HDPE, LDPE, PP, PVC … und was sich dahinter verbirgt – eine Materialkunde

Sie sind aus unserer Gesellschaft kaum mehr wegzudenken: Kunststoffe. Weltweit werden derzeit ca. 300 Mio. Tonnen Kunststoffe pro Jahr verbraucht. Sicherlich gibt es auch eine dunkle Seite, bedenkt man den Umweltschutz und die Probleme, welche teilweise die Entsorgung und das Recycling aufweisen, nichtsdestotrotz ist Kunststoff ein wichtiger Werkstoff, welcher immer noch stark an Bedeutung gewinnt. In der Praxis Begegnen einen viele verschiedene Abkürzungen, welche leicht verwirrend sein können. Grund genug Mal einen Blick ins Labor zu werfen: Unser kleines Kunststoff-ABC für Sie!

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie man Kunststoffe einteilen kann. Im Chemiebuch beispielsweise wird vorrangig die Einteilung nach den Entstehungsreaktionen vorgenommen (also in Polymerisate, Polykondensate und Polyaddukte). Sehr häufig wird darüber hinaus die Einteilung nach dem mechanisch-thermischen Verhalten, also den Eigenschaften, verwendet. Da dies in unserer Branche von höherem Stellenwert ist, werden wir uns an dieser Einteilung orientieren. Die Zuordnung erfolgt in drei grosse Gruppen: die Thermoplaste, die Duroplaste und die Elastomere.

Wir werden uns im Folgenden die drei Gruppen mit ihren Hauptunterschieden anschauen und dann auf einige wichtige Vertreter der Gruppen eingehen. Dabei wagen wir einen kleinen Blick in das Chemie-Labor, wollen uns aber hauptsächlich auf die Eigenschaften und die Verwendung konzentrieren.

Thermoplaste

Der grösste Unterschied von Thermoplasten zu den anderen 2 Gruppen liegt in der Formbarkeit des Materials. Je mehr Energie (z. B. Wärme) man zufügt, desto leichter kann man die Thermoplaste verformen. Begründet ist diese Eigenschaft in der Anordnung der Moleküle. Die Molekülketten sind hauptsächlich linear angeordnet und haben so gut wie keine Quervernetzungen. Diese Ketten können sich leichter gegeneinander verschieben und sind somit leichter verformbar und schmelzen bei genug Wärme, wie beispielsweise eine Plastikschüssel auf der Herdplatte.

 

Wichtigste Vertreter sind:

PE = Polyethylen (auch Polyethen) ist der am häufigsten hergestellte Kunststoff und der bei weitem wichtigste Thermoplast zur Herstellung von Folie. Polyethylen entsteht durch Polymerisation von Ethen, vereinfacht dargestellt:

Es wird unterschieden in PE-LD = Polyethylen mit geringer Dichte (Low Density) und PE-HD = Polyethylen mit hoher Dichte (High Density). Die Dichte (Kristallinität) bestimmt Fliessverhalten, Verarbeitungseigenschaften und Qualität der späteren Folie. PE-HD ist daher immer stabiler, reissfester, kratz- und verschleissfester als PE-LD. Generell ist es ein sehr weicher Thermoplast, allerdings sehr stabil gegenüber Chemikalien. Viele Säuren werden beispielsweise in Behältern aus PE verkauft. Die Dichte beträgt zwischen 0,90 und 0,95 g/cm³, es schwimmt also in Wasser. Aufgrund ihrer physiologischen Unbedenklichkeit werden sie sehr stark im Lebensmittelbereich eingesetzt.

Beispiele für PE-HD: Kanister, Flaschenkästen, Tragetaschen, (sehr dünne) Folien, Lebensmittelverpackungen, Transportbehälter, Bauteile, Möbelteile, Haushaltsgeräte, Spielzeug.

Beispiele für PE-LD: Verpackungs- und Baufolien, Eimer, Rohre, Flaschen, Dosen.

 

 

PP = Polypropylen (auch Polypropen) hat grosse Ähnlichkeiten mit dem PE-LD, es zeichnet sich durch hohe Stabilität aus und ist beständig gegen viele Chemikalien. Es ist ebenfalls physiologisch unbedenklich und im Recyclingprozess unschädlich für die Umwelt. Polypropylen ist allerdings härter und wärmebeständiger als PE-LD. Unter 0 °C wird PP allerdings spröde. Die Dichte beträgt ca. 0,9 g/cm³. Polypropylen entsteht Polymerisation von Propen, vereinfacht dargestellt:

 

 

Beispielhafte Einsatzbereiche: Hauptverwendungsbereich ist als Trägermaterial für Klebebänder. Weiterhin: Verpackung von Lebensmitteln, Gemüse, Gebäck, Einwegbecher, Batteriekästen, Bauteile im Auto, Schuhabsätze, Verpackungsfolien aller Art, aber auch Kaffeemaschinen, Wasserkocher, Teppiche und Kunstrasen.

 

 

PS = Polystyrol ist ein preiswerter Massenkunststoff, der granuliert wird und der in vielen Bereichen Verwendung findet. Reines PS ist hart, farblos, spröde und hat einen hohen Oberflächenglanz. Es ist beständig gegenüber Säuren, Laugen und Alkohol, allerdings nicht gegenüber unpolaren Lösungsmitteln (z.B. Nagellackentferner). Die Dichte ist grösser als 1 g/cm³, es schwimmt also nicht in Wasser. Polystyrol entsteht durch Polymerisation von Styrol, vereinfacht dargestellt:

Einsatzbereiche: Lebensmittelverpackungen, Becher, Gehäuse, CD-Hüllen, Dosen, Spielzeug.

 

EPS = Expandiertes Polystyrol, ist besser bekannt unter dem geschützten Markennamen Styropor^® (BASF). Hier wird Treibmittel in die Polystyrol-Perlen eingearbeitet, welches durch Wärme aufschäumt.

Einsatzbereiche: Verpackungschips, Einsätze für Konstruktivverpackungen, Wärmedämmung.

 

PVC = Polyvinylchlorid ist neben PE, PS und PP der bekannteste Kunststoff, vor allem auch im Verpackungsbereich, wo die ersten Klebebänder aus PVC waren. Polyvinylchlorid entsteht durch Polymerisation von Chlorethen (auch Vinylchlorid). Wobei Vinylchlorid ein hoch giftiger und krebserregender Stoff ist. Reste müssen aus dem PVC mit viel Aufwand ausgewaschen werden. Reines PVC ist weisses, hartes Pulver. Zur Herstellung der stabilen PVC-Produkte werden Weichmacher eingesetzt. Diese Stoffe schieben sich zwischen die Molekülketten des PVCs und halten diese zusammen. Je mehr Weichmacher, desto flexibler ist das spätere Produkt. Deswegen hat PVC viele unterschiedliche Einsatzzwecke, je nach Elastizität:

Verpackungsfolien, Klebebändern, Abfluss- und Kanalrohre, Bauprofile und chemische Apparatebau, aber auch Bodenbeläge, Profile, Schläuche, Folien, Schaumstoffe und Klebebänder im Verpackungsbereich. Nicht zu vergessen die Schallplatte, deswegen auch der Name „Vinyl-Schallplatte).

Die Stabilität und Elastizität mit dem Zusatz von Weichmachern bedeutet aber auch eine geringere Beständigkeit gegenüber vielen Chemikalien, da diese die Weichmacher aus dem PVC herauswaschen können.

 

 

PA = Polyamid, Polyamide sind Makromoleküle, welche im Übrigen auch in natürlicher Form vorkommen: Peptide und Proteine, wie Haare, Wolle, Eiweiss. Polyamidfasern sind leicht färbbar, elastisch, fäulnis-, laugen- und reissfest. Im Gegensatz zu den natürlichen Fasern, sind die synthetisch hergestellten Fasern ausserdem mottensicher und knitterfrei. Sie eignen sich deshalb besonders zur Herstellung von Kleidung. Den Siegeszug trat Polyamid mit den Nylonstrümpfen an, welche ca. 1940 in den USA auf den Markt kamen. Perlon unterscheidet sich im Übrigen kaum von Nylon 6,6. Es ist ein Konkurrenzprodukt, welches nach dem 2. Weltkrieg von deutschen Firmen patentiert wurde. Die Anwendung geht aber weit über den Textilbereich hinaus:

Automobilindustrie, Elektrotechnik, chirurgische Instrumente, sowie Bekleidungsindustrie
Im Verpackungs- und Lebensmittelbereich als Barriere und zur Verbesserung der Durchstossfestigkeit, sowie bei Klarsichtfolien aller Art.

 

PES = Polyester, diese Bezeichnung tragen alle Stoffe, die Esterverbindungen enthalten. Ihre Unterschiedlichen Eigenschaften und damit die Verwendung hängen von den Monomeren ab, die zur Herstellung verwendet werden. Demnach ist auch der Anwendungsbereich sehr gross. Polyester entstehen durch Polykondensation, entweder aus Hydroxycarbonsäuren oder aus Dicarbonsäuren und Dialkoholen.

Einsatzbereiche: Fasern für Textilien, Folien, Saiten der Tennisschläger, Lebensmittelverpackungen, CDs. Der wohl bedeutendste Polyester ist PET (Polyethylenterephthalat), woraus die wohl allen bekannte PET-Flasche hergestellt ist.

Einige Polyester können, je nach dem welche Materialien zur Herstellung verwendet werden, auch zu den Duroplasten gezählt werden, wie beispielsweise das Polyesterharz (UP).

 

 

Duroplaste

Duroplaste (auch Duromere) sind Polymere, welche durch eine Schmelze oder Lösung der Komponenten entstehen. Dies ist eine irreversible Vernetzungsreaktion. Das heisst, die Molekülketten sind stark vernetzt untereinander und die Reaktion ist nicht Rückgängig zu machen. Daraus ergeben sich die typischen Eigenschaft: versucht man Duroplast zu erwärmen, schmelzen diese nicht wie die Thermoplaste, sondern sie zersetzen sich. Bei der Ausübung von Zug dehnen Sie sich nicht, sondern sie zerspringen. Nach der Aushärtung können Duroplaste lediglich mechanisch verändert werden, also mittels Feilen oder Sägen. Wegen dieser mechanischen und auch chemischen Beständigkeit finden sich Duroplaste oft bei Elektroinstallationen. Ein sehr bekanntes Beispiel ist auch der Trabant, dessen Karosserieaussenhaut aus einem Duroplast hergestellt wurde.

 

Wichtige Vertreter sind:

UF = Aminoplaste, Sammelbegriff für Kunststoffe aus der Gruppe der Duroplaste. Beispielhafte Einsatzbereiche: Steckdosen, Lichtschalter, Becher, aber auch Klebstoff und Isoliermaterial.

MF = Melamin-Formaldehyd-Harz (Phenoplaste) begegnen wir im Bereich der Verpackungen weniger. Beispielhafte Einsatzbereiche: Hartpapier und -gewebe, Kochlöffel, Oberflächen von Küchenmöbeln, elektr. Isoliermaterial. Formaldehydharz entsteht durch die Polykondensation von Formaldehyd mit z.B. Harnstoff oder Phenol. Das wohl bekannteste Produkt dieser Reaktion wird Phenoplast oder Bakelit genannt. Ein Ergebnis der Weiterverarbeitung von Phenoplast-Harz sind die Spanplatten. Hier wird das Harz mit Holzspänen gemischt und gepresst. Das Ergebnis kann man in vielen Wohnungen und Bürogebäuden sehen: Möbelstücke.

PUR = Polyurethan (siehe unten)

Elastomere

Das Hauptmerkmal von Elastomeren ist, wie der Name vermuten lässt, die besondere Elastizität. Elastomere lassen sich kurzzeitig auf mindestens das Doppelte ihrer Länge dehnen und sie kehren danach wieder in den Ausgangszustand zurück. Elastomere sind weitmaschig vernetzte Molekülverbindungen, sie werden beim Erwärmen nicht weich, schmelzen nicht und sind in den meisten Lösungsmitteln nicht löslich. Hauptverwendung von Elastomeren sind Reifen. Alle Arten von Kautschuk zählen zu dieser Gruppe.

 

Wichtigster Vertreter ist:

 

PUR = Polyurethan gibt es in steifer und flexibler Form. Sein Anwendungsgebiet ist entsprechend vielseitig. Hergestellt werden diese durch Polyaddition aus Dialkoholen und Diisocyanaten, oft auch Polyether. Verwendet man hierbei höherwertige Alkohole, entstehen stabile Kunststoffe mit vielen quervernetzen Molekülketten, also Duroplaste.

Beispielhafte Einsatzbereiche für flexibles PUR: Kissen, Matratzen, Schaumstoffe und Polstermaterialien (auch für den Verpackungsbereich).

Beispielhafte Einsatzbereiche für steifes PUR: Automobil- und Bauindustrie.

In aufgeschäumter Form ist Polyurethan als dauerelastischer Weichschaum (z. B. für Sportschuhsohlen) oder als harter Montageschaum bekannt.

 

 

Weiterführende Informationen:

• Webseite der FU Berlin
• Wikipedia zum Thema Kunststoff