwändig war, das 1 kg PLA mehr als 1000$ kostete.
Eine typische Maßnahme ist es auch, PLA durch Compoundierung (oft mit thermoplastischer Stärke und anderen Additiven) als „PLA-Blends“ in ihren Eigenschaften maßzuschneidern. Dadurch gibt es mittlerweile ein recht breites Anwendungsspektrum, bei dem dieser Werkstoff eingesetzt werden kann.
PLA ist aktuell der bio-basierte und bio-abbaubare Kunststoff, der am meisten eingesetzt wird und es wird erwartet, dass er weiter diesen Bereich dominieren wird.
COC gibt es seit den 1990er Jahren. COC hat gegenüber PS keinen Benzolring als zyklische Chemie, sondern eine komplexe Struktur direkt in der Hauptkette. Man könnte sagen, da hätte jemand eine Schleife reingebunden. Durch die „Schleife“ wird das Molekül so sperrig, dass COC vollständig amorph sind.
COC haben eine hohe Transparenz und geringe Doppelbrechung. Das sind seine besonders herausragenden Eigenschaften. Dieses Material wird deswegen u.a. in Linsen und optischen Sensoren eingesetzt. Außerdem ist es biokompatibel und kann auch in medizintechnischen Anwendungen eingesetzt werden. Es ist also ein spezieller Kunststoff, der speziellen Anforderungen genügt.
Schon zu Edisons Zeiten wurden Kohlenstofffasern hergestellt, allerdings aus Baumwollfasern. Diese Fasern waren von minderer Qualität. Sie konnten zwar in Glühbirnen verwendet werden, aber nicht für eine Vielzahl anderer Anwendungen.
Akio Shinto wurde 1926 in Japan geboren. Er nahm 1952 am staatlichen Industrieforschungsinstitut in Osaka eine Promotion in der Abteilung für Kohlenstoffforschung auf. 7 Jahre lang suchte er nach geeigneten Fasern, die in reproduzierbarer Qualität herstellbar waren, aber gleichzeitig beim Karbonisieren nicht schmelzen durften. Schließlich entschied er sich für Poly-Akyl-Nitril-Copolymere (PAN) und entwickelte das aktuelle Verfahren. Dank Akios Leistungen entwickelte sich Japan zu einem bedeutenden Produzenten von Kohlenstofffasern.
Silikone sind synthetische Polymere. Silikone sind aber keine Kohlenwasserstoffe, ihre Kette ist aus Silizium und Sauerstoff aufgebaut. Silizium ist ein Halbmetall, die Siliziumchemie ist also anorganisch. Man kann allerdings sagen, dass das Silizium der dicke Bruder des Kohlenstoffs ist. Deswegen gibt es teilweise starke Ähnlichkeiten in den Eigenschaften zwischen den Silikonen und den Kunststoffen auf Kohlenwasserstoff-Basis.
Es sind keine Kunststoffe, aber der Kunststoff Polyethylen (PE) ist quasi der größere Cousin der Paraffine. Chemisch gesehen sind das alles Kohlenstoffketten, die verfahrenstechnisch hergestellt werden. ABER: Die Kettenlänge des PE ist etwa 1000 mal so lang wie die der Paraffine.
Durch diesen Unterschied ist PE ein Kunststoff, der für Funktionsbauteile und Verpackung eingesetzt werden kann. Auf der anderen Seite haben Paraffine einen Phasenübergang von kristallin-fest zu flüssig bei sehr moderaten Temperaturen.
PCM sind Materialien, bei denen der Phasenwechsel relativ viel Energie benötigt, weil die kristalline Form zerstört werden muss. Paraffine sind beispielsweise PCM.
PCM werden u.a. für Latentwärmespeicher genutzt. Die hohe Energie beim Phasenwechsel kann sehr kompakt Wärme speichern, die beispielsweise überschüssige Energie für ein Heizsystem puffert.
Das sind “Substances of Unknown or Variable composition” also komplexe Stoffe mit ungeklärter und/oder variabler Zusammensetzung. UVCB-Stoffe sind beispielsweise komplexe Reaktionsgemische oder Extrakte, deren qualitative und/oder quantitative Zusammensetzung mehr oder weniger unbekannt ist oder stark schwankt. Das kommt oft daher, weil sie aus natürlichen Quellen gewonnen werden.
Je mehr wir Natur- und Recyclingprozesse nutzen, desto stärker reichen die UVCB in den technischen Alltag von Polymeren. Aus diesem Grund hat die neue EU-Verordnung (2025/351) eine Regulierung für UVCB-Stoffe explizit für Kunststoffe mit Lebensmittelkontakt aufgenommen.
In 2023 nur etwa 30%. Die anderen 70% gehen in andere, langlebigere Produkte und sind ein wichtiger Teil dessen, was wir als Lebensqualität definieren. Diese 70% werden gerne übersehen: Das sind beispielsweise Rohre, Teile in Autos oder Solarpaneelen oder auch medizintechnischen Anwendungen.
Es zwei parallele Klassifizierungssysteme gibt, die beide Anwendung finden: Das deutsche (ältere) System nach DIN 4102 und das neuere europäische System nach EN 13501.
Einig sind sich die Systeme dabei, was als Baustoff auf Grund des hohen Risikos in Gebäuden nicht allein eingesetzt werden dürfen. In DIN 4102 ist das die Klasse B3 und nach EN 13501 die Klasse F.
In den oberen Klassen A1 und A2 (nicht brennbar ohne und mit brennbaren Bestandteilen), überlappen sich die Systeme ebenfalls.
Mit Blick auf Kunststoffe sei gesagt: Sie sind alle brennbar, es geht nur darum, wie schnell und wie stark. Das heißt, sie werden in beiden Systemen nicht A1 oder A2 schaffen.
Ihre Klassifizierung wird deswegen sehr häufig in den beiden Systemen abweichen und zu keinen direkt vergleichbaren Ergebnissen führen.
Kaum jemand denkt an Kunststoffe, wenn man an Jahrhunderte alte Kunstwerke denkt. Aber für den Erhalt derselben sind sie tatsächlich fast unerlässlich. Darunter sind beispielsweise PET-Folien, Polyamid-Gewebe, Klebstoffe, ablösbare Klebebänder, HarzSe und Lacke.
Das ist ein Element mit mehreren Funktionsschichten, wie z.B. Wärme- und Sonnenschutz, vereint sind. Idealerweise regulieren sich diese Funktionsschichten sich je nach Erfordernis selbsttätig. Dünnglas-Polycarbonat-Verrbundplatten können beispielsweise als polyvalente Elemente genutzt werden.
Eine herkömmliche Sicherheitsverglasung hat einen Querschnitt von 36 mm und eine Eigenlast von 80 kg/m². Im Vergleich dazu: Eine Dünnglas-Polycarbonat-Verbundplatte der gleichen Widerstandsklasse (P8B) hat eine Dicke von 20 mm und eine Eigenlast von ca. 28 kg/m².
Die Vorteile des Verbunds sind, dass das Polycarbonat den Wärmeschutz und die Widerstandsfähigkeit gegen manuelle Angriffe verbessert. Zusätzliche Harzzwischenschichten können den Lärmschutz erhöhen und die mögliche Kombination mit Vakuumisolierglas bietet einen sehr hohen Einbruchschutz. Darüber hinaus kann man weitere veränderbare Eigenschaften integrieren: Beispielsweise kann die Transparenz sensorgesteuert angepasst werden.
IDR kann zum Trocknen von Kunststoffen genutzt werden. Dabei wird das Material in einem Rohr mit Förderschnecke mittels Infrarot in kurzer Zeit und mit relativ geringer Energie getrocknet.