Thermoplaste

Definition von Thermoplasten

Thermoplasten sind, wie schon erwähnt, eine Untergruppe der Kunststoffe. Das Wort ist aus dem Altgriechischen von thermós und plássein abgeleitet und bedeutet so viel wie "warm" oder "heiß" und "bilden"/"formen". Der Name der Kunststoff-Gruppe verrät somit die wichtigste Eigenschaft der Thermoplaste.

Die Verformung ist reversibel, das bedeutet, durch wiederholtes Erhitzen kann man den Thermoplast erneut verformen. Jedoch nimmt die Qualität des Thermoplast stetig mit jeder Wärmebehandlung ab.

Aufbau und Struktur von Thermoplasten

Thermoplasten sind aus langen Molekülketten, genauer gesagt Kohlenstoffketten aufgebaut. Die einzelnen Bauteile für diese Molekülketten nennt man Monomere. Die einzelnen Monomere sind miteinander, zu langen, nur wenig verzweigten Molekülketten verbunden. Der aus vielen Molekülketten bestehende Thermoplast wird auch als Polymer bezeichnet.

Anders als bei den Duroplasten oder Elastomeren, sind die einzelnen Ketten der Thermoplaste nur über schwache physikalische Bindungen, in der Chemie auch Van-der-Waals-Kräfte genannt, verbunden. Die Molekülketten der Duroplasten und Elastomeren sind hingegen über kovalente Bindungen, auch Elektronenpaarbindungen genannt, verknüpft.

Je nachdem, wie die Kohlenstoffketten des Thermoplast angeordnet sind, können zwei Zustände in der festen Form der Thermoplaste auftreten:

• Die Kohlenstoffketten liegen fast parallel zueinander. Durch diese Anordnung können die Van-der-Waals-Kräfte besonders gut wirken. Thermoplasten sind in diesem Zustand also sehr hart und stabil.
• Die Kohlenstoffketten liegen ungeordnet vor und verbinden sich somit knäuelartig. Da Van-der-Waals-Kräfte hier nicht so gut wirken können, sind die Kunststoffe in diesem Zustand nicht so stabil.

Den geordneten Zustand der Kohlenstoffketten nennt man kristallin, während der ungeordnete Zustand als amorph bezeichnet wird. Je nachdem, wie ein Thermoplast aufgebaut ist, unterscheidet man zwischen sogenannten teilkristallinen Thermoplasten und amorphen Thermoplasten.

Teilkristalline Thermoplaste

Besteht ein Thermoplast neben amorphen Teilen auch aus einigen kristallinen Bereichen, so bezeichnet man ihn als teilkristallinen Thermoplast. Je mehr kristalline Bereiche ein teilkristalliner Thermoplast besitzt, desto härter und spröder ist er. Thermoplast, die ausschließlich aus kristallinen Bereichen aufgebaut sind, gibt es nicht.

Amorphe Thermoplaste

Thermoplaste, die ausschließlich aus unregelmäßig angeordneten Molekülketten bestehen, nennt man amorphe Thermoplaste. Sind die Temperaturen niedrig, und ein amorpher Thermoplast somit fest, so ähnelt dessen Eigenschaften in diesem Zustand den Eigenschaften von Glas. Der Kunststoff ist in diesem Zustand transparent, hart und spröde. Dieser Bereich wird deshalb auch als Glasbereich bezeichnet.

Eigenschaften von Thermoplasten

Du kannst Thermoplaste anhand ihres aktuellen Zustands in vier verschiedene Kategorien einteilen. Diese Zustände entsprechen dabei nicht den Aggregatzuständen, vielmehr bilden sie eine genauere Einteilung anhand der Eigenschaften des jeweiligen Zustands.

Hartelastischer Zustand

Sind die Temperaturen gering, so befindet sich der Thermoplast im hartelastischen Zustand. Im hartelastischen Zustand sind Thermoplaste hart, spröde und glasartig. Viele Van-der-Waals-Kräfte können sich dabei ausbilden, sodass die einzelnen Kohlenstoffketten fest miteinander verbunden sind. Daher sind Thermoplaste im hartelastischen Zustand unbeweglich und können nicht verformt werden.

Thermoelastischer Zustand

Erhöht man die Temperatur eines Thermoplasts, der sich im hartelastischen Zustand befindet, so wird dieser elastischer. Im thermoelastischen Zustand kannst Du den Thermoplast verformen. Wie der Name des Zustands verrät, ist diese Veränderung nicht dauerhaft, sondern nur elastisch, also temporär. Das bedeutet, dass der Thermoplast immer wieder in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Der Grund hierfür sind die Van-der-Waals-Kräfte, die in diesem Stadium immer noch groß genug sind, sodass der Thermoplast seine Form nicht dauerhaft verändern kann.

Thermoplastischer Zustand

Erhitzt man den Thermoplast noch weiter, so gelangt dieser in den thermoplastischen Zustand. Im thermoplastischen Zustand wirken die Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Kohlenstoffketten nicht mehr. Somit können diese aneinander vorbeigleiten und sich neu anordnen, wodurch der Thermoplast verformt wird. Nach dem Abkühlen des Thermoplasts bleiben diese Verformungen dauerhaft erhalten.

Thermische Zersetzung

Thermoplaste können im Gegensatz zu anderen Stoffen wie Wasser keinen gasförmigen Aggregatzustand annehmen, wenn sie stark erhitzt werden. Erhitzt man einen Thermoplast über die Zersetzungstemperatur, so setzt die sogenannte thermische Zersetzung ein. Dabei wird der Kunststoff zerstört. Die Kohlenstoffketten bewegen sich durch die hohe Temperatur so stark, dass die Molekülketten des Thermoplast zerreißen und somit in ihre einzelnen Bausteine geteilt werden. Die thermische Zersetzung ist irreversibel, kann also nicht rückgängig gemacht werden.

In der folgenden Tabelle siehst Du die Eigenschaften der Thermoplasten in dem jeweiligen Zustand:

Herstellung von Thermoplasten

Wie Du schon weißt, besteht ein Thermoplast aus Monomeren. Es gibt unterschiedliche Verfahren, mithilfe derer diese Monomere zu Polymeren verknüpft werden können. So kannst Du Thermoplaste durch folgende Prozesse herstellen:

• Polymerisation,
• Polyaddition,
• oder Polykondensation

Polymerisation

Bei einer Polymerisation werden organische Monomere, die mindestens eine Doppelbindung besitzen, durch das Auflösen dieser Doppelbindung zu Polymeren verknüpft. Es entstehen keine Nebenprodukte und die entstandenen Polymere werden auch als Polymerisate bezeichnet.

Polyaddition

Bei der Polyaddition reagieren zwei Monomere, die jeweils mindestens zwei unterschiedlichen funktionellen Gruppen besitzen, miteinander. Dabei wird, wie bei der Polymerisation, kein Nebenprodukt abgespalten. Den durch Polyaddition entstandenen Kunststoff nennt man auch Polyaddukt.

Polykondensation

Bei der Polykondensation verbinden sich zwei Monomere mit jeweils zwei unterschiedlichen funktionellen Gruppen zu. Kunststoffe, die auf diese Weise entstehen, sind sogenannten Polykondensate. Anders als bei den anderen beiden Verfahren entsteht bei dieser Reaktion ein Nebenprodukt. Am häufigsten spaltet sich bei einer Polykondensation Wasser (H₂O) ab, aber auch andere kleine Moleküle wie Chlorwasserstoff (HCl) oder Ammoniak (NH₃) können Nebenprodukte von Polykondensationen sein.

Verwendung von Thermoplasten

Thermoplasten sind sehr vielfältig und werden somit in den verschiedensten Branchen eingesetzt. Deswegen nimmt man eine weitere Einteilung der Thermoplaste vor. Dabei werden die Kunststoffe nach ihrer Temperaturbeständigkeit und ihrem Verwendungsgebiet in drei unterschiedliche Kategorien eingeteilt:

• Standardkunststoffe
• technische Kunststoffe
• Hochleistungskunststoffe

Standardkunststoffe

Standardkunststoffe können kostengünstig in großen Mengen produziert werden. Sie sind nicht so temperaturbeständig wie Hochleistungskunststoffe, aber dafür sehr vielseitig einsetzbar. Dadurch haben sie einen sehr großen Marktanteil. Zu den Standardkunststoffen gehören unter anderem die Kunststoffe:

• Polyethylen (PE)
• Polypropen (PP)
• Polyvinylchlorid (PVC)
• Polystyrol (PS)

Technische Kunststoffe

Technische Kunststoffe werden auch als Technokunststoffe oder Konstruktionswerkstoffe bezeichnet und besitzen im Gegensatz zu Standardkunststoffen eine höhere mechanische Festigkeit und Wärmebeständigkeit. So können technische Kunststoffe etwa besser Stoß- und Schlagenergie aufnehmen, was Vorteile in verschiedenen technischen Anwendungen haben kann.

Hochleistungskunststoffe

Hochleistungskunststoffe zeichnen sich hauptsächlich durch ihre höhere Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu den anderen beiden Arten von Thermoplasten aus. Hochleistungskunststoffe findest Du aufgrund dessen auch unter den Namen Hochtemperatur-Kunststoffe, Hochleistungsthermoplaste oder Hightech-Kunststoffe.

Aufgrund ihrer Eigenschaften kommen sie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie zum Einsatz. Hochleistungskunststoffe sind sehr teuer, da ihre Entwicklung sowie ihre Fertigung äußerst kostenintensiv sind. Daher haben Hochleistungskunststoffe im Vergleich zu anderen Thermoplasten einen geringen Marktanteil von nur etwa einem Prozent.

Thermoplasten – Recycling

Da Thermoplaste plastisch verformt werden können, ist es möglich sie vollständig zu recyceln. So können Thermoplaste neben der Entstehung durch Herstellungsverfahren, auch eingeschmolzen und dann zu neuen Formen weiterverarbeitet werden. Somit können durch die Verwendung von Thermoplasten Ressourcen geschont und Kunststoffe nachhaltig genutzt werden.

Beispiele für Thermoplasten

Du hast mittlerweile viele Namen von Thermoplasten kennengelernt. Einen genaueren Überblick über Thermoplaste, mit denen Du im Alltag oft in Berührung kommst, bekommst Du im folgenden Abschnitt.

Polyethylen (PE)

Polyethylen gehört zu den Standardkunststoffen und ist ein teilkristalliner Thermoplast. Es ist der weltweit am häufigsten verwendete Kunststoff mit einem Marktanteil von etwa 30 Prozent. Die Monomere des Polymers sind, wie der Name schon andeutet, Ethenmoleküle (C₂H₄), die durch Polymerisation verknüpft sind. Polyethylen wird hauptsächlich für Verpackungen verwendet.

Polypropen (PP)

Auch Polypropen, auch Polypropylen genannt, ist ein teilkristalliner Thermoplast, der zu den Standardkunststoffen gehört. Polypropen ist aus Propenmolekülen (C₃H₆) aufgebaut, die ebenfalls durch Polymerisation verknüpft wurden. Im Gegensatz zu Polyethylen ist Polypropen deutlich härter, fester und kann höheren Temperaturen standhalten.

Polypropen ist ein Kunststoff, der in sehr vielen Anwendungsbereichen zum Einsatz kommt. So kommt er oft als Verpackung für Lebensmittel vor, aber auch als Innenausstattung im Pkw oder als Stoff zur Herstellung von Geldscheinen aus Kunststoff.

Polystyrol (PS)

Im Gegensatz zu den vorherigen beiden Thermoplasten kann das Polystyrol sowohl amorph oder teilkristallin sein. Ob Polystyrol amorph oder teilkristallin ist, kommt darauf an, wie der Kunststoff verarbeitet wurde. Polystyrol entsteht durch die Polymerisation des Monomers Styrol (C₈H₈). Bestimmt kennst Du Polystyrol unter dem umgangssprachlichen Namen "Styropor". Polystyrol wird oft als Verpackungsmaterial oder zur Schall- und Wärmedämmung eingesetzt.

Polyvinylchlorid (PVC)

Polyvinylchlorid ist ein amorpher Standardkunststoff, der aus dem Monomer Vinylchlorid (CHCl) besteht. Aus PVC werden unter anderem Schallplatten, aber auch Rohre oder Fußbodenbeläge hergestellt. Durch Zugabe von Weichmachern kann der Thermoplast, der sonst sehr hart und spröde ist, weicher und formbar gemacht werden. Man unterscheidet dadurch zwischen Hart- und Weich-PVC.

Polyethylenterephthalat (PET)

Polyethylenterephthalat besteht aus den beiden Monomeren Ethylenglycol (C₂H₆O₂) und Terephthalsäure (C₈H₆O₄). Der Thermoplast kommt nicht nur in Form von PET-Flaschen vor, sondern zum Beispiel auch als Kunststofffasern in Kleidung. Da Polyethylenterephthalat nicht viel Wasser aufnehmen kann, findest Du den Thermoplast oft als Kunstfaser in Sportbekleidung.