Kunststoffe: Aufbau, Eigenschaften und Recycling

Ein Kunststoffgegenstand besteht aus sehr vielen langen, miteinander verschlungenen oder vernetzten Molekülen. Diese großen Moleküle heißen Makromoleküle.

Polymer und Kunststoff bedeuten nicht genau dasselbe. Das Polymer bildet die makromolekulare Grundlage. Der Kunststoff ist der daraus hergestellte Werkstoff. Er enthält häufig zusätzlich Additive, zum Beispiel Pigmente, Weichmacher, Stabilisatoren oder Füllstoffe.

Natürliche Polymere kommen in Lebewesen vor, beispielsweise Cellulose und Proteine. Synthetische Polymere werden durch chemische Reaktionen hergestellt. Chemisch veränderte Naturpolymere bilden eine weitere Gruppe.

Ob sich ein Kunststoff erwärmen, dehnen oder erneut formen lässt, hängt besonders davon ab, wie stark seine Polymerketten miteinander vernetzt sind.

Thermoplaste: Beim Erwärmen erhalten die nicht dauerhaft vernetzten Ketten mehr Beweglichkeit. Sie können aneinander vorbeigleiten. Deshalb lassen sich Thermoplaste erneut formen, solange sie nicht durch zu starke Erwärmung zersetzt werden. Polyethen, Polypropylen und Polyvinylchlorid sind Beispiele.

Duroplaste: Chemische Bindungen verbinden die Ketten engmaschig. Zum Schmelzen müsste dieses Netzwerk zerstört werden. Duroplaste sind daher meist hart und formstabil, aber häufig spröde. Bakelit ist ein Beispiel.

Elastomere: Die wenigen Vernetzungsstellen halten die Ketten zusammen, lassen aber Bewegung zwischen ihnen zu. Beim Ziehen verändert sich das Netzwerk. Nach dem Loslassen ziehen die Vernetzungen es wieder in Richtung der Ausgangsform. Autoreifen und elastische Dichtungen sind typische Anwendungen.

Polymere entstehen nicht alle durch dieselbe Reaktion. Im Schulkontext werden drei wichtige Wege unterschieden.

Bei der Polymerisation wachsen viele ungesättigte Monomere zu einer Kette. Häufig wird dabei eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung geöffnet. Die Atome der Monomere bleiben Bestandteile des Polymers; ein kleines Nebenprodukt wird nicht abgespalten. Bei einer radikalischen Polymerisation bildet ein Initiator Radikale, also reaktionsfähige Teilchen mit einem ungepaarten Elektron, und startet eine aktive Kette. Am aktiven Kettenende lagern sich wiederholt Monomere an. Treffen geeignete Radikale aufeinander, endet das Kettenwachstum.

Bei der Polykondensation reagieren Monomere mit mindestens zwei geeigneten funktionellen Gruppen schrittweise miteinander. Eine solche schrittweise Reaktion heißt Stufenreaktion. Dabei wird ein kleines Molekül abgespalten, häufig Wasser. Dicarbonsäuren und Diole können beispielsweise Polyester bilden; Dicarbonsäuren und Diamine können Polyamide bilden.

Auch bei der Polyaddition reagieren passende, meist bifunktionelle Monomere schrittweise. Bifunktionell heißt: Jedes Monomer trägt zwei reaktionsfähige Gruppen. Im Unterschied zur Polykondensation entsteht dabei kein kleines Nebenprodukt. Die Reaktion von Isocyanat- und Hydroxygruppen zu Polyurethan ist ein Beispiel.

Der Syntheseweg allein legt die Kunststoffklasse nicht vollständig fest. Entscheidend ist auch, ob lineare Ketten oder weit- beziehungsweise engmaschige Netzwerke entstehen.

Kunststoffe sind im Vergleich zu vielen Metallen oder keramischen Werkstoffen meist leicht. Viele isolieren Wärme und elektrischen Strom gut. Ihre Festigkeit, Elastizität, Beständigkeit und Verarbeitbarkeit können jedoch stark variieren.

Additive helfen, Eigenschaften an eine Anwendung anzupassen. Pigmente geben Farbe. Weichmacher erhöhen die Beweglichkeit der Polymerketten und machen einen Werkstoff weicher. Stabilisatoren schützen beispielsweise vor Wärme, Sauerstoff oder UV-Strahlung. Füllstoffe können den Preis senken oder mechanische Eigenschaften verändern. Verstärkungsfasern können die Festigkeit erhöhen.

Zwischen ähnlichen Polymeren können bereits Unterschiede in der Kettenstruktur viel bewirken. HD-PE (Polyethen hoher Dichte, englisch „high density“) besitzt weniger Verzweigungen als LD-PE (Polyethen niedriger Dichte, „low density“). Seine Ketten können sich geordneter und dichter packen. LD-PE eignet sich wegen seiner Struktur unter anderem gut für flexible Folien; HD-PE wird beispielsweise für feste Behälter verwendet.

Die lange Haltbarkeit vieler Kunststoffe ist während der Nutzung oft erwünscht. Nach der Nutzung wird sie zum Problem, weil viele Kunststoffe nur sehr langsam biologisch abgebaut werden. Außerdem können Additive und unsachgemäße Verbrennung zusätzliche Risiken verursachen. Eine Verwertungsentscheidung beginnt deshalb mit drei Fragen: Kann der Gegenstand ohne große Aufbereitung erneut verwendet werden? Ist das Material sauber und sortenrein trennbar, sodass jede Kunststoffsorte für sich gesammelt werden kann? Ist eine stoffliche Rückgewinnung technisch sinnvoll, oder bleibt nur die Nutzung des Energieinhalts?

Bei der Wiederverwendung wird ein noch funktionsfähiger Gegenstand erneut genutzt. Dadurch entfällt zunächst die Herstellung eines Ersatzprodukts. Wiederverwendung ist von Recycling zu unterscheiden, denn das Material wird dabei nicht neu verarbeitet. Bei der werkstofflichen Verwertung werden Thermoplaste zerkleinert, erneut geschmolzen und geformt. Das funktioniert besonders gut bei sortenreinen Abfällen. Gemischte Polymere besitzen häufig schlechtere mechanische Eigenschaften. Wiederholte Wärmebehandlung kann zusätzlich zu Qualitätsverlust führen; diese Abwertung heißt Downcycling. Duroplaste und Elastomere lassen sich wegen ihrer Vernetzung nicht wie Thermoplaste einschmelzen.

Bei der rohstofflichen Verwertung zerlegen chemische oder thermische Verfahren Kunststoffe in kleinere Stoffe, etwa Monomere, Gase, Wachse oder Öle. Solche Verfahren können für schwer trennbare Kunststoffmischungen infrage kommen. Bei der energetischen Verwertung werden Kunststoffe verbrannt und ihr Energieinhalt genutzt. Dabei geht der Werkstoff als Stoff verloren. Die Verbrennung erfordert geeignete technische Bedingungen, weil Kunststoffbrände giftige oder ätzende Stoffe freisetzen können.

Biologisch abbaubare Kunststoffe lösen das Problem nicht pauschal. Der Abbau braucht geeignete Polymerstrukturen und passende Bedingungen. Eine bessere biologische Angreifbarkeit kann außerdem mit geringerer Stabilität während der Nutzung verbunden sein.