Kunststoffe: Eigenschaften und Typen

Kunststoffe: Potenziale und Eigenschaften

• Werkstoffe sind Materialien, die in eine Form gebracht und technisch genutzt werden können
• Kunststoffe sind organische Stoffe aus Makromolekülen, die durch Umwandlung natürlicher Produkte oder Synthese aus Erdöl, Erdgas oder Kohle entstehen
• Organische Materialien basieren auf Kohlenstoff, der aus Lebewesen stammt
• Kohlenstoff in Kunststoffen ist mit anderen Atomen wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel verbunden
• Die Eigenschaften von Kunststoffen ähneln natürlichen Stoffen wie Holz oder Harz

Vielfalt und Typen synthetischer Kunststoffe

• Kunststoffe bilden die größte Gruppe künstlicher Werkstoffe
• Es gibt drei Grundtypen synthetischer Kunststoffe: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere
• Unterschiedliche Gemenge wie Kunststofflegierungen oder Verbundwerkstoffe werden verarbeitet, um mechanische und physikalische Eigenschaften zu kombinieren
• Faserverstärkte Kunststoffe, wie GFK, nutzen hochfeste Glasfasern in Kombination mit leichtem Kunststoff

Wirtschaftliche Bedeutung von Kunststoffen

• Kunststoffe sind keine billigen Ersatzstoffe mehr, sondern erleichtern das Leben und ermöglichen neue Technologien
• Die großtechnische Produktion begann in den 1930er Jahren; 1949 erreichte die globale Produktion eine Million Tonnen
• Bis 2008 stieg die Produktion jährlich um 9 % auf 245 Millionen Tonnen, bevor die Wirtschaftskrise einen Rückgang verursachte
• Die bisher produzierte Plastikmenge könnte die Erde sechsmal mit Folie einwickeln
• Ein Produktionsanstieg von bis zu 36 % wird bis 2025 erwartet, besonders in Asien und Osteuropa

Massenproduktion von Kunststoffen

• Im späten 19. Jahrhundert entstand ein Wirtschaftssystem basierend auf Massenproduktion und -konsum
• Henry Ford schuf die technische und ökonomische Grundlage dafür
• In seinen Fabriken setzte er auf serielle Fertigung standardisierter Teile in einer effizienten Produktionskette
• Das Fließband war das wichtigste Element dieser Produktionskette
• Die Prinzipien der Massenfertigung beeinflussten die wirtschaftliche und gesellschaftliche Entwicklung in den Industrienationen und sind heute Grundlage der Globalisierung

Prinzipien der Massenproduktion

• Serienfertigung: Große Mengen gleicher Produkte werden unter optimaler Materialnutzung gefertigt
• Dafür sind spezielle Maschinen und Fertigungsverfahren erforderlich
• Standardisierung: Einzelteile und Baugruppen müssen austauschbar sein, wobei Normen und Maßhaltigkeit grundlegend sind
• Arbeitsteilung: Jeder Mitarbeiter erledigt spezialisierte Aufgaben
• Wirtschaftlichkeit: Massenfertigung ermöglicht niedrige Produktpreise durch Rationalisierung, Automatisierung und niedrige Einkaufskosten
• Massenkonsum macht Massenproduktion wirtschaftlich

Vorteile der Massenproduktion

• Der hohe Produktbedarf kann nur durch Massenproduktion befriedigt werden
• Sie ist kostengünstig und Produkte sind billiger
• Menschen mit geringem Einkommen können an Innovationen, Wohlstand und Luxus teilhaben
• Massenproduktion bietet Arbeitsplätze und Berufsbilder für viele Bildungsniveaus
• Standardisierte Produkte und Teile sind problemlos austauschbar

Probleme der Massenproduktion

• Es entstehen Umwelt- und Gesundheitsprobleme, deren Schutzmaßnahmen jedoch die Preisvorteile verringern
• Überproduktion, Billigpreise und Kurzlebigkeit mancher Produkte fördern Müllberge
• Rohstoffe werden in großen Mengen unwiederbringlich verbraucht
• Es kann zu Lieferproblemen bei den Rohstoffen kommen, was die Produktpreise erhöht
• Produktlinien sind unflexibel und lassen sich schwer umstellen
• Auf Probleme kann oft nur träge reagiert werden und individuelle Kundenwünsche werden kaum berücksichtigt
• Kleinere Hersteller werden verdrängt, da große Firmen die Konditionen und Preise diktieren

Ersatz traditioneller Materialien durch Kunststoffe

• Kunststoffe werden aufgrund ihrer positiven Eigenschaften oft traditionellen Werkstoffen vorgezogen
• In der Autoindustrie werden Tanks aus Metall durch Kunststofftanks ersetzt, die sich beliebig formen lassen und keine Korrosionspartikel in die Leitungen bringen
• Fensterrahmen aus Holz werden durch Kunststofffensterrahmen ersetzt, die leichter zu reinigen und verwitterungsbeständig sind
• Schüsseln und Behälter aus Keramik werden durch bruchfeste und kostengünstige Kunststoffprodukte ersetzt

Rückbesinnung auf traditionelle Materialien

• Traditionelle Werkstoffe werden weiterhin genutzt und teils bewusst Kunststoffen vorgezogen
• Im Haushalt werden Bestecke aus Metall für festliche Anlässe bevorzugt, da sie hitzebeständig sind
• Bauklötze aus Holz haben eine angenehmere Haptik und sind gesundheitlich unbedenklich
• Flaschen aus Glas geben keine Schadstoffe ab und sind problemlos recyclebar
• Fußböden aus Stein sorgen für eine hochwertigere Optik und längere Haltbarkeit

Herstellungsverfahren von Kunststoffen

• Erdöl wird in Raffinerien destilliert, wobei Rohbenzin (Naphtha) die wichtigste Fraktion für die Kunststofferzeugung ist
• Im Crack-Prozess wird Naphtha in Ethen, Propen, Buten und andere Kohlenwasserstoffverbindungen aufgespalten
• Die gewonnenen Grundbausteine (Monomere) werden durch Syntheseverfahren zu Makromolekülen (Polymere) verknüpft
• Alle Kunststoffe bestehen aus solchen Makromolekülen, und jedes Syntheseverfahren ist eine Polymerisation

Notwendigkeit der Bindungsfähigkeit von Monomeren

• Monomere, aus denen Makromoleküle aufgebaut werden, müssen fortwährend bindungsfähig (reaktiv) sein
• Einzelne Monomere können sich miteinander verbinden, und das so entstandene Molekül strebt eine weitere Bindung an
• Nur so ist eine Vereinigung zu sehr großen Molekülen (Makromolekülen) möglich
• Unterschiedliche Syntheseverfahren ermöglichen die Herstellung unterschiedlichster Makromoleküle, deren Aufbau die Eigenschaften der Kunststoffe bestimmt

Syntheseverfahren für Kunststoffe

• Die Syntheseverfahren lassen sich in Kettenpolymerisation, Polykondensation und Polyaddition einteilen
• Kettenpolymerisation: Gleichartige Grundbausteine werden unter Einfluss von Initiatoren bindungsfähig gemacht
• Sie verknüpfen sich zu fadenförmigen Makromolekülen, wobei sich immer wieder ein weiteres Molekül anlagert
• Die Reaktion verläuft stufenlos, es entstehen keine Reaktionsnebenprodukte, und die Kunststoffe werden als Kettenpolymerisate bezeichnet
• Bei der Polykondensation verbinden sich gleiche oder verschiedene Grundbausteine zu Makromolekülen, die auch dreidimensional vernetzt sein können
• Die Reaktion verläuft in Stufen, wobei Reaktionsnebenprodukte (Kondensat) entstehen, die entfernt werden müssen
• Die entstehenden Kunststoffe werden als Polykondensate bezeichnet
• Bei der Polyaddition verbinden sich verschiedene Grundbausteine zu Makromolekülen, die ebenfalls dreidimensional vernetzt sein können
• Die Reaktion verläuft ähnlich der Polykondensation, aber es entstehen keine Reaktionsnebenprodukte
• Die erzeugten Kunststoffe werden als Polyaddukte bezeichnet
• Kettenpolymerisate sind Polyethylen PE, Polypropylen PP, Polystyrol PS, Polyvinylchlorid PVC und PMMA
• Polykondensate sind Polyester, Polyamid PA und Phenoplaste PF
• Polyaddukte sind Epoxidharze EP und Polyurethane PUR
• Entsprechende Produktbeispiele sind Eimer, Becher, Textilfasern, Spachtelmasse, Klebstoffe und Matratzen

Industrielle Formgebung: Extrudieren

• Extruder werden seit 1900 verwendet, besonders in der Kautschukindustrie
• Beim Extrudieren wird Kunststoffgranulat in einen beheizten Zylinder eingefüllt, aufgeschmolzen und plastifiziert
• Eine Förderschnecke durchmischt und bewegt das Material gleichmäßig nach vorne
• Die plastische Masse wird durch ein formgebendes Werkzeug gepresst, und der Kunststoff erstarrt
• Die kontinuierliche Extrusion produziert Halbzeuge mit unterschiedlichen Querschnitten
• Je nach Werkzeug können Platten, Stangen, Rohre, Profile, Schläuche oder Fäden extrudiert werden

Industrielle Formgebung: Spritzgießen

• Beim Spritzgießen wird Kunststoffgranulat ebenfalls in einen beheizten Zylinder eingefüllt, aufgeschmolzen und plastifiziert
• Eine Förderschnecke durchmischt das Material und bewegt sich in Richtung der Längsachse hin und her
• Die Schnecke gleitet nach hinten, und der Raum vor der Schneckenspitze füllt sich mit Kunststoffmasse
• Die Schnecke bewegt sich nach vorne und presst die Masse durch eine Düse in das Spritzgusswerkzeug
• Die Masse wird in den Hohlraum des Werkzeugs eingespritzt, kühlt ab und erstarrt
• Eine Schließeinheit öffnet das Werkzeug, und das Fertigteil wird ausgeworfen
• Mit dem Spritzgießen können komplizierte Formen schnell und in großer Stückzahl verwirklicht werden
• Es können Produkte aus verschiedenen Kunststoffen in einem Arbeitsgang gespritzt werden
• Aufwändig entworfene Spritzgusswerkzeuge ermöglichen die Herstellung vielfältiger Produkte
• Beispiele sind Radkappen, Gerätegehäuse, Legosteine, Getränkekisten

Extrusionsblasformen - Verfahren und Anwendung

• Die meisten Hohlkörper aus thermoplastischen Kunststoffen werden durch Extrusionsblasformen hergestellt
• Dabei wird aufgeschmolzenes Polymer durch eine Düse gepresst, um einen Kunststoffschlauch zu formen (Extrusion)
• Der Schlauch wird in ein zweiteiliges Hohlwerkzeug (Blasform) gedrückt
• Dann wird Druckluft hineingepresst, sodass er sich weitet und an die Werkzeugwand anpasst (Blasformen)
• Das Werkzeug wird verschlossen und der erstarrte Hohlkörper nach dem Abkühlen ausgeworfen
• Vor allem Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) werden bei diesem Verfahren genutzt
• Beispiele sind Kanister, Flaschen, Kofferhalbschalen und Dachgepäckboxen

Thermoformen: Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Formteile

• Beim Thermoformen wird ein thermoplastisches Halbzeug in einem Rahmen eingespannt und erwärmt
• Mit einem Stempel oder Unterdruck wird es in eine einseitig geöffnete Form gepresst oder gezogen
• Das Material passt sich der Werkzeugwand an, kühlt ab und erstarrt
• Das Formteil wird entnommen und nachbearbeitet
• Das Thermoformen ist ein bedeutendes Umformverfahren für Massen- und Kleinserien
• Beispiele sind Joghurtbecher, Schubladeneinsätze und Tastaturabdeckungen

Kalandrieren

• Kalandrieren ist ein Verfahren zur Herstellung dicker Folien durch das Hindurchführen von plastifizierter Kunststoffmasse durch beheizte und polierte Stahlwalzen
• Es dient zur Herstellung von dickeren Folien, z. B. für Tablettenverpackungen, Duschvorhänge oder Fußbodenbeläge
• Dünne Folien werden oft durch Blasfolienextrusion hergestellt, um Kosten zu sparen

Schäumen von Kunststoffen

• Beim Schäumen wird heiße Grundmasse mit Gas in eine Form eingeblasen
• Die entstehenden Gasbläschen werden beim Erstarren fixiert, was eine geringe Dichte bei großer Festigkeit verleiht
• Hierfür ist Styrodur® ein Beispiel
• Der bekannteste Schaumstoff ist Styropor®, bei dem Grundsubstanz ein Treibmittel zugesetzt wird
• Durch Erhitzen entsteht ein Vorschaum (Styroporperlen), der in eine Form geschüttet wird
• Unter Wärmeeinwirkung blähen sich die Perlen auf, werden weich und verschmelzen unter Druck zur fertigen Form
• Beispiele sind Thermoboxen, Helme und Dämmplatten

Eigenschaften moderner Kunststoffe: Formgedächtnispolymere (FGP)

• Innovationen sind Faserverbundwerkstoffe
• Diese Werkstoffe erweitern die Anwendungsmöglichkeiten von Kunststoffen
• FGP besitzen einen Memory-Effekt
• FGP "erinnern" sich an eine frühere Form
• Ein gebogener Stab kann sich wieder geradebiegen oder sein Volumen verändern
• FGP benötigen einen Stimulus (z. B. Wärme), um ihre alte Form anzunehmen
• Die Höhe der benötigten Temperatur kann eingestellt und die gewünschte Form festgelegt werden
• FGP können durch Strahlen oder magnetisch "geschaltet" werden und es gibt Zweiweg-Memory-Effekt-Kunststoffe
• FGP werden intensiv erforscht und können mit 3D-Druckern verarbeitet werden

Einsatzgebiete und Anwendung von FGP

• In der Medizintechnik können komprimierte Gegenstände minimalinvasiv eingebracht und durch Strahlung entfaltet werden
• Zahnschienen aus FGP können Fehlstellungen individuell korrigieren
• In der Fahrzeugindustrie und im Flugzeugbau sollen sie für Verbindungen genutzt werden, die sich von außen "schalten" lassen
• FGP-Schaumstoffe passen Matratzen und Kopfhörer an Körperformen an
• Etiketten aus FGP sollen Produkte fälschungssicherer machen
• Ein 3D-gedruckter QR-Code kann verformt und durch Stimulierung wiederhergestellt werden

Ritzbrechen

• Trennen von Werkstoffen wird grundsätzlich zwischen spanenden und spanlosen Verfahren unterschieden
• Ritzbrechen dient zum Abtrennen von geraden Stücken bis zu 5 mm Plattenstärke
• Werkzeuge und Arbeitshinweise kennzeichnen die einzelnen Arbeitsschritte

Trennen durch Sägen

• Zum spanenden Trennen von thermoplastischen Kunststoffen eignen sich vielzahnige Handsägen ohne geschränkte Zähne, wie Laubsägen oder Handbügelsägen mit Wellenschränkung
• Vorteilhaft sind feine und glatte Schnittkanten bei nicht entfernter Schutzfolie und mit Klebestreifen abgeklebten Schnittkanten
• Bei Kunststoff ist langsames Sägen günstiger, da es sonst durch die Reibung am Werkstoff zum ungewünschten Verkleben führen kann, somit ist es gut ggf. Unterbrechungen einzulegen o.ä.
• Die PUK®-Säge eignet sich zum Sägen von Kunststoffrohren, da sie auf Zug arbeitet
• Außerdem werden wichtige Gesichtspunkte zum thermischen Umformen benannt und Bearbeitungsfehler mit entsprechenden Maßnahmen zur Fehlervermeidung aufgelistet

Laminieren

• Laminieren kombiniert Harze mit Gewebematerialien, um Faserverbundwerkstoffe zu erzeugen
• Es kommt beim Formenbau, im Flugzeugbau, bei Windkraftanlagen und Bootsrümpfen zum Einsatz
• Beim Laminieren wird Glasfaser- oder Carbonfasergewebe verbunden oder auf eine Form aufgebracht
• Es wird empfohlen für den Unterricht Glasfasern in Verbindung mit Dispersionskleber zu verwenden. Dies im Zusammenhang zum Gesundheitsschutz bei Arbeiten mit Carbonfasern in Verbindung mit Epoxidharz
• Hinweis auf die Ähnlichkeit mit Carbonfasern mit Epoxidharz und die geringere Festigkeits- und Steifigkeitswerte

Handlegeverfahren im praktischen Werkunterricht

1. Das Glasfasergewebe wird zugeschnitten.
2. Auf eine Trennschicht, z. B. aus faltenfreier Folie, das Gewebe mit Dispersionskleber/Leim gleichmäßig mit einem Pinsel in Faserrichtung des Gewebes einstreichen. Hinweis: Alle Gewebelagen müssen mit Leim „durchtränkt“ sein.
3. Für einen mehrschichtigen Lagenaufbau die entsprechende Anzahl an Gewebelagen aufbringen.
4. Das Laminat aushärten lassen und vom Untergrund lösen.
5. Eine Weiterbearbeitung unter Beachtung der Sicherheitsvorschriften ist nun möglich.

Gesundheitsschutz

• Es entstehen gesundheitsgefährdende Feinstäube beim Sägen und Schleifen gehärteter Verbunde aus Glasfasern und Dispersionskleber
• Empfohlen werden Industriestaubsauger mit Feinstaubfilter sowie das Tragen von Einweg-/Gummihandschuhe, geschlossener Kleidung mit langen Ärmeln, einer Schutzbrille + Atemschutzmaske

Möglichkeiten und Probleme der Kunststoffproduktion

• Kunststoffe sind aufgrund ihrer Formbarkeit, Beständigkeit und ihres Gewichts flexibel einsetzbar im Vergleich zu Materialien wie Metall, Papier oder Holz, somit leisten sie in vielen Bereichen einen Beitrag
• Allerdings entstanden mit der massenhaften Verwendung des Materials neue Probleme
• So stieg in wenigen Jahrzehnten die Kunststoffproduktion exponentiell an, ebenso der Plastikmüll, welcher entsorgt werden musste

Positive Aspekte der Kunststoffe

• Es gibt einen hohen Grad an Sterilität, sie können keine Gerüche annehmen, sind gegen Flüssigkeiten beständig und trotzdem flexibel
• Leichtgewichte Fahrzeug machen ein verbessertes Wärmedämmen von Gebäuden möglich und tragen zum internationalen Leitprinzip der Nachhaltigkeit bei

Problematische Aspekte der Kunststoffe

• Beschleunigter Rohstoffverbrauch
• Hoher Schadstoffausstoß
• Verbrauch nur relativ kurz, gefolgt von Entsorgung