Kunststoffe (1) 14.08.2014, 07:53

Das moderne Leben ist ohne Kunststoffe nicht mehr vorstellbar. Unzählige technische Bauteile bestehen ebenso aus Kunststoffen wie Kleider, Verpackungsmittel, Möbel und vieles Andere. In diesem Beitrag erfahren wir, wie Kunststoffe aufgebaut sind und welche Eigenschaften sie haben.

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Kunststoffe haben einen ganz anderen Charakter als die klassischen (und inzwischen oft viel teureren) metallischen Werkstoffe wie z. B. Stahl, Kupfer, Aluminium usw. und deren Legierungen. Je nachdem, was man damit ausdrücken will, hat man Kunststoffen verschiedene Bezeichnungen gegeben: Kunststoffe, Plaste (Plastik), Polymere, makromolekulare Werkstoffe. In der ehemaligen DDR nannte man Kunststoffe »Plaste«. In der Umgangssprache hat sich dafür »Plastik« eingebürgert. Im Fach Werkstoffkunde werden beide eher nicht verwendet.

Allgemein gilt aber: Kunststoffe sind technische Werkstoffe, die aus Makromolekülen bestehen. Sie werden durch chemische Reaktionen überwiegend aus Erdöl, aber auch aus Erdgas oder Kohle gewonnen.

Das Schlüsselwort dieser Beschreibung heißt Makromolekül. Was ist das? 
In einem Makromolekül sind viele kleinere Molekülbausteine, so genannte Monomere (mono = 1), zu sehr großen Molekülen, den Polymeren (poly = viel) verknüpft. Diese können aus 100 bis über 10 000 Monomeren bestehen. Die Einzelmoleküle selbst wieder sind aus den Atomen verschiedener Grundstoffe zusammengesetzt; in Kunststoffen kommen insbesondere vor: Kohlenstoff C, Wasserstoff H, Sauerstoff O, Stickstoff N, Chlor Cl, Silizium Si, und Schwefel S. 

Aufbau der Kunststoffe
Welche Eigenschaften ein Kunststoff hat, hängt von der Anordnung der Makromoleküle ab. Im Großen und Ganzen unterscheidet man drei Gruppen: Thermoplaste, Elastomere, Duroplaste (Bild unten)

Innerer Aufbau von Thermoplasten, Elastomeren, Duroplasten

Thermoplaste. Die Makromoleküle sind untereinander nicht fest verbunden. Man kann sie sich vorstellen wie die Fäden in einem Wattebausch. Sie werden dann auch als amorphe Thermoplaste bezeichnet. Sind sie jedoch überwiegend regelmäßig angeordnet, bietet sich das Bild eines Kristalls an; dann nennt man sie teilkristallin. Werden Thermoplaste erwärmt, werden sie flüssig und lassen sich auf verschiedene Arten vergießen. 

Elastomere dagegen sind weitmaschig vernetzt. In dieser Vernetzung gibt hier und dort einen Vernetzungspunkt. Diese Kunststoffe haben gummiartige Eigenschaften, was mit der Bezeichnung Elastomer (elastisch) ausgesagt wird. Beim Erwärmen schrumpft dieser Werkstoff; bei höheren Temperaturen zersetzt er sich.

Auch die Makromoleküle in den Duroplasten haben Vernetzungspunkte, aber wesentlich mehr als die Elastomere. Sie bilden dadurch eine steife, ja sogar harte Struktur, was mit der Vorsilbe duro (= hart) ausgedrückt wird. 
Duroplaste sind bei Zimmertemperatur hart und oft spröde, so dass sie auf Stöße und Schläge empfindlich reagieren. Erhitzt man Duroplaste, dann werden sie nicht weich; bei höheren Temperaturen beginnen sie zu verkohlen.

Herstellung der Kunststoffe 

Die (meist vollsynthetische) Herstellung von Polymeren wird als Polymerisation bezeichnet. Der Vorgang kann auf zwei Arten ablaufen: 

Additions-Polymerisation: Monomere werden aneinander gehängt (addiert). Ein Beispiel dafür ist das Plyethylen, kurz PE. Aus PE bestehen z. B. viele Haushaltsgegenstände. 
Bei der Additions-Polymerisation entstehen keine weiteren (Abfall-)Produkte. 

Kondensations-Polymerisation. Dabei wird ein niedermolekulares Produkt, z. B. Wasser oder Salzsäure, abgespaltet. 

Vorgänge bei der Additions-Polymerisation:
Der Ausgangsstoff für PE ist das Ethylen. Unter Normalbedingungen ist es ein süßlich riechendes, farbloses und brennbares Gas. Seine Formel ist C2H4, das man auch als Strukturformel wie in Bild 1 darstellen kann
Zwischen den C-Atomen besteht eine Doppelbindung (zwei Arme); an jedem C hängen noch zwei H-Atome. Dies zeigt, dass H einwertig ist, also nur ein »Ärmchen« besitzt. C ist vierwertig, besitzt also 4 Ärmchen. 

Strukturformeln von Kohlewasserstoffen

Bei der Herstellung des Polyethylens wird die Doppelbindung aufgebrochen (gebogener Pfeil in Bild 2). Das erste Aufbrechen geschieht in der »Startreaktion«, die Beendigung des Vorgangs in der »Abbruchreaktion«. Würde der Vorgang nach dem Abbrechen zu einem Makromolekül wie in Bild 3 führen, dann läge ein Stoff mit der Summenformel C4H8 vor. 

Zu diesem komplexen Gebiet findet man fundierte Auskünfte beispielsweise bei Kohlenwasserstoffe.

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