Was ist Kunststoff
Was ist Kunststoff?
Wenn ein Festkörper aus Polymeren besteht, die synthetisch oder halb synthetisch hergestellt wurden, so nennt man ihn Kunststoff.
Wenn ein Festkörper aus Polymeren besteht, die synthetisch oder halb synthetisch hergestellt wurden, so nennt man ihn Kunststoff.
Herstellung von Kunststoff
Als Ausgangsmaterial für die Kunststoffherstellung dienen Erdgas, Kohle und Erdöl. Wobei Erdöl die höchste Bedeutung hat. In chemischen Anlagen werden die Monomere synthetisch isoliert. Dann werden die Monomere verknüpft und zu kettenartigen Makromolekülen, den Polymeren verbunden. Man unterscheidet zwischen drei verschiedenen Reaktionsmechanismen, der Polymerisation, der Polyaddition und der Polykondensation.
Die Polymerisation
Hierbei werden Monomere unter Einfluss von Katalysatoren und unter Auflösung der Mehrfachbindung zu Polymeren. Es können sowohl Monomere gleicher Zusammensetzung als auch zwei oder mehrere Monomere unterschiedlicher Struktur zur Reaktion gebracht werden.
Die Polyaddition
Eine nucleophile Addition von Monomeren zu Polyaddukten. Es werden verschiedenartige Moleküle zu mindestens zwei funktionellen Gruppen verknüpft. Die funktionellen Gruppen einer Molekülsorte müssen eine Doppelbindung erhalten.
Die Polykondensation
Die Polykondensation verläuft in mehreren Stufen und unter Abspaltung von Nebenprodukten ab. Bei der Polykondensation kann sowohl ein einzelnes Monomer als auch schon aneinander gegliederte Monomere eine Kette verlängern. Die funktionellen Gruppen die für eine Bindung benötigt werden gibt es an beiden Enden der Kette.
Einteilung der Kunststoffe
Durch die molekular unterschiedliche Struktur weisen Kunststoffe unterschiedliche Verhaltensweisen bei Erwärmung auf und werden danach benannt. So gibt es Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Die Thermoplaste bestehen aus Makromolekülen, die eine fadenförmig verschlungene aber nicht vernetzte Polymerstruktur haben. Dies ist auch der Grund, weshalb sich Thermoplaste verflüssigen wenn wärme stark zugeführt wird. Bei Raumtemperatur sind Thermoplasten meist spröde und hart. Wenn ein definierter Temperaturbereich überschritten wird, dann fangen Thermoplaste an zu brennen oder zersetzten sich. Bei tiefen Temperaturen muss bei Thermoplasten mit einer Versprödung gerechnet werden. Auf Grund der guten Verarbeitbarkeit gehört die Mehrzahl, der bekannten Kunststoffe, der Gruppe von Thermoplaste an.
Verarbeitet werden sie meist durch das Spritzgieß- oder Extrusionsverfahren. Es werden Halberzeugnisse und Formteile in großen Stückzahlen gefertigt. Durch die weitmaschig vernetzte Molekularstruktur sind Elastomere verformbar. Der Härtegrad bei Druckbeanspruchung wird von der Anzahl an Vernetzungen bestimmt. Die Verformung bildet sich bei beendigen des Krafteinflusses zurück. Elastomere sind nicht schmelzbar und unlöslich. Die Duroplaste weisen eine sehr engmaschige und stark vernetzte Polymerstruktur auf. Bei Zufuhr von Wärme kommt es zu keiner Verschiebung da sich die Moleküle gegenseitig behindern. Somit ist keine thermische Verformung und kein schmelzen von Duroplasten möglich. Tiefe Temperaturen führen bei Duroplasten zu keinen Veränderungen.
Als Ausgangsmaterial für die Kunststoffherstellung dienen Erdgas, Kohle und Erdöl. Wobei Erdöl die höchste Bedeutung hat. In chemischen Anlagen werden die Monomere synthetisch isoliert. Dann werden die Monomere verknüpft und zu kettenartigen Makromolekülen, den Polymeren verbunden. Man unterscheidet zwischen drei verschiedenen Reaktionsmechanismen, der Polymerisation, der Polyaddition und der Polykondensation.
Die Polymerisation
Hierbei werden Monomere unter Einfluss von Katalysatoren und unter Auflösung der Mehrfachbindung zu Polymeren. Es können sowohl Monomere gleicher Zusammensetzung als auch zwei oder mehrere Monomere unterschiedlicher Struktur zur Reaktion gebracht werden.
Die Polyaddition
Eine nucleophile Addition von Monomeren zu Polyaddukten. Es werden verschiedenartige Moleküle zu mindestens zwei funktionellen Gruppen verknüpft. Die funktionellen Gruppen einer Molekülsorte müssen eine Doppelbindung erhalten.
Die Polykondensation
Die Polykondensation verläuft in mehreren Stufen und unter Abspaltung von Nebenprodukten ab. Bei der Polykondensation kann sowohl ein einzelnes Monomer als auch schon aneinander gegliederte Monomere eine Kette verlängern. Die funktionellen Gruppen die für eine Bindung benötigt werden gibt es an beiden Enden der Kette.
Einteilung der Kunststoffe
Durch die molekular unterschiedliche Struktur weisen Kunststoffe unterschiedliche Verhaltensweisen bei Erwärmung auf und werden danach benannt. So gibt es Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Die Thermoplaste bestehen aus Makromolekülen, die eine fadenförmig verschlungene aber nicht vernetzte Polymerstruktur haben. Dies ist auch der Grund, weshalb sich Thermoplaste verflüssigen wenn wärme stark zugeführt wird. Bei Raumtemperatur sind Thermoplasten meist spröde und hart. Wenn ein definierter Temperaturbereich überschritten wird, dann fangen Thermoplaste an zu brennen oder zersetzten sich. Bei tiefen Temperaturen muss bei Thermoplasten mit einer Versprödung gerechnet werden. Auf Grund der guten Verarbeitbarkeit gehört die Mehrzahl, der bekannten Kunststoffe, der Gruppe von Thermoplaste an.
Verarbeitet werden sie meist durch das Spritzgieß- oder Extrusionsverfahren. Es werden Halberzeugnisse und Formteile in großen Stückzahlen gefertigt. Durch die weitmaschig vernetzte Molekularstruktur sind Elastomere verformbar. Der Härtegrad bei Druckbeanspruchung wird von der Anzahl an Vernetzungen bestimmt. Die Verformung bildet sich bei beendigen des Krafteinflusses zurück. Elastomere sind nicht schmelzbar und unlöslich. Die Duroplaste weisen eine sehr engmaschige und stark vernetzte Polymerstruktur auf. Bei Zufuhr von Wärme kommt es zu keiner Verschiebung da sich die Moleküle gegenseitig behindern. Somit ist keine thermische Verformung und kein schmelzen von Duroplasten möglich. Tiefe Temperaturen führen bei Duroplasten zu keinen Veränderungen.
Eigenschaften
Um verschiedene Eigenschaften von Kunststoff nach belieben zu erzielen, werden die organischen Kohlenstoffverbindungen scheinbar beliebig zusammengesetzt.
Kunststoff weist in den meisten Fällen eine Dichte zwischen 800- 2200 kg/m³ auf. Da die Festigkeit und Steifigkeit nicht ganz denen von Metallen oder Keramiken entspricht, ist es möglich Kunststoff mit Verstärkungsfasern aufzuwerten. Eine gute Beständigkeit gegenüber anorganischen Medien und eine schlechte Beständigkeit gegenüber organischen Lösungsmitteln lassen Kunststoffe für spezielle Anwendungsbereiche hervorheben. Auch brechen Kunststoffe nicht so leicht wie beispielweise Glas oder Keramik, da sie eine gute Zähigkeit besitzen. Außerdem ist Kunststoff auf Grund seiner niedrigen Verarbeitungstemperatur von 250- 300° C leicht zu verarbeiten. Die Wärmeleitfähigkeit liegt deutlich unter der von Metallen, deshalb werden Kunststoffe auch als Dämmmaterialien eingesetzt. Kunststoffe werden auch als Isolation von elektrischen Leitungen und Kabeln eingesetzt, da die elektrische Leitung von Kunststoffen um 15 Größenordnungen kleiner ist als die von Metallen.
Bei Beschädigung sind Kunststoffe sehr schwierig auszubessern und müssen meist neu ersetzt werden.
Die Eigenschaften von Kunststoff lassen sich durch beimischen von Stabilisatoren, Weichmachern, Füllstoffen, Farb- und Treibmitteln und durch Faserbeimischungen deutlich verbessern und das Anwendungsgebiet wird dadurch erweitert. Stabilisatoren machen den Kunststoff beständiger gegen Witterung. Mit Lichtschutzmittel kann man den Kunststoff gegen die UV- Strahlungen schützen und mit Weichmacher wirken gegen die Sprödigkeit.
Die Einbettung von Fasern erhöht die Festigkeit von Kunststoff. Der Faserverbundwerkstoff besitzt die hohe Festigkeit von Fasern mit der guten Verarbeitbarkeit von Kunststoff. Der Faseranteil in einem Faserverbundwerkstoff beträgt zwischen 30-50%. Die Glasfaser zählt mit zu den wichtigsten Fasern die hierbei eingesetzt werden. Sie ist niedrig vom Preis und hat gute mechanische Eigenschaften.
Um verschiedene Eigenschaften von Kunststoff nach belieben zu erzielen, werden die organischen Kohlenstoffverbindungen scheinbar beliebig zusammengesetzt.
Kunststoff weist in den meisten Fällen eine Dichte zwischen 800- 2200 kg/m³ auf. Da die Festigkeit und Steifigkeit nicht ganz denen von Metallen oder Keramiken entspricht, ist es möglich Kunststoff mit Verstärkungsfasern aufzuwerten. Eine gute Beständigkeit gegenüber anorganischen Medien und eine schlechte Beständigkeit gegenüber organischen Lösungsmitteln lassen Kunststoffe für spezielle Anwendungsbereiche hervorheben. Auch brechen Kunststoffe nicht so leicht wie beispielweise Glas oder Keramik, da sie eine gute Zähigkeit besitzen. Außerdem ist Kunststoff auf Grund seiner niedrigen Verarbeitungstemperatur von 250- 300° C leicht zu verarbeiten. Die Wärmeleitfähigkeit liegt deutlich unter der von Metallen, deshalb werden Kunststoffe auch als Dämmmaterialien eingesetzt. Kunststoffe werden auch als Isolation von elektrischen Leitungen und Kabeln eingesetzt, da die elektrische Leitung von Kunststoffen um 15 Größenordnungen kleiner ist als die von Metallen.
Bei Beschädigung sind Kunststoffe sehr schwierig auszubessern und müssen meist neu ersetzt werden.
Die Eigenschaften von Kunststoff lassen sich durch beimischen von Stabilisatoren, Weichmachern, Füllstoffen, Farb- und Treibmitteln und durch Faserbeimischungen deutlich verbessern und das Anwendungsgebiet wird dadurch erweitert. Stabilisatoren machen den Kunststoff beständiger gegen Witterung. Mit Lichtschutzmittel kann man den Kunststoff gegen die UV- Strahlungen schützen und mit Weichmacher wirken gegen die Sprödigkeit.
Die Einbettung von Fasern erhöht die Festigkeit von Kunststoff. Der Faserverbundwerkstoff besitzt die hohe Festigkeit von Fasern mit der guten Verarbeitbarkeit von Kunststoff. Der Faseranteil in einem Faserverbundwerkstoff beträgt zwischen 30-50%. Die Glasfaser zählt mit zu den wichtigsten Fasern die hierbei eingesetzt werden. Sie ist niedrig vom Preis und hat gute mechanische Eigenschaften.
Geschichte
Die erste Art von Kunststoff entdeckte der Augsburger Wolfgang Seidel im Jahre 1531. Er brachte Magerkäse in einen warmen Zustand, in welchem der Käse verformbar ist. Dann kühlte er den Käse wieder ab und es entstand ein recht festes Material. Daraus entwickelte er eine lange und dauernde Prozedur, in welcher der Käse immer wieder erhitzt und reduziert wurde, bis daraus schließlich Kunsthorn oder Kasein wurde. Dieses neue Produkt wurde zur Herstellung von Formen, Trinkgeschirr und Schmuckstücken verwendet. Durch Zugabe von Farbstoffen konnten auch farbige Gegenstände hergestellt werden.
Die ersten Kunststoffe wurden im 19. Jahrhundert aus Naturprodukten wie Kautschuk oder Zellulose hergestellt. Heute wird als Hauptrohstoff Erdöl verwendet.
Im Jahre 1870 wurde der erste Kunststoff hergestellt, als Ersatzmaterial zu Elfenbein, welches zum Bau für Billardkugeln verwendet wurde. Die Brüder Hyatt aus New York erfanden im Rahmen eines Wettbewerbes das Material Celluloid. Die neue Erfindung basierend auf den Rohstoffen Kampfer und Cellulose.
Zwischen 1930 und 1940 wurden die heute wohl unwegdenkbaren Stoffe Polyethylen und Polyamid entwickelt.
Ende der 70er Jahre hatte Kunststoff einen Einbruch und wurde verschrien als billig, minderwertig und umweltschädlich. Erst in den 90er Jahren kam die Wende durch die Entwicklung synthetischer Hochleistungswerkstoffe und Abfallrecycling.
Vor allem im Bereich Sport haben synthetische Werkstoffe an enormer Bedeutung gewonnen. Die Ausrüstung der Sportler aus synthetischen Werkstoffen steigerte dessen Leistungsvermögen.
Heute werden Kunststoffe in Form von Halbzeugen, Fasern, Folien und Formteilen weiterverarbeitet. Sie treten auf in Verwendung von Verpackungsmaterialien, Textilfasern, Wärmeisolierung, Rohren, Bodenbelägen, Bestandteilen von Lack, Klebstoffen und Kosmetika, in der Elektrotechnik, als Isolierung, im Fahrzeugbau und vieles mehr.