Kunststoff als Werkstoff in der Industrie
Kunststoff gehört zu den wichtigsten Werkstoffen in der Industrie. Er ist deutlich leichter als Metall, korrosionsbeständig und günstig herzustellen. Mit guten elektrischen und thermischen Isolationseigenschaften sowie hervorragender chemischer Beständigkeit lässt er sich vielfältig einsetzen. Davon profitiert nicht nur der Kunde im Supermarkt, dessen Waren in ihrer Verpackung zuverlässig frisch bleiben, sondern auch der Hersteller selbst. Er verwendet Kunststoff schließlich nicht nur zum Verpacken seiner Ware, sondern auch in allen Prozessen, die dem Verkauf vorausgehen. So wird beispielsweise die Qualität seiner Orangen mit Hilfe von Förderbändern geprüft, bevor das Obst abgewogen, in Netzen verpackt und mit allen essentiellen Informationen auf dem Etikett versehen werden. In diesen Vorgängen kommen verschiedene Arten von Kunststoff zum Einsatz. Es wird zwischen Thermoplasten, Duroplasten und Elastomeren unterschieden. Thermoplaste kommen vor allem bei Verpackungen zum Einsatz, wie auch im Fall unserer Orangen. Duroplaste sind sehr hart und werden für die Konstruktion von Maschinen verwendet, wie etwa beim Laufband, das die Orangen fortbewegt. Elastomere sind hingegen deutlich weicher und finden sich vor allem in Dichtungen und Gummibändern. Gummierte Rollen, die den Maßen der Orangen perfekt angepasst sind und für einfache Handhabung bei der Qualitätskontrolle sorgen, bestehen aus diesem Stoff.
Diese Polymere sind engmaschig vernetzte Strukturen aus Makromolekülen, die wiederum aus Monomeren bestehen und meist auf Kohlenstoff basieren. Sie gehören also zu den organischen Verbindungen. Da die Molekülketten durch kovalente Bindungen vernetzt sind, lassen sich Duroplaste zwar unter Einfluss von Hitze verhärten, aber nicht schmelzen. Sind sie einmal hart, ist ihre Form unveränderlich.
Ein Duroplast entsteht aus niedermolekularen Vorprodukten der Monomere, sogenannte Kunstharze. Diese lassen sich mit Hilfe von Polykondensation oder Polyaddition herstellen. Werden die Harze dann mit Härtern und eventuell auch Reaktionsbeschleunigern, sowie Farbstoffen und Trennmitteln vermischt, erhält man die vielseitigen Duroplaste.
Duroplaste sind bei niedrigen Temperaturen hart und spröde, sodass sie sich mechanisch bearbeiten lassen. Sie können zersägt und geschliffen werden, sind aber in der Regel bereits ihrer finalen Version entsprechend hergestellt, sodass das Bauteil keine weitere Bearbeitung benötigt. Dank ihrer Hitzebeständigkeit werden Duroplaste zum Beispiel bei der Herstellung von Topf- und Pfannengriffen verwendet. Aber auch die Luft- und Raumfahrt setzt auf diesen beständigen Kunststoff.
Diese Art von Kunststoff begegnet uns überall im Alltag. Lange Kohlenstoffketten, die entweder gar nicht oder nur kaum verzweigt sind, streben einen ungeordneten Zustand an. Sie sind lediglich mit sehr schwachen intermolekularen Kräften verbunden, den sogenannten Van-der-Waals-Wechselwirkungen, lassen sich aber mit Hilfe verschiedener chemischer Prozesse in kristalline oder amorphe Thermoplaste unterteilen.
Nimmt die Dichte der Kristalliten zu, wird ein Thermoplast weniger zäh, dafür aber härter und spröder. So ist es auch bei niedrigen Temperaturen beschaffen. Nimmt die Temperatur zu, wird das Material weich und lässt sich plastisch verformen, sodass die Form auch nach dem Abkühlen dauerhaft beibehalten wird. Bei weiterer Hitzezufuhr schmilzt das Material komplett, sodass es in eine neue Form gegossen und ein ganz neues Bauteil hergestellt werden kann. Ganz anders als bei den Duroplasten lässt sich dieser Prozess beliebig häufig wiederholen. Deshalb werden Thermoplaste häufig als Verpackungsmaterialien, wie beispielsweise im Fall von Trinkflaschen, eingesetzt, denn dieser Werkstoff ist recyclebar.
Genau wie die anderen Kunststoffe bestehen auch Elastomere aus langen Molekülketten und sind mit kovalenten Verbindungen untereinander vernetzt. In ihren Eigenschaften unterscheiden sich die Elastomere von den Duroplasten und Thermoplasten aber grundlegend, denn die Dichte der Vernetzungspunkte ist deutlich geringer. Die Kettenmoleküle der Elastomere streben nach Entropie, sodass Polymerknäuel entstehen. Mechanische Kraft, die auf diese Knäuel eingeübt wird, entdrillt die Strukturen, sodass sich das Material dehnt.
Elastomere sind also elastisch. Ihr Dehnverhalten basiert auf der statisch-dynamischen Balance zwischen Ordnung und Entropie. Werden sie auf Spannung gebracht, strahlen sie Wärme aus, die wiederum zum erneuten Zusammenführen dient, sobald die zugeführte mechanische Kraft abnimmt.
Mechanisch verhalten sich Elastomere wie Duroplasten, wenn sie bei niedrigen Temperaturen gehalten werden. Wird Wärme bis zum Glasübergangspunkt hinzugefügt, wird das Material überaus elastisch. Erst bei sehr hohen Temperaturen zersetzt sich das Polymer.
Jede der drei Arten von Polymeren begegnet uns im Alltag. Kunststoff ist deshalb ein so wichtiger Werkstoff, da er vielseitig einsetzbar ist und je nach Bedarf angepasst werden kann.
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