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Als '''Kunststoffe''' (auch '''Plaste''', selten '''Technopolymere''', umgangssprachlich '''Plastik''') werden Werkstoffe bezeichnet, die hauptsächlich aus Makromolekülen bestehen.

Wichtige Merkmale von Kunststoffen sind ihre technischen Eigenschaften, wie Formbarkeit, e.

Kunststoffe werden zu Formteilen, Halbzeugen, Fasern oder Folien weiterverarbeitet. Sie dienen als Verpackungsmaterialien, Textilfasern, Wärmedämmung, Rohre, Bodenbeläge, Bestandteile von Lacken, Klebstoffen und Kosmetika, in der Elektrotechnik als Material für Isolierungen, Leiterplatten, Gehäuse, im Fahrzeugbau als Material für Reifen, Polsterungen, Armaturenbretter, Benzintanks und vieles mehr.

Die jeweiligen Makromoleküle eines Kunststoffes sind Polymere und daher aus wiederholenden Grundeinheiten aufgebaut. Die Größe der Makromoleküle eines Polymers variiert zwischen einigen tausend bis über eine Million Grundeinheiten. Beispielsweise besteht das Polymer Polypropylen (Kurzzeichen PP) aus sich vielfach wiederholenden Propyleneinheiten. Die Polymere können unverzweigte, verzweigte oder vernetzte Moleküle sein.

Die Polymere können aus Naturstoffen gewonnen oder rein synthetisch sein. Synthetische Polymere werden durch Kettenpolymerisation, Polyaddition oder Polykondensation aus Monomeren oder Prepolymeren erzeugt. Halbsynthetische Kunststoffe entstehen durch die Modifikation natürlicher Polymere (vorwiegend Zellulose zu Zelluloid), während andere bio-basierte Kunststoffe wie Polymilchsäure oder Polyhydroxybuttersäure durch die Fermentation von Zucker oder Stärke hergestellt werden.

Zwischen 1950 und 2015 wurden weltweit rund 8,3 Mrd. Tonnen Kunststoff hergestellt ? dies ergibt etwa 1 Tonne pro Kopf der Weltbevölkerung. Die Hälfte der Produktion stammt aus den letzten 13 Jahren. Von dieser Menge wurden ca. 6,3 Mrd. Tonnen zu Abfall, der zu 9 % recycelt, zu 12 % verbrannt und zu 79 % auf Müllhalden deponiert wurde bzw. sich in der Umwelt anreichert.<ref name="Geyer 2017"></ref> Kunststoffe im Allgemeinen stehen wegen der Abfallproblematik und möglicher Gesundheitsgefahren in der Kritik.

Entwicklungsgeschichte der Kunststoffe

Vorstufe

Biopolymere und natürlich vorkommende Polymere werden von Menschen schon seit Urzeiten verwendet. Alle Tiere und Pflanzen enthalten in ihren Zellen Polymere. Holz diente dem Menschen zunächst als Brennholz und Werkzeug, etwa als Wurfholz, Speer und als Baumaterial. Der Zellverband Tierhaut oder Fell wurde durch Gerben stabilisiert, damit vor dem raschen Verwesen geschützt und so zu haltbarem Leder. Aus Wolle, abgeschnittenen Tierhaaren, wurden durch Verspinnen und Weben oder durch Filzen Bekleidung und Decken hergestellt.

Birken lieferten den ersten Kunststoff der Menschheitsgeschichte, das aus Birkenrinde durch Trockendestillation gewonnene Birkenpech, das sowohl Neandertalern als auch dem steinzeitlichen Homo sapiens als Klebstoff bei der Herstellung von Werkzeugen diente.

In Mesopotamien wurden Wasserbecken und Kanäle mit natürlichem Asphalt abgedichtet. Ebenso wurden dort bestimmte Baumharze als Gummi Arabicum eingesetzt und nach Europa exportiert. Aus Europa ist Bernstein als fossiles Harz für die Verwendung bei Pfeilspitzen und Schmuckgegenständen bekannt. Im Mittelalter wurde Tierhorn durch bestimmte Verfahrensschritte in einen plastisch verformbaren Stoff verwandelt.
Bereits um 1530 wurde im Hause der aus Ziegenkäse gefertigt und vertrieben.

Entwicklung einer Kunststoffindustrie

Frühe Entdeckungen

Im 17. und 18. Jahrhundert brachten Naturforscher aus milchigen Baumsäften gewonnene, elastische Massen (Kautschuk) aus Malaysia und Brasilien mit. Für diese wurde in Deutschland der Begriff ''Gummi'' eingeführt. Seit Mitte des 19.?Jahrhunderts entwickelte sich eine rasch wachsende Gummi-Industrie.

Der Erfinder Charles Goodyear stellte 1839 fest, dass sich Kautschuk bei Hitzeeinwirkung durch Zusatz von Schwefel in Gummi umwandelt.<ref name="Schule">''Handbuch der experimentellen Chemie'' Sekundarbereich II, Band 12, Kunststoffe, Recyling, Alltagschemie, S.?21, Aulis & Deubner-Verlag.</ref> Dieser Prozess wird Vulkanisation genannt. Charles Goodyear fertigte aus dem neuen Material zunächst Gummihandschuhe. Um?1850 entdeckte er außerdem Hartgummi, ein durch Erhitzen in Gegenwart von Schwefel erhärteter Naturkautschuk, der anfangs als Ebonit vermarktet wurde. Daraus wurden zum Beispiel Schmuckstücke, Füllfederhalter, Klaviertasten, Tabakpfeifen und Teile von Telefonen hergestellt. Dieser erste Duroplast startete die Entwicklung der Kunststoffe als Werkstoff im Umfeld des Menschen.

Die Entwicklung des Zelluloids ist mehreren Chemikern zu verdanken. Christian Friedrich Schönbein entwickelte 1846 die Schießbaumwolle, indem er Baumwolle mit Salpetersäure versetzte.<ref name="Schule" /> Der Engländer Maynard löste Schießbaumwolle in einem Ethanol-Äther-Gemisch und erhielt nach Verdampfung elastische Häutchen (Kollodium). Der Engländer Cuttin verknetete das Kollodium mit alkoholischer Campherlösung zu Zelluloid.
Im Jahr 1869 nutzte John Wesley Hyatt das Zelluloid als Kunststoff und entwickelte drei Jahre später die erste Spritzgussmaschine. Später wurde in England das Zellulosenitrat zur Imprägnierung von Textilien und in den USA Schellack entwickelt.

Linoleum wurde 1844 von Frederic Walton erfunden. Es wurde aus Leinöl, Sikkativen und Harzen durch Lufteinblasung gewonnen. Anwendungsbereiche waren Fußbodenbeläge, Wandbekleidungen, Tischflächen.

Max Fremery und Johann Urban lösten mit einer ammoniakalischen Kupferhydroxidlösung Zellulose auf. Mit dieser Lösung (Cupro) konnten leicht Kupfer-Reyon-Fäden als erste Viskosefaser hergestellt werden.

Adolf von Baeyer beschrieb 1872 die Polykondensation von Phenol und Formaldehyd. Der belgische Chemiker Leo Hendrik Baekeland untersuchte die Wirkung von Säure und Alkali bei dieser Reaktion und entwickelte 1907 ein Verfahren (seit 1909 in der technischen Produktion) zur Herstellung und Weiterverarbeitung eines Phenolharzes. Dieser von ihm Bakelit getaufte Kunststoff war der erste in großen Mengen industriell hergestellte, synthetische Duroplast. Dank seiner Eignung als elektrischer Isolator wurde er unter anderem in der aufstrebenden Elektroindustrie eingesetzt.

Wilhelm Krische und Adolf Spittler entwickelten 1885 das Galalith (Kunsthorn). Der Kunststoff ähnelt stark dem tierischen Horn oder Elfenbein. Das Kunsthorn wird aus Kasein und Formaldehydlösung hergestellt. Es wurden daraus zum Beispiel Knöpfe, Anstecknadeln, Gehäuse für Radios, Zigarettendosen, Spielzeuge, Griffe für Regenschirme in den verschiedensten Farben gefertigt.

Der deutsche Chemiker Fritz Hofmann meldete 1909 ein Patent auf den synthetischen Kautschuk Buna an. Die ersten vollsynthetischen Reifen aus Isoprenkautschuk wurden 1912 hergestellt.<ref name="Schule" />

Der Berliner Apotheker .</ref> Das Styrol verwandelte sich zunächst in eine gallertartige Masse. Im Jahr 1909 untersuchte H. Stobbe die Polymerisationsreaktion von Styrol detailliert. Erst zwanzig Jahre später wurde diese Entdeckung genutzt.

Im Jahr 1835 entdeckte Victor Regnault das Vinylchlorid, aus dem sich Polyvinylchlorid (PVC) herstellen ließ. Die erste Patentierung von PVC und von Polymeren aus Vinylacetat geht auf Fritz Klatte im Jahr 1912 zurück.<ref name="Klatte1912">{{Patent | Land = DE | V-Nr = 281687 | Typ = Erteilung | Titel = Verfahren zur Herstellung technisch wertvoller Produkte aus organischen Vinylestern | A-Datum = 1913-07-04 | V-Datum = 1915-01-18 | Erfinder = Fritz Klatte | Anmelder = Chemische Fabrik Griesheim-Elektron | DB =
}}</ref> Als weltweiter Pionier der Kunststoffverarbeitung gilt aber abgelöst.

Schon 1901 befasste sich Otto Röhm mit der Herstellung von Acrylsäure und Acrylsäureestern. Aber erst im Jahr 1928 fand er die für die Polymerisation besser geeigneten Methacrylsäuremethylester. Das Patent für Polymethylmethacrylat (PMMA, Handelsname ?Plexiglas?) startete eine Ära.

Entwicklung der Polymerchemie

Bis Ende des 19.?Jahrhunderts war wenig über die genauen Strukturen polymerer Materialien bekannt. Es war lediglich aus Dampfdruck- und Osmosemessungen bekannt, dass es sich um sehr große Moleküle mit hoher Molmasse handeln müsste. Fälschlicherweise bestand die Meinung, dass es sich um kolloidale Strukturen handele.

Als Vater der .

Die Arbeiten Staudingers ermöglichten der chemischen Industrie nun, basierend auf gesicherten naturwissenschaftlichen Grundlagen, eine rasante Entwicklung auf dem Gebiet der Polymerchemie.

Der Münchner Chemiker Ernst Richard Escales gab 1910 der Werkstoffgruppe den Namen ?Kunststoffe?. Die von ihm gegründete gleichnamige Zeitschrift erschien erstmals 1911.

Bei dem Unternehmen Imperial Chemical Industries (ICI) in Großbritannien wurde unter hohem Druck (200?bar) und bei hohen Temperaturen im Jahre 1933 erstmals Polyethylen hergestellt. Erst zwanzig Jahre später entwickelte Karl Ziegler ein Verfahren, das mit Katalysatoren aus Aluminiumalkylen und Titantetrachlorid die Polymerisation von Ethen zu Polyethylen schon bei Raumtemperatur erlaubt.<ref name="ZieglerPatentI">{{Patent | Land = DE | V-Nr = 961537 | Typ = Erteilung | Titel = Verfahren zur Herstellung von Aluminiumtrialkylen und Aluminiumalkylhydriden | A-Datum = 1954-02-02 | V-Datum = 1957-04-11 | Erfinder = K. Ziegler, H.-G. Gellert | Anmelder = K. Ziegler | DB = Google
}}</ref><ref name="Ziegler1960">Karl Ziegler, Hans Georg Gellert, Herbert Lehmkuhl, Werner Pfohl, Kurt Zosel: ''Organometallic compounds. XXVI. Trialkylaluminum and dialkylaluminum hydride from olefins, hydrogen, and aluminum.'' In: ''Ann.'' 629, 1960, S.?1?13.</ref><ref name="Ziegler1971">{{Patent | Land = US | V-Nr = 3257332 | Typ = Erteilung | Titel = Polymerization of ethylene | A-Datum = 1954-11-15 | V-Datum = 1966-06-21 | Erfinder = Karl Ziegler, Heinz Breil, Erhard Holzkamp, Heinz Martin | DB = Google
}}</ref><ref>{{Patent | Land = US | V-Nr = 2781410 | Titel = Polymerization of ethylene in the presence of an aluminum trialkyl catalyst | DB = Google
}}</ref> Das Niederdruck-Polyethylen erwies sich als wärmestabiler und mechanisch belastbarer. Kurz darauf fanden Ziegler und . 1955?1957?liefen die großtechnischen Synthesen von Polyethylen und Polypropylen an.<ref name="Schule" /> Heute sind die so hergestellten Polyethylene (PE) und Polypropylen (PP) neben Polystyrol (PS) die am häufigsten als Verpackungsmaterialien von Lebensmitteln, Kosmetika etc. verwendeten Kunststoffe. Ziegler und Natta erhielten im Jahre 1963 für ihre Arbeiten den Nobelpreis für Chemie.

Kunststoffe aus Polyestern wurden schon sehr früh angedacht (Berzelius, 1847). 1901 gab es Glyptalharze (aus Glycerin und Phthalsäure). Fritz Hofmann, Wallace Hume Carothers und Paul Schlack suchten erfolglos nach synthetischen Fasern auf Basis von Polyestern. Erst den Briten Whinfield und Dickson gelang bei Calico Printers im Jahre 1941 die Herstellung von brauchbaren Polyesterfasern (Polyethylenterephthalat, PET). Wichtige Polyesterfasern wurden Dacron (DuPont), Diolen (ENKA-Glanzstoff), Terylen (ICI), Trevira (Hoechst).<ref name="Schule" />

In Ludwigshafen begann 1934 die Herstellung von Epoxidharzen nach einem Verfahren von Paul Schlack. 1935?wurde gleichzeitig von Henkel (Mainkur) und Ciba (Schweiz) die Entwicklung von Melaminharz beschrieben.

Im Jahr 1931 meldete der US-Chemiker Wallace Hume Carothers bei DuPont ein Patent für ein Polyamid aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure an. Erst sieben Jahre später war die neue Kunstfaser Nylon (1938) verkaufsfähig. Das von Paul Schlack 1937 hergestellte Polyamid?6 auf Basis von Caprolactam wurde Perlon getauft. Die großtechnische Herstellung begann 1939 bei den IG-Farben. Das Herstellungsverfahren von Perlon in Deutschland war preiswerter als die Nylonproduktion in den USA.<ref name="Schule" />

Etwa zeitgleich begannen die Buna-Werke der I.G. Farben mit der Fertigung von Buna S und Buna N als synthetischem Gummi-Ersatz.
1939?entwickelte Otto Bayer das Polyurethan (PU) in Leverkusen.

Bei DuPont wurde 1938 der Kunststoff Polytetrafluorethylen (Teflon) von R.J. Plunkett entwickelt. Das Produkt zeigte hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe chemische Beständigkeit. Die Verarbeitung stieß jedoch auf Probleme. Erst 1946 ging Teflon in die Großproduktion.<ref name="Schule" />

Silikon hatte im Jahr 1901 bereits Frederic Stanley Kipping aus Silanonen hergestellt. Erst durch die Synthese von Organosiliciumhalogeniden mit Alkylhalogeniden gelang es 1944 in den USA und Deutschland, Silikon günstig herzustellen (Eugene G. Rochow, Richard Müller).<ref name="Schule" />

Seit Anfang der 1930er Jahre war die Polymerisation von Acrylnitril bekannt. Es war als Kunststoff jedoch so nicht brauchbar. Der Chemiker Rein konnte Polyacrylnitril in Dimethylformamid lösen und so für die Kunststoffproduktion brauchbar machen. 1942?wurde bei den IG Farben ein Polymerisationsverfahren zu Polyacrylnitril entwickelt. 1942?entdeckte Harry Coover (USA) bei Eastman Kodak den ?Sekundenkleber? Methylcyanacrylat.

Einteilung

Je nach Blickwinkel des Betrachters und Anforderung können Kunststoffe verschiedenartig eingeteilt werden. Gängig sind Einteilungen nach mechanisch-thermischem Verhalten (häufigste Einteilung), Ursprung (natürlich oder synthetisch), Verwendung oder Entstehungsreaktion. Eine strenge Abgrenzung einzelner Kunststoffe ist oft nicht möglich, diese Einteilungen bieten allerdings eine gute Übersicht.<ref name="Kunststoffhandbuch1"></ref>

Einteilung nach mechanisch-thermischem Verhalten

Die Einteilung nach mechanisch-thermischem Verhalten erfolgt in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Außerdem existieren mit deutlich untergeordneter Bedeutung thermoplastische Elastomere und reversible Duroplaste. Diese Einteilung ist anwendungstechnischer Herkunft.

Weblinks

Einzelnachweise

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