Die Vielfalt der Kunststoffe
Kunststoffe sind synthetische Riesenmoleküle (Makromoleküle), die heute v. a. aus Erdöl und Erdgas, selten aus Kohle, hergestellt werden. Die unterschiedlichen Ausgangsstoffe, Verknüpfungsmöglichkeiten und Zusätze ermöglichen eine große Vielfalt an Materialien und Einsatzbereichen.
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Was ist aus Kunststoff?
Schau dich um und überlege, aus welchen Materialien die Dinge sind, die dich umgeben!
- In welcher Form begegnen dir Kunststoffe im Alltag?
- Welche Dinge würde es ohne Kunststoff nicht geben?
Welche Gegenstände sind (auch) aus Kunststoff? Untersuche die Materialien und schau genau hin, denn Kunststoffe verstecken sich auch z. B. in Beschichtungen und Klebern! Manche Kunststoffe sind nicht so einfach zu erkennen. Wie kannst du überprüfen, welches Material vorliegt?
Gegenstand | Aus/mit Kunststoff? | Beschreibung der Materialien | |
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Chemie-Mappe | Ja | Die Ringe sind aus Metall. Der Karton der Mappe ist mit einem bunten Kunststoff beschichtet. | |
Computer-Maus | Ja | Das Gehäuse der Computer-Maus ist aus Kunststoff. | |
Geschichte der Kunststoffe
Die Anfänge der Kunststoffe liegen im
Der deutsche Chemiker Hermann Staudinger lieferte die naturwissenschaftlichen Grundlagen für die chemische Industrie, die sich mit diesem Wissen rasch entwickelte und vielfältige Materialien herstellen konnte. Beispielsweise erkannte Staudinger, dass die organischen Werkstoffe aus großen Molekülen, sogenannten Makromolekülen, bestehen. Substanzen, die aus Makromolekülen aufgebaut sind, nennt man Polymere. Kunststoffe sind synthetische Polymere.
Im Laufe des 20. Jahrhunderts wurden Kunststoffe (wie Polyethen und Polypropen) entwickelt. Die dazu notwendigen Ausgangsstoffe werden, damals wie heute, aus Erdöl und Erdgas gewonnen. Seit den 1960er-Jahren ist Erdöl der wichtigste Rohstoff für die Kunststoffindustrie. Seit den 1980er-Jahren forscht man an der Entwicklung von bio-basiertem Kunststoff (technische Biopolymere). Ziel ist es, Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen. Beispiele für heute eingesetzte bio-basierte Kunststoffe sind Thermoplastische Stärke (TPS), Celluloseacetat und Polymilchsäure (PLA).
Öffnet den Zeitstrahl und reist fast 200 Jahre zurück! Besprecht anschließend folgende Fragen:
- Welche Kunststoffe habt ihr bereits gekannt?
- Welche Informationen haben euch am meisten überrascht?
Zeitstrahl: Geschichte der Kunststoffe
Klicke dich durch den Zeitstrahl, um mehr über die Geschichte der Kunststoffe zu lernen!Eigenschaften
Heute begegnen uns Kunststoffe überall. Ein Grund dafür ist, dass die technischen Eigenschaften je nach Bedarf erzeugt werden können. Gegenstände aus Kunststoff werden in verschiedenen Formen hergestellt. Kunststoffe sind leicht und gute Isolatoren. Einige sind weich, andere hart. Manche Kunststoffe sind elastisch. Manche sind temperaturbeständig oder chemisch beständig. Kunststoffe können ganz spezielle Eigenschaften haben. Beispiele dafür sind wasserlösliche Folien oder Superabsorber.
Überlegt euch Alltagsgegenstände aus Kunststoff, bei denen folgende Eigenschaften eine wichtige Rolle spielen! Vergleicht eure Ergebnisse in der Klasse!
- leichter als alternative Materialien
- wärmeisolierend, elektrisch isolierend
- temperaturbeständig
- weich
- hart
- elastisch
- chemisch beständig
- wasserlöslich
- Superabsorber
Die vielfältigen Eigenschaften der Kunststoffe ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen Bausteine der Polymere, unterschiedlicher Produktionstechniken und dem Einsatz von Zusatzstoffen. Beispiele dafür sind:
- Farbmittel
Die meisten Polymere sind farblos und werden erst durch z. B. Farbstoffe gefärbt. - Stabilisatoren
Sie schützen vor schädlichen Einflüssen (z. B. UV-Licht) und verlängern so die Haltbarkeit. - Weichmacher
Sie machen den Kunststoff bei der Herstellung besser formbar und verarbeitbar. - Füllstoffe
Sie haben unterschiedliche Aufgaben: Sie strecken das Material (für eine günstigere Produktion), verbessern die Zugfestigkeit oder verringern die Entflammbarkeit.
Einteilung
Kunststoffe werden nach ihrem mechanisch-thermischen Verhalten unterschieden.
Plastomere | Duromere | Elastomere |
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Diese Kunststoffe sind schmelzbar. Sie bestehen aus linearen Makromolekülen, die nicht miteinander vernetzt sind. Bei
Energiezufuhr gleiten sie aneinander vorbei. Daher werden sie bei Wärmezufuhr weich und formbar (plastisch). Bei höheren
Temperaturen schmelzen sie. Beispiele: Polyethen (PE), Polypropen (PP), Polystyren (PS) |
Diese Kunststoffe sind harte
Kunststoffe, die beim Erhitzen nicht schmelzen, sondern sich bei hoher Energiezufuhr zersetzen. Sie bestehen aus
Makromolekülen, die stark miteinander vernetzt sind. Beispiel: Epoxidharze |
Diese Kunststoffe sind elastisch verformbar, Beispiel: Kautschuk |
Beispiele | ||
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Herstellung
Bei der Herstellung von Kunststoffen werden kleine reaktionsfähige Moleküle (Monomere) zu Makromolekülen (Polymeren) zusammengesetzt. Dafür werden beispielsweise die Polymerisation und die Polykondensation eingesetzt.
Polymerisation
Als Ausgangsstoffe werden Moleküle mit einer Doppelbindung (oftmals Alkene, z. B. Ethen) verwendet. Die Monomere verbinden sich schrittweise zu langen Ketten. Um die Reaktion in Gang zu setzen, ist ein Startermolekül (Initiator) notwendig. Auf diesem Weg werden Kunststoffe wie Polyethen (PE), Polypropen (PP), Polystyren (PS) und Polyvinylchlorid (PVC) hergestellt.
Polykondensation
Bei dieser Methode verbinden sich Monomere zu Polymeren, indem kleine Moleküle
Arten von Kunststoffen
Durch die unterschiedlichen Bausteine und Herstellungsverfahren kann eine Vielzahl an Kunststoffen produziert werden. Welcher Kunststoff vorliegt, erkennt man auch am Recycling-Code.
Mit folgenden Experimenten kannst du Kunststoffproben untersuchen.
Verarbeitung
Kunststoffe liegen nach der Herstellung als Granulate, Pulver, Folien oder Platten vor. Um die gewünschte Form daraus herzustellen, werden unterschiedliche Verfahren angewendet. Plastomere werden geschmolzen und durch Aufblasen, Spritzen, Pressen oder Walzen in die gewünschte Form gebracht. Duromere härten in einer Form aus.
Extrudieren
Mit diesem Verfahren werden Produkte wie Rohre und Schläuche hergestellt.
Im beheizten Zylinder wird die Masse geschmolzen und durch die Schraube homogenisiert. Unter Druck wird sie durch eine formgebende Öffnung gepresst. Beim Austritt aus der Öffnung kühlt die Masse ab und härtet damit aus.
Stelle Kunststoffprodukte mit dem Extruder her!
Extruder
Stelle Kunststoffprodukte mit dem Extruder her!Herstellen von Hohlkörpern
Gefäße wie Shampooflaschen und Kanister werden durch Extrusionsblasformen hergestellt. Über einen Extruder wird die geschmolzene Kunststoffmasse durch eine Düse gepresst. Aufgrund des Drucks passt sich die Masse an die Form an.
PET-Flaschen müssen druckbelastbar sein
Durch das Rotationsformen werden Hohlkörper wie Transportbehältnisse und Spielzeuge hergestellt.
Schäumverfahren
Ein Beispiel für Kunststoffschäume ist Expandiertes Polystyren (EPS). Das Kunststoffgranulat ist mit einem Treibmittel
Umgang mit Kunststoffen
Kunststoffe bieten neben der kostengünstigen Produktion weitere Vorteile.
Beispielsweise sind Materialien aus Kunststoff leicht und bruchsicher.
Manche Verpackungen von Lebensmitteln verlängern die Haltbarkeit des Produkts, sodass weniger Lebensmittel weggeworfen werden. In der Medizin werden Kusntstoffe vielfältig
Der Kunststoffverbrauch steigt jedes Jahr weiter an.
Da viele Materialien aus Kunststoff zum einmaligen Gebrauch
Werden Kunststoffe nicht sachgemäß entsorgt, stellen sie eine große Belastung für die Umwelt dar, da die meisten nicht biologisch abbaubar sind.
Neben dem für uns sichtbaren Müll aus Kunststoffen gibt es auch Mikroplastik (Kunststoffpartikel, die kleiner als 5 mm sind).
Es wird Produkten bewusst beigefügt
Kunststoffe werden nur für den jeweiligen Gebrauch getestet.
Bei unsachgemäßer Verwendung kann es dazu kommen, dass sich Substanzen aus dem Material
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Vermeiden, wo es möglich ist!
Brauche ich das Produkt wirklich? Produkte mit viel Verpackungsmaterial(z. B. vorportionierte Produkte) meiden und Materialien(z. B. Kleidung) lange nutzen. -
Unverpackte Lebensmittel kaufen, wo es sinnvoll ist!
So vermeidet man Verpackungsmüll und kauft nur die Menge, die man wirklich braucht. -
Mehrweg statt Einweg!
Alltagsprodukte wie wiederverwendbare Trinkflaschen, Jausenboxen und Einkaufstaschen reduzieren Kunststoffmüll. Beim Einkauf Produkte in Mehrwegverpackungen(z. B. Glasflaschen) bevorzugen. -
Langlebige Materialien bevorzugen!
Materialien wie Glas oder Edelstahl können lange genutzt werden. -
Sachgemäße Verwendung von Kunststoffprodukten!
Beispielsweise sollten für Lebensmittel nur Behältnisse verwendet werden, die als lebensmittelecht () gekennzeichnet sind.
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Hitze in Kunststoffbehältnissen vermeiden!
Lebensmittel nicht heiß in Behälter einfüllen und nicht in Kunststoffgefäßen in der Mikrowelle erhitzen. -
Selbst machen, statt Fertigprodukte kaufen!
Fertigprodukte und „To go“-Produkte benötigen Einwegverpackungen. -
Richtig entsorgen!
So schützt man die Umwelt und ermöglicht, dass Materialien recycelt werden können.