Synthetische Kunststoffe

Synthetische Kunststoffe bestehen aus sehr langen Molekülen, die Chemiker aus kleinen aufbauen; sie lassen sich im weichen Zustand formen und behalten danach ihre Gestalt. Manche werden bei jeder Erwärmung wieder weich, andere härten in der Form für immer aus. Der erste vollsynthetische Kunststoff war das Bakelit, das Leo Baekeland 1907 aus Phenol und Formaldehyd herstellte. Heute werden jährlich mehr als 400 Millionen Tonnen Kunststoffe erzeugt, überwiegend aus Erdöl und Erdgas.

Was es ist

Ein Kunststoff ist ein Werkstoff aus Polymeren, Molekülen, die als lange Ketten aus kleinen Bausteinen aufgebaut sind, oft aus einem einzigen, vielfach wiederholten Baustein, manchmal aus mehreren verschiedenen. Die Länge dieser Ketten und die Art, wie sie zueinander liegen, erlauben es, einen Kunststoff im weichen Zustand zu formen, und lassen ihn die Form behalten, sobald er fest geworden ist. Auch die Natur bildet Polymere: die Cellulose von Holz und Baumwolle, die Eiweiße des Horns, das Harz des Schellacks und den Saft des Kautschukbaums.

Kunststoffe verlassen das Chemiewerk als Granulat oder Pulver, bereit zum Schmelzen und Formen.

Man unterscheidet drei Gruppen. Natürliche Kunststoffe werden weitgehend so verwendet, wie man sie findet, etwa Horn oder Schellack. Halbsynthetische Kunststoffe sind chemisch veränderte natürliche Polymere, etwa Celluloid aus Cellulose oder vulkanisierter Kautschuk. Bei vollsynthetischen Kunststoffen wird das Polymer selbst durch chemische Synthese aus kleinen Molekülen aufgebaut, statt aus einem natürlichen Polymer gewonnen zu werden, auch wenn Füllstoffe wie Holzmehl hinzukommen. Bakelit war der erste; Polyethylen, PVC, Polystyrol und Nylon folgten.

Jedes Jahr werden mehr als 400 Millionen Tonnen Kunststoffe hergestellt, der größte Teil davon aus fossilen Rohstoffen, vor allem Erdöl und Erdgas. Ihre Leichtigkeit und ihr niedriger Preis haben eine Kehrseite im Abfall: Studien der OECD und des Teams von Roland Geyer zeigen beide, dass nur ein kleiner Teil der Kunststoffabfälle recycelt wird. Der Rest wird größtenteils deponiert, verbrannt oder in die Umwelt verloren.

Wie es funktioniert

Kunststoffe teilen sich nach dem Verhalten ihrer Ketten in der Wärme in zwei Familien. In einem Thermoplast halten die Ketten nur durch schwache Kräfte zusammen. Wärme lockert sie, der Werkstoff wird weich und fließt und erstarrt beim Abkühlen wieder; man kann ihn viele Male neu schmelzen und umformen. Polyethylen, PVC, Nylon und die meisten Verpackungen sind Thermoplaste. In einem Duroplast verbinden sich die Ketten beim Formen des Teils durch chemische Bindungen zu einem einzigen Netz. Danach kann der Werkstoff nicht mehr schmelzen, erhitzt verkohlt er. Bakelit und Melamin sind Duroplaste.

Beide Familien werden unterschiedlich verarbeitet. Thermoplaste werden geschmolzen und durch Spritzgießen in eine kalte Form gedrückt, durch Extrudieren als Stäbe, Rohre und Folien durch eine Düse gepresst oder zu Hohlkörpern wie Flaschen geblasen. Duroplaste werden nur ein einziges Mal geformt. Beim Formpressen, dem üblichen Verfahren für Bakelit, legt man eine abgemessene Menge Pressmasse in eine zweiteilige Stahlform zwischen beheizten Platten. Der Stempel einer Presse schließt die Form, Wärme und Druck machen die Masse weich, sodass sie den Hohlraum füllt, und dieselbe Wärme vollendet die Reaktion, die sie aushärten lässt.

Die Pressmasse des Bakelits bestand aus dem Harz und einem Füllstoff, meist Holzmehl, mit dem sie sich schneller pressen ließ. Die Presser formten sie in hydraulischen Pressen zu Radio- und Telefongehäusen, Steckern, Steckdosen und Schaltern, Topfgriffen, Aschenbechern und Dosen, zu Gegenständen also, die Hitze aushalten und den Strom in seinen Leitungen halten mussten.

So geht’s

Polycaprolacton-Granulat wird in heißem Wasser klar und lässt sich dann von Hand zu einem Haken formen.

Ein Thermoplast, der in heißem Wasser weich wird, zeigt, was Kunststoffe so leicht formbar macht. Polycaprolacton, ein synthetischer Polyester, den das Team von Wallace Carothers bei DuPont Anfang der 1930er-Jahre herstellte, schmilzt bei etwa 60 °C und wird als Granulat zum Modellieren und für kleine Reparaturen verkauft, oft unter Namen wie Polymorph. Bringen Sie Wasser zum Kochen, gießen Sie es in eine hitzefeste Schüssel und lassen Sie es einige Minuten auf etwa 60 °C abkühlen. Geben Sie einen Löffel Granulat hinein und warten Sie, bis alle Körner durchsichtig geworden und zu einem Klumpen zusammengeklebt sind.

Heben Sie den Klumpen mit einem Löffel oder einer Zange heraus und warten Sie, bis er sich anfassen lässt. Kneten und formen Sie ihn: Rollen Sie einen Strang, wickeln Sie ein Ende um einen Bleistift, sodass ein Haken entsteht, oder drücken Sie ihn um das Ende eines lockeren Schubladengriffs. Beim Abkühlen wird er wieder weiß und hart; ein Bad in kaltem Wasser beschleunigt das. Stimmt die Form nicht, legen Sie das Stück zurück ins heiße Wasser und beginnen von vorn. Ein Duroplast ließe sich so nicht nacharbeiten.

Gerade abgekochtes Wasser verbrüht, und das Innere des Klumpens bleibt heiß, wenn sich die Oberfläche schon lauwarm anfühlt. Fassen Sie das Granulat mit Löffel oder Zange an, prüfen Sie den Klumpen am Handrücken, bevor Sie ihn kneten, und stellen Sie die Schüssel außer Reichweite kleiner Kinder.

Geschichte und Entwicklung

Natürliche Kunststoffe wurden geformt, lange bevor die Chemie neue schuf. Horn und Schildpatt wurden durch Wärme erweicht und gepresst, und im 19. Jahrhundert formte man Schellack, Guttapercha und vulkanisierten Kautschuk.

Die ersten in Fabriken hergestellten Kunststoffe waren halbsynthetisch. 1862 zeigte Alexander Parkes auf der Internationalen Ausstellung in London das Parkesin aus Cellulosenitrat, doch die Firma, die er 1866 zu seiner Herstellung gründete, scheiterte. 1869 machte John Wesley Hyatt in den Vereinigten Staaten Cellulosenitrat mit Campher geschmeidig und erhielt Celluloid, das Elfenbein, Horn und Schildpatt nachahmen konnte. Hyatt und sein Bruder begannen 1870 in Albany mit der Herstellung.

Ein Telefon der 1930er-Jahre, einer der Gegenstände aus gepresstem Bakelit.

Leo Baekeland, ein belgischer Chemiker in New York, suchte einen Ersatz für Schellack, ein natürliches Harz, das als elektrischer Isolator diente. 1907 fand er heraus, wie er Wärme und Druck bei einem Harz aus Phenol und Formaldehyd steuern musste; beide stammten damals aus der Destillation von Steinkohlenteer und aus Holzgeist. Mit Füllstoffen vermischt ergab das einen harten, pressbaren Kunststoff, der nicht mehr schmolz. Bakelit war der erste vollsynthetische Kunststoff. Baekeland meldete sein Patent 1907 an, erteilt wurde es 1909. Seine ersten großen Märkte fand der Werkstoff in der Elektrotechnik, beim Radio und im Automobilbau.

Danach verstanden die Chemiker, was Polymere sind. Hermann Staudinger vertrat die Ansicht, dass es sich um Riesenmoleküle handelt, um Makromoleküle, und erhielt dafür 1953 den Nobelpreis für Chemie. Chemiefirmen begannen, gezielt neue Kunststoffe zu entwickeln, und 1935 erfand Wallace Carothers bei DuPont das Nylon, einen synthetischen Ersatz für Seide. Nach dem Zweiten Weltkrieg stieg die Kunststoffproduktion steil an.