Einführung in die Kunststofftechnik

Recycling: Rückführung von Produktions- und Konsumabfällen (auch: Abwärme) in den Wirtschaftskreislauf

1. Vermeiden
2. Vermindern
3. Verwerten
4. Verbrennen
5. Deponieren

Abfälle aus der Herstellung

• Verschnitt oder nicht qualitätsgerechte Erzeugnisse
• Sauber, sortenrein, an wenigen Standorten konzentriert

Abfälle aus der Verarbeitung

• Verschnitt oder nicht qualitätsgerechte Erzeugnisse
• Sauber, sortenrein, an mehreren Standorten

Abfälle aus dem Konsum oder nach der Nutzung

• nicht sauber, vermischt, an vielen Standorten

Sortenreine Kunststoffe

• Physikalische und chemische Alterung -> Veränderung von Molmasse, Verzweigungsgrad, Farbe, Kristallinität
• Undefinierter Gehalt an Stabilisatoren -> Veränderung durch Verbrauch, Zersetzung, Vermischung

• Verträglichkeit der Kunststoffsorten

Während der Verarbeitung:

• thermischer Abbau
• mechanischer Abbau
• oxidativer Abbau
• hydrolytischer Abbau
• chemischer Abbau

Nach der Verarbeitung:

• oxidativer Abbau
• hydrolytischer Abbau
• chemischer Abbau
• radiochemischer Abbau
• Photoabbau
• Bioabbau

• Gute Werkstoffeigenschaften (Substituition von Neuware)
• Hoher Rezyklatanteil (ideal: 100 %)
• Wirtschaftlich
• Positive Ökobilanz

• Werkstoffliches Recycling: ca 40%
• Umschmelzen von Thermoplasten in neues Kunststoffprodukt (meist Downcycling, zB. Plastikpalletten)

• Rohstoffliches Recycling: ca 1%
• Pyrolyse und Hydrolyse von Kunststoffen mit anschließender Polymerisation -> neue Rohstoffe

• Energetisch: ca 55%
• verbrennen von Kunststoffabfällen zur Energiegewinngung

Sortenrein

• Hydrolyse: Spaltung durch Druck, Temperatur (300 °C), Wasserdamp
• -> Monomere

• Hydrierung: Spaltung der Kunststoffe bei hoher Temperatur (400-500°C) und hohem Druck (100-200 bar) in Anwesenheit von Wasserstoff H 2 
• -> erdölähnliches Ölgemisch
• Pyrolyse: Thermische Spaltung (400-800°C) unter Sauerstoffabschluss
• -> Gase, Öle und ein fester Reststoff

Nachteil: teuer und aufwändig

Thermoplaste  

• Extrusion 
• Spritzgießen

Duroplaste

• Partikelrecycling

Elastomere

• Einsatz als Füllstoff in Neuware
• Ausformung nach Zerkleinerung
• Regenerierverfahren (keine praktische Bedeutung)

Elastischer Bereich: Valenzwinkelstreckung und Abstandsveränderung. Spontane Dehnung der Bindungswinkel und Abstände. Energieelastischer Prozess, da die innere Energie verändert wird.

Visko-elastischer Bereich:

Feder: Auf die Segmente der Molekülkette wirkende Rückstellkraft um Kettenorientierungen in Richtung maximaler Entropie zurückzustellen.

Dämpfer: Widerstand der Molekülketten gegen Entschlaufen bereits existierender Verschlaufungen und molekularer Reibung während des Vorgangs. Ver- und Entschlaufungsvorgänge bedürfen einer gemeinsamen Bewegung von vielen Molekülabschnitten zur gleichen Zeit, daher ist nur eine zeitlich verzögerte Reaktion möglich.

Viskoser Bereich: Verschiebung mit Schwerpunktsverlagerung. Einzelne Makromoleküle gleiten aufeinander ab. Der Reibungsfluss der Moleküle bestimmt den Gleichgewichtsfluss η.

siehe bild

Das Boltzmannsche Superpositionsgesetz besagt:

Die Art des Kunststoffes entscheidet darüber, ob er oberhalb oder unterhalb der Glasübergangstemperatur verwendet werden kann.

• Amorphe Thermoplaste: Einsatz nur unterhalb der Glasübergangstemperatur sinnvoll.
• Teilkristalline Thermoplaste: Der Einsatz über die Glasübergangstemperatur hinaus ist bei reduzierten Ansprüchen an die Festigkeit möglich. Die Schmelztemperatur bildet meistens die obere Einsatzgrenze.
• Elastomere: Einsatz grundsätzlich oberhalb der Glasübergangstemperatur. Die obere Temperaturgrenze dieser Materialien ist ihre jeweilige Zersetzungstemperatur.
• Duroplaste: Einsatz bis unterhalb der Zersetzungstemperatur möglich, aber verschlechterung der Eigenschaften bei überschreiten der Glasübergangstemperatur

1. Einzugszone
2. Kompressionszone
3. Ausstoßzone

• L/D für Spritzguss 20-23
• L/D für Extrusion 20-30

Das Pucksche Knie ist der Knick (Abfall des E-Modul) im Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Faserverbundlaminats (zB. 0°+90°). Es kommt dadurch zustande, dass die Faser-Matrix Haftung der Laminatschicht senkrecht zur Belastungsrichtung als erstes Versagt und somit keine Last mehr aufnehmen kann. Der Komplette Verbund versagt allerdings erst wenn die parallele Laminatschicht versagt.

Stein- und Braunkohle können durch Hydrieren in Kohlenwasserstoffe (aliphatische und aromatische) umgewandelt und so zur Synthese von Polymeren eingesetzt werden.

Bergius-Verfahren (direkte Kohleverflüssigung): Stein- und Braunkohle vermischt mit Teer und Mineralöl + H2, Kat. 450-490°C; 200-700 bar

Fischer-Tropsch-Verfahren (Kohlenmonoxid-Hydrierung) siehe Bild 

Makromoleküle sind Moleküle, die aus sehr vielen Atomen bestehen und damit ein relativ großes Molekulargewicht haben.

Geprägt wurde der Begriff durch Herrman Staudinger

langkettige Kohlenwasserstoffe:

• 1.000 -100.000 Einheiten lang
• 10^4  -10^6 (10^7 ) g/mol

Hauptvalenzbindungen

• in der Kette (C-C, C-O, C-H, C-N)
• Kovalente Bindungen (Elektronenpaarbindung)

Nebenvalenzbindungen

• zwischen den Ketten
• Van-der-Waals (Dispersionskräfte, Dipol-Dipol-Kräfte, Induktionskräfte)
• Wasserstoffbrückenbindungen

wirken allgemein in der Materie. Sie sind umso höher, je näher die Moleküle zueinander liegen und sind damit besonders groß in den kristallinen Bereichen. Mit zunehmender Temperatur sinkt die Bindungsstärke durch die zunehmende Wärmebewegung.

Wenn in einer Substanz polare Gruppenvorhanden sind, so kommt es zu einer Anziehung von benachbarten polaren Kettenmolekülen. Die Dipolkräfte sind weniger temperaturabhängig und sie wirken über größere Distanzen als die Dispersionskräfte.

Besitzt zur Zeit der Annäherung von zwei Atomen nur ein Atom eine Ladungsverschiebung (Dipol), so kann es bei dem anderen Atom eine Ladungsverschiebung induzieren, so dass wiederum der positiv polarisierte Teil des einen Atoms den negativ polarisierten Teil des anderen Atoms anzieht. 

Die sehr starken Anziehungskräfte, die sich durch Wasserstoffbrücken ergeben, entstehen durch die hohe Affinität benachbarter Sauerstoff- und Wasserstoffatome aus verschiedenen Molekülketten. Die Brücken lösen sich erst  bei hoher Belastung, bauen sich jedoch sofort wieder kettenartig nach einer Verschiebung auf. Polyamide verdanken dieser Art Nebenvalenzkräften ihre besonderen mechanischen Eigenschaften. Die Temperaturabhängigkeit ist hier recht gering.

• Dispersionskräfte 0,1%-0,2%
• Dipol-Dipol-Kräfte 0,5%-2%
• Induktionskräfte 0,05%-0,2%
• Wasserstoffbrückenbindungen 2%-10%

Polymere:

• 10^4 - 10^6 (10^7) g/mol
• Verschlaufungen (entanglements) möglich
• Gestreckte Länge eines Makromoleküls ≈ 2 µm
• Analogie: D = 1 mm, L = 2 – 200 m

Oligomere:

• 10^2 - 10^4 g/mol
• keine Verschlaufungen

Einteilung nach Bildungsart:

•  Additionspolymerisation als Kettenreaktion (Polymerisation)
• Kondensationspolymerisation (Polykondensation)
• Additionspolymerisation als Stufenreaktion (Polyaddition)
• Abwandlung von Naturprodukten

Einteilung nach Verarbeitungsmöglichkeit:

• Thermoplaste: Kettenmoleküle
• Duroplaste: engmaschige Netzmoleküle
• Elastomere: weitmaschige Netzmoleküle
• Thermoplastische Elastomere

• Additionspolymerisation als Kettenreaktion (Polymerisation)
  • Polyethen PE
  • Polypropylen PP
  • Polystyrol PS
  • Polyvinylchlorid PVC
  • Polytetraflourethylen PTFE
• Additionspolymerisation als Stufenreaktion (Polyaddition)
  • Epoxidharz EP
  • Vinylesterharz VE
  • Polyurethan PUR
• Kondensationspolymerisation (Polykondensation)
  • Polyamide PA
  • Polyethylenterephtalat PET
  • Polycarbonat PC
  • Polyetheretherketon PEEK
  • Polyesterharz UP-Harz
  • Phenolharz PF-Harz

  Neue Nomenklatur nach IUPAC Literatur

• Initiator(Radikal) startet Kettenreaktion durch aufspalten eines Monomers
• Kettenaufbau
• Abbruch durch Reaktion mit freiem Radikal

teilkristalliner Thermoplast

Monomer: Ethen (CH2)

Herstellung: Additionspolymerisation als Kettenreaktion von Ethen

Anwendung:  Kunststoffkraftstoffbehälter KKB, Rohre, Abfallbehälter, Haushaltswaren (Eimer, Wäschekörbe)

Hochdruck-PE (PE-LD): weich und besonders flexibel, Einsatztemperatur -50°C bis +60°C

Niederdruck-PE (PE-HD):  steifer und abriebfester als PE-LD, Einsatztemperatur -50°C bis +90°C

Beständigkeit: 

• beständig gegen Wasser, viele Säuren, Laugen und Salzlösungen
•  bedingt beständig gegen Öle, Treibstoffe und organische Lösemittel (neigt je nach Dichtegrad zum Aufquellen)

amorph oder teilkristalliner Thermoplast

Herstellung: Additionspolymerisation als Kettenreaktion

Anwendung: Becher, Verpackungen (transparent), Wärmedämmung (schäumbar)