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Hintergrund: Fritz Klatte, Hermann Staudinger und das PVC

Kunststoffe: Eine kurze Chronik

  • Weiße, gelbe und blaue WC-Sitze in einer Fabrik. PVC und Co. findet man überall; Rechte: dpa
  • Porträtfoto des deutschen Chemikers Hermann Staudinger. Hermann Staudinger 1953; Rechte: AKG

Kunststoffe sind mehr als eine Werkstoffklasse für sich: Autoreifen, Flaschen, Fensterrahmen, Geldkarten, Gummischläuche und und und – die Vielfalt ist riesig. Doch eines haben all diese Materialien gemeinsam: Sie bestehen aus Millionen langen Molekülketten (sogenannten Polymeren), in denen unzählige Bausteine einer Art (Monomere) aneinandergereiht sind.

"Kunststoffe", diesen Namen gab der Münchner Chemiker Ernst Richard Escales dieser Werkstoffgruppe 1910. Ein Jahr später publizierte er die gleichnamige und von ihm gegründete Zeitschrift. 1912 entwickelte Fritz Klatte ein industrielles Verfahren zur Herstellung zu Polyvinylchlorid, kurz PVC.

Die modernen Polymerwissenschaften wurden 1920 begründet. Der deutsche Chemiker Hermann Staudinger veröffentlichte damals den Artikel "Über Polymerisation" in den "Berichten der Deutschen Chemischen Gesellschaft".

Es gibt drei Arten von Kunststoffen: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Man unterscheidet sie daran, wie sehr die Hauptketten miteinander vernetzt sind und wie sich die Stoffe deswegen unter Wärmeeinfluss verhalten. Thermoplaste bestehen aus fadenförmigen, unvernetzten Makromolekülen, weswegen diese Plaste aufschmelzbar sind. Elastomere haben eine weitmaschig vernetzte Struktur. Duroplaste besitzen eine engmaschige Struktur. Aus diesem Grund können sie nicht aufgeschmolzen und somit auch nicht wieder plastisch geformt werden.

Thermoplaste: Kunststoffe für wechselnde Formen

  • Zeichnung: In Thermoplasten sind die Kohlenstoffketten fadenförmige Makromoleküle, die nicht miteinander vernetzt sind. Struktur der Thermoplaste; Rechte: WDR
  • Bunt leuchtend erscheint Polyethylen mit niederem Molekulargewicht unter dem Mikroskop. Polyethylen unter dem Mikroskop; Rechte: mauritius

Thermoplaste sind Kunststoffe aus langen Kohlenstoffketten. Diese Makromoleküle sind fadenförmig und nicht miteinander vernetzt. Deswegen können sie in einem bestimmten Temperaturbereich ihren Platz in der Struktur ändern. Werden Thermoplaste erwärmt, kann man sie plastisch verformen, schmelzen, schweißen und so in die gewünschte Form bringen. Nach dem Abkühlen behalten die Stoffe ihre Form, bis man sie wieder erhitzt und somit neu formen kann. Der Form-Vorgang ist also umkehrbar, das heißt reversibel. Das ist prinzipiell unendlich oft möglich. Allerdings zersetzt sich der Kunststoff, wenn er zu stark erhitzt wird.

Ursprünglich wurden Thermoplaste im Spritzgießverfahren hergestellt. Dabei wird die pulver- oder granulatförmige Masse geschmolzen und mit hohem Druck in eine Hohlform gespritzt und darin abgekühlt. Heute kommen weitere Verfahren zum Einsatz, zum Beispiel die Extrusion, bei der noch flüssiger Kunststoff zu Röhren und Schläuchen geformt wird.

Thermoplaste machen die meisten der heute verwendeten Kunststoffe aus. Der erste bekannte Thermoplast ist Zelluloid, aus dem die ersten Filmstreifen hergestellt wurden. Besonders vielfältig einsetzbar ist Polyvinylchlorid, kurz PVC. Die harte Variante ist sehr steif, hart und beständig gegen viele Chemikalien und deswegen vor allem für Abflussrohre und Fensterprofile geeignet. Die weiche Variante ist elastisch wie Gummi und wird daher vor allem für Bodenbeschläge, Schläuche und Tapeten, aber auch für Kunstleder verwendet. Ein weiterer weit verbreiteter Thermoplast ist Polyethylen. Seine Abkürzung PE findet sich etwa auf Plastikflaschen und -tüten sowie auf Verpackungsfolien für CDs, Bücher und Taschentücher.

Duroplaste: Kunststoffe mit Dauer-Haltegarantie

  • Zeichnung: In Duroplasten sind die Kohlenstoffketten dreidimensional und engmaschig miteinander vernetzt. Struktur der Duroplaste; Rechte: WDR
  • Ein altes Telefon mit Wählscheibe aus schwarzem Bakelit. Bakelit-Telefon; Rechte: mauritius

Duroplaste steht für "Dauer-Kunststoffe" oder "harte Kunststoffe" – denn "durus" bedeutet im Lateinischen "hart". Duroplaste sind nach dem Aushärten nicht mehr verformbar. Beim Aushärten vernetzen sich nämlich die langen Molekülketten sehr stark miteinander. So entsteht eine engmaschige, dreidimensionale und somit stabile Struktur. Erhitzt man solch einen Stoff erneut, wird er nicht mehr weich, schmilzt nicht und kann somit nicht plastisch verformt werden. Im Gegenteil: Wärme oder gar Hitze zersetzen diesen Kunststoff. Ausgehärtete Duroplaste sind meist hart und spröde. Deswegen lassen sie sich nur noch mechanisch bearbeiten, also mit Feile, Raspel oder Säge.

Duroplaste wurden ursprünglich nur in Pressformen hergestellt werden, daher kommt der alte Name "Pressmassen". Seit Mitte des 20. Jahrhunderts werden Duroplaste auch im Spritzgießverfahren geformt. Mittlerweile werden sie auch mit vielen anderen Verfahren bearbeitet.

Diese Kunststoffgruppe wird häufig für Elektroinstallationen verwendet, da Duroplaste auch bei Wärme gegen mechanische Einwirkung und viele Chemikalien beständig sind. Polyurethan-Harze werden beispielsweise für Lacke und Oberflächenbeschichtungen verwendet. Der erste synthetische Duroplast, der in großen Mengen industriell hergestellt wurde, ist Bakelit. Dieser schwarze Kunststoff wurde in Form eines Telefons und des "Volksempfängers" berühmt. Ein weiterer weit verbreiteter Duroplast ist Polyester in Form von Kunstfasern für Kleidung.

Elastomere: Kunststoffe mit Flexibilität

  • Zeichnung: In Elastomeren sind die Kohlenstoffketten dreidimensional und weitmaschig miteinander vernetzt. Struktur der Elastomere; Rechte: WDR
  • Reifenherstellung in einer Fabrik: Arbeiter begutachtet einen Reifen in einer Presse. Autoreifen bestehen aus Elastomeren; Rechte: dpa

Elastomere sind Kunststoffe, in denen die langen Kohlenstoffketten drehbar und weitmaschig miteinander vernetzt sind. Deswegen verformen sich diese Materialien bei Zug und Druck, kehren jedoch in ihre ursprüngliche Form zurück, sobald man sie loslässt. Daher sagt man: Elastomere sind formfest, aber elastisch verformbar. Weil die Makromoleküle in diesen Kunststoffen so flexibel sind, werden diese Materialien beim Erwärmen nicht weich. Elastomere lassen sich nicht schmelzen und sind deswegen auch nicht plastisch verformbar. Bei sehr niedrigen Temperaturen werden die meisten Elastomere jedoch starr.

Elastomere werden durch Vulkanisation von natürlichem oder synthetischen Kautschuk hergestellt. Bei diesem Verfahren bilden sich Vernetzungsbücken zwischen den Kautschuk-Molekülen, so dass diese sich nicht mehr frei bewegen können. Zum Vernetzen helfen Schwefel, Peroxide, Metalloxide oder energiereiche Strahlen wie Gamma-Strahlen. Das Verfahren wurde 1839 von C. N. Goodyear entwickelt und sorgte schon kurz darauf dafür, dass sich Kautschuk-Artikel schnell verbreiteten.

Das Einsatzgebiet von Elastomeren ist sehr vielfältig. Weil die meisten Lösungsmittel diesem Kunststoff nichts anhaben, werden Elastomere für Hygieneartikel oder Labor-Handschuhe verwendet. Mit Hilfe der Vulkanisation lässt sich die Gummimischung von Autoreifen ganz nach Belieben variieren. Auch Dichtungsringe, Gummibänder und Flummis werden aus Elastomeren hergestellt.

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