Kunststoff

Grundlagen und Bedeutung

Kunststoffe, auch Plastik, regional Plaste oder Plast, sind Werkstoffe, die hauptsächlich aus Makromolekülen bestehen. Diese großen Moleküle heißen Polymere und sind aus vielen wiederholten Grundeinheiten aufgebaut. Ein Polymer kann einige tausend bis über eine Million solcher Einheiten enthalten. Polypropylen (PP) besteht beispielsweise aus wiederholten Propyleneinheiten. Polymermoleküle können unverzweigt, verzweigt oder vernetzt sein.

Die Eigenschaften eines Kunststoffs lassen sich durch die Wahl der Polymere, das Herstellungsverfahren und Additive gezielt verändern. Dazu gehören Formbarkeit, Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit sowie Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Kunststoffe werden unter anderem zu Formteilen, Halbzeugen, Fasern und Folien verarbeitet. Sie dienen als Verpackungen, Textilfasern, Dämmstoffe, Rohre, Bodenbeläge, Lack- und Klebstoffbestandteile, Elektroisolierungen, Gehäuse, Fahrzeugteile, Sportgeräte, Spielzeug und medizinische Produkte. Kurzzeichen wie PE, PP oder PET sind international durch Normen wie ISO 1043 geregelt.

Polymere können natürlich oder synthetisch sein. Halbsynthetische Kunststoffe entstehen durch Veränderung natürlicher Polymere, etwa Zellulose zu Zelluloid. Biobasierte Kunststoffe wie Polymilchsäure oder Polyhydroxybuttersäure können durch Fermentation von Zucker oder Stärke hergestellt werden. Synthetische Polymere entstehen aus Monomeren oder Prepolymeren durch Kettenpolymerisation, Polyaddition oder Polykondensation.

Die industrielle Entwicklung reicht von vulkanisiertem Kautschuk durch Charles Goodyear 1839 und Zelluloid im 19. Jahrhundert bis zum ersten in großen Mengen hergestellten synthetischen Duroplast Bakelit, dessen Herstellungsverfahren Leo Hendrik Baekeland 1907 entwickelte. Hermann Staudinger begründete ab 1920 die moderne Vorstellung langkettiger, kovalent gebundener Makromoleküle und erhielt dafür 1953 den Nobelpreis. Karl Ziegler und Giulio Natta entwickelten wichtige Katalysatoren für Polyethylen und Polypropylen und erhielten 1963 den Nobelpreis für Chemie.

Einteilung und Werkstoffverhalten

Die wichtigste Einteilung richtet sich nach dem mechanisch-thermischen Verhalten und unterscheidet Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Entscheidend ist, ob und wie stark die Polymerketten miteinander vernetzt sind.

Thermoplaste bestehen aus langen, meist linearen und unvernetzten Molekülen. Beim Erwärmen werden sie weich, formbar und schließlich schmelzbar; nach dem Abkühlen behalten sie die neue Form. Dieser Vorgang ist reversibel und kann grundsätzlich wiederholt werden. Thermoplaste eignen sich deshalb besonders für Spritzguss und Extrusion. Beispiele sind Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, PVC und PET. Mehrere verträgliche Thermoplaste können zu einem Polymerblend vermischt werden.

Duroplaste oder Duromere entstehen durch eine irreversible Vernetzungsreaktion, meist unter Wärmeeinwirkung. Ihre Makromoleküle sind engmaschig räumlich vernetzt. Ausgehärtete Duroplaste sind gewöhnlich hart und spröde. Beim erneuten Erwärmen werden sie nicht plastisch, sondern zersetzen sich; anschließend können sie nur noch mechanisch bearbeitet werden. Wegen ihrer mechanischen und chemischen Beständigkeit bei erhöhten Temperaturen werden sie etwa in Elektroinstallationen, Lacken und Beschichtungen verwendet. Beispiele sind Phenoplaste, Epoxidharze und bestimmte Polyester- und Polyurethanharze.

Elastomere besitzen weitmaschig vernetzte Polymere. Sie lassen sich durch Druck oder Zug vorübergehend verformen und kehren danach schnell in ihre Ausgangsform zurück. Beim Erwärmen schmelzen sie nicht und in den meisten Lösungsmitteln lösen sie sich nicht. Dazu gehören vernetzte Kautschuke wie Naturkautschuk, NBR, SBR und EPDM. Etwa 60 % der Elastomere werden für Reifen verwendet.

Nach der Anwendung unterscheidet man bei Thermoplasten außerdem Standardkunststoffe, technische Kunststoffe, Funktionskunststoffe und Hochleistungskunststoffe. Standardkunststoffe werden preisgünstig in großen Mengen hergestellt. Technische Kunststoffe behalten bessere mechanische Eigenschaften auch oberhalb von 100 °C und unterhalb von 0 °C. Funktionskunststoffe erfüllen eine spezielle Aufgabe, etwa als Gasbarriere. Hochleistungsthermoplaste können Temperaturen bis 300 °C widerstehen, kosten etwa 20 € pro Kilogramm und besitzen nur ungefähr 1 % Marktanteil.

Eigenschaften, Verarbeitung und Zusatzstoffe

Die meisten Kunststoffe haben eine Dichte zwischen 0,8 und 2,2 g·cm⁻³ und sind damit leichter als viele Metalle und keramische Werkstoffe. Ihre Festigkeit und Steifigkeit sind häufig geringer, können aber durch größere Wandstärken oder Faserverstärkung teilweise ausgeglichen werden. Ihre meist gute Zähigkeit verringert die Bruchgefahr gegenüber Keramik oder Glas.

Die chemische Beständigkeit unterscheidet sich stark. Teflon ist gegenüber den meisten Chemikalien weitgehend inert. Viele Kunststoffe widerstehen Mineralsäuren, Laugen und wässrigen Salzlösungen, reagieren jedoch empfindlich auf organische Lösungsmittel wie Alkohol, Aceton oder Benzin. Polyethylen ist eine Ausnahme und wird wegen seiner Benzin- und Witterungsbeständigkeit für Kraftstofftanks verwendet. Degradation bezeichnet die Alterung durch chemischen oder physikalischen Abbau; mögliche Folgen sind Quellung, Versprödung, Risse und Festigkeitsverlust.

Gängige Verarbeitungstemperaturen liegen bei 250 bis 300 °C, in industriellen Verfahren bei bis zu 430 °C. Damit lassen sich Thermoplaste bei deutlich niedrigeren Temperaturen als Metalle verarbeiten. Wichtige Verfahren sind Spritzgießen, Extrudieren, Blasformen und Schäumen. Kunststoffe leiten Wärme schlecht und eignen sich daher für Griffe und Dämmstoffe. Ihre elektrische Leitfähigkeit ist etwa 15 Größenordnungen kleiner als die von Metallen, weshalb sie als Isolatoren und als Dielektrikum in Kondensatoren eingesetzt werden.

Additive werden bei der Compoundierung beigemischt, um Eigenschaften einzustellen. Weichmacher senken Sprödigkeit, Härte und Glastemperatur. Das früher häufige Diethylhexylphthalat (DEHP) gilt als umwelt- und gesundheitsschädlich; als Ersatz dient unter anderem das 2002 eingeführte DINCH. Stabilisatoren schützen vor Oxidation, UV-Strahlung, Wärme oder Feuer. Farbmittel sind lösliche Farbstoffe oder unlösliche Pigmente. Füllstoffe wie Kreide, Glas, Holzmehl, Stärke, Graphit oder Ruß können Kosten senken und Eigenschaften verändern. Verstärkungsstoffe wie Glas-, Kohlenstoff-, Flachs- oder Jutefasern erhöhen beispielsweise Elastizität und Biegefestigkeit. Bei der Kunststoffmetallisierung erhält Kunststoff eine Metallschicht für Metallglanz, Abschirmung oder technische Oberflächen.

Herstellung und wichtige Kunststoffarten

Bei der Kettenpolymerisation startet ein Initiator eine wachsende Kette, an die nacheinander Monomere angefügt werden. Der Polymerisationsgrad gibt die Zahl der eingebauten Monomere an. Die radikalische Polymerisation ist vergleichsweise unempfindlich und wird für preisgünstige Kunststoffe wie LD-PE, PS und PVC verwendet. Da sie exotherm ist, kann unzureichend abgeführte Wärme die Reaktion bis zu einer thermischen Explosion beschleunigen. Bei der ionischen Polymerisation bleiben wachsende Ketten Stunden bis Tage aktiv, gegenüber etwa 10⁻³ s bei radikalischen Ketten. Dadurch lassen sich unter anderem Blockcopolymere herstellen; das Verfahren ist aber empfindlich gegen Wasser, Sauerstoff und Verunreinigungen.

Metallorganische Katalysatoren wie Ziegler-Natta-Katalysatoren erzeugen regelmäßigere, weniger verzweigte und dichtere Polymere. LD-PE hat viele Verzweigungen und eine niedrige Dichte; HD-PE besitzt wenige Verzweigungen und eine höhere Dichte. Bei Stufenpolymerisationen reagieren Monomere direkt miteinander. Eine Polykondensation spaltet kleine Moleküle wie Wasser oder Alkohol ab und erzeugt etwa Polyester, PET, Polyamide und Phenoplaste. Bei der Polyaddition entstehen keine Nebenprodukte. So werden aus Isocyanaten und Alkoholen Polyurethane hergestellt; zugesetztes Wasser erzeugt Kohlenstoffdioxidbläschen und damit Polyurethanschaum.

Etwa 90 % der Weltproduktion von jährlich rund 350 Mio. t entfallen auf sechs Massenkunststoffe. PE wird als HD-PE unter anderem für Flaschen, Fässer und Behälter sowie als LD-PE oder LLD-PE für Folien und Tragetaschen verwendet. PP ist hart, fest, mechanisch belastbar und besitzt die geringste Dichte der Massenkunststoffe; Anwendungen reichen von Lebensmittelverpackungen über Fahrzeugteile bis zu sterilisierbaren medizinischen Geräten. PVC gibt es als steifes Hart-PVC für Rohre und Fensterprofile sowie als weichgemachtes, gummielastisches Weich-PVC für Böden, Schläuche und Kunstleder. PS dient unter anderem für Elektrogehäuse, Verpackungen und als aufgeschäumter Dämmstoff. Polyurethane werden besonders für Schaumstoffe, Lacke und Korrosionsschutz eingesetzt. PET ist ein Polyester aus Terephthalsäure und Ethylenglycol; transparentes amorphes PET wird für Flaschen und Verpackungen, teilkristallines C-PET für belastbare technische Teile verwendet.

Sonderkunststoffe umfassen Hochtemperaturkunststoffe mit Dauergebrauchstemperaturen über 150 °C, flüssigkristalline Polymere mit parallel orientierbaren Ketten und hoher Zugfestigkeit sowie durch Dotierung elektrisch leitfähig gemachte Polymere. Kunststoffe dienen in der Medizin als Einwegartikel, Gerätebestandteile und Implantate. Biokompatibel heißt, dass weder der Kunststoff den Organismus noch das biologische Milieu den Kunststoff schädigt.

Produktion, Umwelt und Gesundheit

Zwischen 1950 und 2015 wurden weltweit rund 8,3 Mrd. Tonnen Kunststoff hergestellt, etwa eine Tonne pro Kopf der Weltbevölkerung; die Hälfte davon entstand in den letzten 13 Jahren dieses Zeitraums. Der weltweite Verbrauch lag 2017 bei rund 380 Mio. Tonnen pro Jahr. Seit 1950 wuchs die Produktion durchschnittlich um etwa 8,4 % jährlich. Mehr als 98 % der Kunststoffe beruhen auf fossilen Rohstoffen. Der globale CO₂-Fußabdruck der Kunststoffe verdoppelte sich von 1995 bis 2015 auf zwei Milliarden Tonnen CO₂-Äquivalent; Produktion und Entsorgung verursachen rund 4,5 % der weltweiten menschengemachten Treibhausgasemissionen.

Kunststoffe sind persistent, weil ihr Abbau durch chemische, physikalische oder biologische Vorgänge meist sehr langsam verläuft und mehrere hundert Jahre dauern kann. UV-Strahlung zerbricht Polymerketten und verursacht Vergilbung und Versprödung. Kunststoff gelangt als großer Abfall oder Mikroplastik in Böden, Gewässer und Nahrungsketten. Von jährlich mehr als 200 Mio. Tonnen produzierten Kunststoffen gelangen nach unterschiedlichen Schätzungen sechs bis 26 Mio. Tonnen ins Meer; etwa 70 % davon sinken auf den Meeresboden. Tiere verschlucken Kunststoff oder verfangen sich in Netzen und Seilen. Für die Schweiz werden jährlich rund 14.000 Tonnen Kunststoffeintrag in Böden und Gewässer genannt.

Polymere selbst gelten unter Körperbedingungen überwiegend als inert, nicht wasserlöslich und für Zellen nicht aufnehmbar; zu Mikro- und Nanoplastik bestehen jedoch offene Fragen. Risiken gehen besonders von Additiven aus. Bisphenole und Phthalate werden als endokrine Disruptoren eingeordnet, also als Stoffe, die das Hormonsystem beeinflussen. Fachgesellschaften und UNEP/WHO bringen sie unter anderem mit erhöhten Risiken für Adipositas, Diabetes mellitus, Unfruchtbarkeit, bestimmte Krebsarten und Entwicklungsstörungen in Verbindung. Eine 2025 erschienene Studie bewertete 16.325 Kunststoffchemikalien; mehr als 4.200 wurden als bedenklich eingestuft, weil sie persistent, bioakkumulativ, mobil oder toxisch sind.

Abfallverwertung und biologischer Abbau

Von etwa 6,3 Mrd. Tonnen Kunststoffabfall, die bis 2015 entstanden, wurden ungefähr 9 % recycelt und 12 % verbrannt; 79 % wurden deponiert oder reicherten sich in der Umwelt an. Beim werkstofflichen Recycling werden vor allem sortenreine Thermoplaste eingeschmolzen und neu geformt. Wiederholtes Erhitzen kann die Qualität mindern, was als Downcycling bezeichnet wird. Gemischte Kunststoffe lassen sich schwer und energieaufwendig trennen; der 1988 eingeführte Recycling-Code soll die Sortierung erleichtern.

Beim chemischen oder rohstofflichen Recycling werden Kunststoffe durch Vergasung, Pyrolyse, Solvolyse oder Depolymerisation in wiederverwendbare molekulare Bausteine, Monomere, Gase, Wachse oder Öle zerlegt. Bei der energetischen Verwertung werden sie meist in Hochöfen, Zementwerken oder Kraftwerken verbrannt; ihr Heizwert entspricht ungefähr dem von Steinkohle. Seit 2021 zahlen EU-Mitgliedstaaten eine Plastikabgabe, deren Höhe von der Menge nicht recycelter Kunststoffverpackungen abhängt. Die EU-Einwegkunststoff-Richtlinie verbietet zudem verschiedene Einwegprodukte.

Einige Organismen können auch herkömmliche Kunststoffe abbauen. Larven der Dörrobstmotte und der Großen Wachsmotte bauen mithilfe von Darmbakterien Polyethylen ab. Das 2016 entdeckte Bakterium Ideonella sakaiensis zerlegt PET in Terephthalsäure und Ethylenglycol, benötigte für einen dünnen Film aber sechs Wochen. Aspergillus tubingensis konnte in einem Versuch innerhalb von zwei Monaten einen Polyester-Urethan-Film vollständig abbauen. Enzymatische Verfahren arbeiten mit hitzestabilen Enzymen bei etwa 70 °C.

Biologisch abbaubare Kunststoffe besitzen Angriffspunkte für mikrobielle Enzyme, die Polymerketten in wasserlösliche Bruchstücke zerlegen. Die meisten der etwa 30 bekannten vermarktungsfähigen Arten sind Polyester, Polyamide, Polyesterurethane oder Polysaccharide. Bessere Abbaubarkeit geht häufig mit schlechteren Werkstoffeigenschaften einher. Polysaccharide wie Stärke und Zellulose sind natürlich abbaubar, aber nicht thermoplastisch schmelzbar. Polyhydroxybuttersäure (PHB) wird von Mikroorganismen als Energiespeicher gebildet und kann durch Fermentation bis zu 90 % ihrer Masse ausmachen. Mögliche Anwendungen biologisch abbaubarer Kunststoffe sind Mulchfolien, Pflanzentöpfe, schlecht recycelbare Lebensmittelverpackungen, Fischernetze und langsam wirkende Düngerhüllen.