Kunststoffe in der Chemie: Herstellung, Arten, Verwendung

Kunststoffe sind aus der modernen Gesellschaft nicht mehr wegzudenken. In fast allen Bereichen haben die praktischen Stoffe Einzug gefunden. Bei Kunststoffen handelt es sich um chemische Verbindungen, die aus einzelnen kleineren Verbindungen zusammengesetzt sind. Die einzelnen Bausteine nennt man Monomere. Die aus den einzelnen Monomeren gebildete Verbindung bezeichnet man dann als Polymer.

Historische Entwicklung der Kunststoffwirtschaft

Polymere treten auch in der Natur auf. So sind etwa Wolle, Leder und Kautschuk organische Polymere, die der Mensch bereits seit langer Zeit nutzt.

Für Chemiker ist es jedoch besonders interessant künstliche Polymere durch chemische Reaktionen herzustellen. Bei den meisten Kunststoffen sind Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen beteiligt.
Der erste ökonomisch relevante Durchbruch gelang Charles Goodyear, der das Vulkanisationsverfahren erfunden hat. Bei diesem Prozess wird der milchige Saft des Kautschukbaums mit Schwefel versetzt und dabei entsteht dann Gummi, wie er für Autoreifen verwendet wurde.

Heutzutage beträgt die weltweit produzierte jährliche Menge an Kunststoffen ca. 300 Millionen Tonnen.

Herstellung einfacher Polymere

Um den Prozess der Polymerbildung zu veranschaulichen, ist hier ein einfaches Beispiel einer Polymerisationsreaktion dargestellt. Dabei reagieren mehrere Ethenmoleküle, oftmals auch als Ethylen bezeichnet, zu einem Produkt, welches man als Polyethylen (PE) bezeichnet.

Kunststoff in der Chemie: Polyethylen

Bei dieser Reaktion wird also die Doppelbindung beim Alken aufgebrochen. Die freiwerdenden Elektronenpaare werden dann dazu verwendet, um eine neue Bindung aufzubauen.

Kunststoffarten

Die verschiedenen Kunststoffarten kann man hinsichtlich zweier Kriterien einteilen. Zum einen unterscheidet man Kunststoffe nach ihren Eigenschaften, zum anderen nach ihrer Herstellungsart.

Klassifizierung nach Eigenschaften

Hier kann man zwischen den Thermoplasten, Elastomeren und Duroplasten unterscheiden. Thermoplasten zeichnen sich dadurch aus, dass man sie durch Wärmeeinwirkung umformen kann. Duroplaste hingegen lassen sich durch Wärmeeinwirkung nicht verformen. Wird ein Duroplast zu stark erhitzt, wird er durch einen chemischen Prozess zerstört. Dafür sind Duroplaste besonders hart und widerstandsfähig.

Elastomere zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich elastisch verhalten. Nach der elastischen Belastung gehen sie wieder in ihre Ausgangsform zurück.

Klassifizierung nach Herstellarten

Auch in der Herstellung unterscheiden sich die verschiedenen Kunststoffe. Wie bereits in der Herstellung einfacher Polymere besprochen, kann Polyethylen durch einzelne Ethylenmonomere gebildet werden. Da die einzelnen Monomere am jeweils nächsten „addieren“, spricht man von einer Additionspolymersiation.

Additionspolymersiation

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Kunststoffen ist die Kondensationspolymerisation. Bei dieser werden viele Monomere unter Abgabe eines kleinen Moleküls zu einem Polymer zusammengesetzt. Das abgegebene Molekül kann beispielsweise Wasser (H2O) sein.

In Abbildung 3 ist die Reaktion zur Bildung von Nylon dargestellt. Als Kondensationsprodukt ergibt sich außerdem Salzsäure (HCl).

Reaktion zur Bildung von Nylon

Verwendung

Moderne Kunststoffe haben ein breites Einsatzspektrum und sind aus vielen Gebieten der modernen Industrie nicht mehr wegzudenken. Vor allem die Verpackungsindustrie wurde durch den Einsatz günstiger Kunststoffe revolutioniert. Fast jeder Gegenstand, den wir heutzutage kaufen, wird in Kunststoff verpackt. Auch in der Automobil- und Bauindustrie sind Kunststoffe ein beliebter Einsatzstoff.

Recycling und Umweltprobleme

Durch die ständige Verbesserung der Kunststoffe werden diese extrem widerstandsfähig, was für die Industrie und den Verbraucher selbstverständlich von Vorteil ist. Allerdings hat hohe Beständigkeit auch Nachteile: Auf natürlichem Wege dauert es meist Jahrzehnte, bis der Kunststoff wieder abgebaut wird. Da in vielen Ländern der Plastikmüll in Flüsse und Meere gekippt wird, sind bereits heute die Weltmeere regelrecht verseucht von den künstlichen Polymeren. Auf jeder noch so verlassenen Insel findet man Kunststoffteile. Durch die hohe Belastung der Meere kommt der Kunststoff durch lebende Organismen, die winzige Kunststoffteilchen zu sich nehmen auch in die Nahrungskette des Menschen. Eine gesundheitliche Belastung durch diese Aufnahme an Kunststoffen kann nicht ausgeschlossen werden.

Häufig produzierte Kunststoffe

Nachfolgend sind in Abbildung 4 diejenigen Kunststoffe aufgeführt, die für die Industrie die größte Bedeutung haben und aus diesem Grund auch die größten Jahresproduktionsmengen aufweisen.

Häufig produzierte und wichtige Kunststoffe

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