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?

Eine Sammlung unterschiedlicher Gegenstände, die aus Kunststoff sind.
Viele Gegenstände sind aus Kunststoff.
Duschkopf
Dieser Duschkopf ist aus Kunststoff (daher ist er sehr leicht) und nur mit einer dünnen Metallschicht überzogen.

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
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 18. Jahrhundert in der Untersuchung und Veränderung von Naturstoffen wie Naturkautschuk und Zellulose. Man spricht daher von halbsynthetischen Kunststoffen. Der erste vollsynthetisch hergestellte Kunststoff war Bakelit (1905).

Kautschukbaum und Latex
Naturkautschuk kommt im Milchsaft von Kautschukpflanzen wie dem Kautschukbaum (Südamerika) vor.
Kautschukbaum und Latex
Bakelit war der erste vollsynthetisch hergestellte Kunststoff. Er wurde z. B. für Gehäuse von Telefonen, Radios und Haartrocknern verwendet.

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.

Hermann Staudinger
Für seine Arbeiten zur makromolekularen Chemie erhielt Hermann Staudinger (1881-1965) 1953 den Nobelpreis für Chemie.
Polymere
Polymere (wie unser Erbgut, die DNS) werden in Organismen hergestellt …
Synthetische Kunststoffe
... oder synthetisch produziert (Kunststoffe).

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).

Erdöl
Erdöl ist ein wichtiger Rohstoff für die Produktion von Kunststoffen.
Thermoplastische Stärke
Thermoplastische Stärke wird als Verpackungsmaterial eingesetzt.
Teebeutel
Polymilchsäure hat unterschiedliche Einsatzbereiche.

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?

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Zeitstrahl: Geschichte der Kunststoffe

Klicke dich durch den Zeitstrahl, um mehr über die Geschichte der Kunststoffe zu lernen!
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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

Info für Lehrer*innen

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.
Bunte Schwimmreifen
Farbstoffe machen Kunststoffe bunt.
Autoreifen
Ruß in Reifen färbt sie und schützt das Material vor UV-Licht, da Ruß dieses absorbiert.

Einteilung

Kunststoffe werden nach ihrem mechanisch-thermischen Verhalten unterschieden.

Plastomere Duromere Elastomere
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, d. h. bei Druck- oder Zugbelastung verändern sie ihre Gestalt und kehren danach in ihre ursprüngliche Form zurück. Ihre Makromoleküle sind weitmaschig miteinander vernetzt.
Beispiel: Kautschuk
Beispiele
        Joghurtbecher Shampoo-Flasche DVD Vorratsbehälter Tretboot Pfannengriffe Autoscheinwerfer Steckdose Küchenschwamm Matratze Gummistiefel Autoreifen

        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.

        Bei der Polymerisation werden stufenweise lange Ketten gebildet.
        Bei der Polymerisation werden stufenweise lange Ketten gebildet.
        Aus Ethen-Molekülen entsteht Polyethen (PE).
        Info für Lehrer*innen

        Polykondensation

        Bei dieser Methode verbinden sich Monomere zu Polymeren, indem kleine Moleküle (z. B. H2O, HCl) abgespalten werden. Auf diesem Weg werden Kunststoffe wie Polyamide (z. B. Nylon) und Polyester (z. B. PET für Getränkeflaschen, Polyesterstoffe für Kleidung) hergestellt.

        Schematische Darstellung der Polykondensation.
        Nylongarn
        Nylon ist ein Polyamid.

        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.

        gängige Arten von Kunststoffen nach der Häufigkeit der Verwendung
        gängige Arten von Kunststoffen nach der Häufigkeit der Verwendung

        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.

        Kunststoffgranulat
        Kunststoffgranulat
        Poolbillard-Kugeln
        Poolbillard-Kugeln werden aus einem Duroplast (Phenoplast) durch Aushärten hergestellt.

        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!

        Bravo, geschafft!

        Popup: Extruder

        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.

        Extrusionsblasformen
        Extrusionsblasformen
        Quetschnaht am Boden einer Shampooflasche
        Mit diesem Verfahren hergestellte Behälter haben eine Quetschnaht.

        PET-Flaschen müssen druckbelastbar sein (z. B. aufgrund kohlensäurehaltiger Getränke). Sie werden durch Spritzstreckblasen hergestellt. Beim Spritzgießen werden aus geschmolzener Kunststoffmasse Rohlinge hergestellt. Diese werden beim Streckblasverfahren erwärmt und in die gewünschte Form geblasen.

        Quetschnaht am Boden einer Shampooflasche
        Eine PET-Flasche wird aus einem Rohling hergestellt.
        Spritzgießen
        Der Rohling wird in Form gegossen (Spritzgießen). Die PET-Flasche entsteht durch das Streckblasverfahren.
        Info für Lehrer*innen

        Durch das Rotationsformen werden Hohlkörper wie Transportbehältnisse und Spielzeuge hergestellt.

        Sinterschema
        Geschmolzener Kunststoff setzt sich beim Abkühlen auf der inneren Wand der rotierenden Form ab.
        Flamingo-Figur
        Diese Figur wurde durch Rotationsformen hergestellt.

        Schäumverfahren

        Ein Beispiel für Kunststoffschäume ist Expandiertes Polystyren (EPS). Das Kunststoffgranulat ist mit einem Treibmittel (z. B. Pentan) versetzt. Das Granulat wird in eine Form gefüllt und geschmolzen. Dabei bläht das Treibmittel den weichen Kunststoff auf.

        Styropor
        Expandiertes Polystyren (EPS)
        Styroporverpackung
        als Verpackungsmaterial verwendetes EPS
        Info für Lehrer*innen

        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 (z. B. als Implantate) eingesetzt.

        Durch spezielle Verpackungen <sb-unit>(z. B.</sb-unit> mit Schutzgas) wird die Haltbarkeit eines Lebensmittels verlängert.
        Durch spezielle Verpackungen (z. B. mit Schutzgas) wird die Haltbarkeit eines Lebensmittels verlängert.
        Hinterkammerlinse
        In der Augenheilkunde werden Linsenimplantate aus Kunststoff eingesetzt.

        Der Kunststoffverbrauch steigt jedes Jahr weiter an. Da viele Materialien aus Kunststoff zum einmaligen Gebrauch (z. B. Verpackungen) hergestellt werden und manche Produkte nicht langlebig sind, produzieren wir jedes Jahr viel Kunststoffmüll.

        Seit dem Jahr 2000 hat sich die weltweite Produktion von Kunststoffen verdoppelt.
        Seit dem Jahr 2000 hat sich die weltweite Produktion von Kunststoffen verdoppelt.

        Werden Kunststoffe nicht sachgemäß entsorgt, stellen sie eine große Belastung für die Umwelt dar, da die meisten nicht biologisch abbaubar sind.

        Plastikmüll am Strand
        Kunststoffe können, unsachgemäß entsorgt, zu einem Problem für die Umwelt …
        Schildkröte in Fischernetz
        … und zu einer Gefahr für Lebewesen werden.

        Neben dem für uns sichtbaren Müll aus Kunststoffen gibt es auch Mikroplastik (Kunststoffpartikel, die kleiner als 5 mm sind). Es wird Produkten bewusst beigefügt (z. B. Zahnpasta und Kosmetikprodukten) und entsteht auch durch Abrieb und Zerfall von Kunststoffprodukten. Das Ziel politischer Maßnahmen ist, den Eintrag von Mikroplastik in die Umwelt zu reduzieren, da wir die möglichen negativen Auswirkungen nicht abschätzen können.

        Mikroplastik aus Polyethen in Zahnpasta.
        Mikroplastik aus Polyethen in Zahnpasta
        Mikroplastik und weitere Müllpartikel aus Flüssen.
        Mikroplastik und weitere Müllpartikel aus Flüssen

        Kunststoffe werden nur für den jeweiligen Gebrauch getestet. Bei unsachgemäßer Verwendung kann es dazu kommen, dass sich Substanzen aus dem Material (z. B. Weichmacher) in Lebensmitteln lösen. Verwendet man beispielsweise Kunststoffbehälter von Speiseeis weiter, können sich durch fette oder saure Lebensmittel und durch Hitze Substanzen aus dem Gefäß lösen. Auch sind Einwegflaschen aus Kunststoff nicht für den mehrmaligen Gebrauch gedacht.

        Tipps zum Umgang mit Kunststoffen
        • 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 (Lebensmittelecht) gekennzeichnet sind.

        • 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.
        30. Die Vielfalt der Kunststoffe
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