Georg Abts

Kunststoff-Wissen für Einsteiger

Grundlagen, Eigenschaften und Recycling polymerer Werkstoffe

4., aktualisierte und erweiterte Auflage

Dipl.-Ing. Georg Abts arbeitete nach seinem Studium 20 Jahre in der damaligen Abteilung Anwendungstechnik des Geschäftsbereichs Kautschuk der Bayer AG, Leverkusen. Danach wechselte er in den Geschäftsbereich Polycarbonates der Covestro AG (ehemals Bayer MaterialScience AG). Er ist Mitglied des CAMPUS-Arbeitskreises und blickt heute auf eine über 30-jährige Erfahrung mit polymeren Werkstoffen zurück.

Er ist darüber hinaus Autor des Buches: Einführung in die Kautschuktechnologie, Carl Hanser Verlag, 2019, 978-3-446-45461-3

Synthetische Polymerwerkstoffe sind im Vergleich zu Metallen und Keramik eine relativ junge Werkstoffklasse, die mittlerweile aber einen Spitzenplatz unter den modernen Werkstoffen erobert hat. Kunststoffe besetzen nicht nur die Lücke zwischen natürlichen Werkstoffen wie Holz oder Keramiken einerseits und hochfesten metallischen Werkstoffen andererseits. Sie haben sich in vielen Fällen auch als günstige Alternativen für diese Materialien durchgesetzt.

Ein wesentlicher Vorteil von Kunststoffen ist ihre geringe Dichte. Verpackungen aus Kunststoff sind leichter und bruchfester als Glas. Gebäude werden durch Kunststoffe vor Wärmeverlusten geschützt, Fahrzeuge werden leichter, elektrische Geräte sicherer. Zudem erfordert die Herstellung von Kunststoffen einen geringeren Bedarf an Primärenergie als die Produktion von Metallen oder keramischen Werkstoffen. Damit tragen Kunststoffe auch zu einem verminderten Ausstoß an Kohlendioxid bei. Weiterhin ermöglichen Kunststoffe eine einfache und effiziente Herstellung geometrisch komplexer Produkte mit weitaus mehr Gestaltungsfreiheit als Metalle oder keramische Werkstoffe.

Somit haben Kunststoffe sich aus der ursprünglich zugedachten Rolle als Ersatzprodukte für edle Naturstoffe wie Elfenbein oder für knapper werdende Rohstoffe wie Naturkautschuk längst zu einer eigenständigen Werkstoffklasse weiterentwickelt. Durch immer weiter steigende Anforderungen und neue Anwendungsgebiete hat sich auch das Spektrum der verfügbaren Kunststoffe erheblich erweitert. Kunststoffe bieten oft maßgeschneiderte Lösungen für moderne technische Herausforderungen.

→ Daher sind Kunststoffe für viele Einsatzgebiete unverzichtbar.

Waren Kunststoffe vor einigen Jahren durchweg mit einem positiven Image belegt, hat sich dieses Bild aufgrund der zunehmenden Wahrnehmung der Bevölkerung für die Belastung der Umwelt mit Kunststoffabfällen inzwischen gewandelt. Die durch Kunststoffabfälle verursachte Vermüllung unseres Planeten, insbesondere der Meere (Marine-Litter), stellt vermutlich eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts dar. Zwar stammt der überwiegende Anteil des in die Meere eingetragenen Kunststoffmülls aus Ländern ohne ausgeprägtes Abfallmanagement, es ist jedoch zu einfach, mit dem Finger auf die Länder zu zeigen, die bis vor kurzem bereitwillig einen Teil des Kunststoffabfalls der Industriestaaten importiert haben, oder die nun die Schwelle zur Industrienation überschritten haben, was mit einem erhöhten Bedarf an Konsumgütern und individueller Mobilität einher geht.

Allerdings lassen auch die in den Industriestaaten etablierten Systeme zur Verwertung von Abfällen keine sortenreine Trennung von Kunststoffen zu. Selbst dann stellt sich noch die Problematik des Recycelns, da auch sortenreine Kunststoffe noch vielfältige Variationen ihrer Zusammensetzung aufweisen. Zudem führt die wiederholte thermische Behandlung zu einem immer weiter fortschreitenden Abbau der Polymerketten und damit zum Verlust mechanischer und thermischer Eigenschaften. Kunststoffmüll lässt sich aber schon dadurch reduzieren, indem bereits vor der geplanten Verwendung über den späteren Verbleib in der Umwelt nachgedacht wird. Beispielsweise ist eine übertriebene Verpackung preiswerter Konsumgüter ebenso vermeidbar wie die Verwendung von winzigen Kunststoffteilchen (Mikroplastik) als Reibkörper in Kosmetikartikeln.

Allerdings ist ein vollständiger Ersatz von Kunststoffen auf Basis fossiler Rohstoffe wie Erdöl oder Erdgas schlichtweg nicht realisierbar. Der Weg zurück zu Metallen, Glas oder keramischen Werkstoffen ist aufgrund des deutlich höheren Energieverbrauchs bei der Herstellung und beim Transport nicht gangbar. Auch Papier, selbst mit sehr hohem Anteil Altpapier, zeigt eine schlechtere Ökobilanz als Kunststoff. Zwar lassen sich Kunststoffe für Verpackungen, die das größte Anwendungsgebiet ausmachen, teilweise durch Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe ersetzen. Diese wiederum beanspruchen aber ebenfalls Anbauflächen und Wasser und stehen damit in Konkurrenz zur Produktion von Lebens- und Futtermitteln für die wachsende Weltbevölkerung und deren Nutztiere. Zudem lassen sich hochwertige Kunststoffe allein auf diese Weise nicht gewinnen. Auf der anderen Seite erfüllen kompostierbare Produkte bei weitem nicht die Anforderungen anspruchsvoller technischer Produkte hinsichtlich mechanischer und insbesondere thermischer Beständigkeit sowie der geforderten Langlebigkeit. Außerem verführen sogenannte „Biokunststoffe“ wiederum zu einem Anstieg von Einwegartikeln, die womöglich achtlos weggeworfen werden.

Ein absoluter Verzicht auf Kunststoffe würde unausweichlich mit einem Verzicht auf individuelle Mobilität, Verzicht auf moderne Konsumgüter, Verzicht auf Lebensqualität, aber dafür mit deutlich ansteigenden Emissionen einhergehen. Gleichwohl bleibt festzustellen, dass es Anwendungen gibt, bei denen der Kunststoffanteil reduziert werden kann, oder der Einsatz recycelter Kunststoffe möglich ist.

Dieses Buch soll dazu beitragen, die komplexe Vielfalt der Kunststoffe besser zu verstehen und auf ihre positiven Eigenschaften aufmerksam zu machen.

Nach einem historischen Rückblick auf die Entwicklung der Werkstoffe werden die verschiedenen Arten synthetischer Werkstoffe von den traditionellen Werkstoffen auf metallischer und keramischer Basis abgegrenzt und ihre Vor- und Nachteile erläutert. Aufgrund ihrer wirtschaftlichen Bedeutung liegt der Schwerpunkt auf den Thermoplasten, deren wichtigste Vertreter mit einem kurzen Eigenschaftsprofil vorgestellt werden. Daneben werden aber auch die Werkstoffklassen der Elastomere und Duroplaste charakterisiert, um das Spektrum der synthetischen Werkstoffe vollständig aufzuzeigen. (Zur detaillierteren Beschreibung der Elastomere sei auf mein Buch „Einführung in die Kautschuktechnologie“ verwiesen).

Zudem werden auch Verbundwerkstoffe beschrieben, die insbesondere im Leichtbau eine immer größere Bedeutung gewinnen. Ein weiteres Kapitel befasst sich mit den am meisten verbreiteten Verarbeitungsverfahren, dieses enthält auch einen kurzen Abriss über die Möglichkeiten der additiven Fertigung. Einige Prüfverfahren und Werkstoffkenngrößen werden vorgestellt, um einen Bezug zu den in den Werkstoffbeschreibungen der Hersteller gegebenen Daten zu bieten. Die noch relativ neuen Biokunststoffe werden vorgestellt und die Thematik des Kunststoffmülls sowie die Problematik des Recyclings ausführlich besprochen.

→ Insofern hoffe ich, dass dieses Buch eine möglichst neutrale Grundlage für eine sachliche Diskussion bieten kann.

Ich bedanke mich bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Hanser Verlags, insbesondere bei Ulrike Wittmann für ihre Unterstützung als Lektorin sowie Jörg Strohbach für die Umsetzung und Produktion dieses Buches.

Georg Abts, April 2020