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Plastik kannst Du Dir bestimmt nicht aus Deinem Alltag wegdenken. So viele Gegenstände, mit denen Du täglich in Berührung kommst, sind aus Plastik gemacht: Deine Zahnbürsten, die meisten Plastikverpackungen von Lebensmitteln, Plastikflaschen, Deine Kleidung und vieles mehr. Doch wusstest Du, dass man Plastik in verschiedene Gruppen einordnet?
Kunststoffe, umgangssprachlich auch Plastik genannt, kann man in drei verschiedene Kategorien einteilen. Neben den Elastomeren und Duroplasten, gibt es auch sogenannte Thermoplasten. Was Thermoplasten genau sind, erfährst Du in dieser Erklärung.
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.
Thermoplaste, manchmal auch als Plastomere bezeichnet, können in einem bestimmten Temperaturbereich dauerhaft verformt werden. Kühlt der Thermoplast ab, wird er fest und behält die Form. Die Verformung ist reversibel, das bedeutet, durch wiederholtes Erhitzen kann man den Thermoplast erneut verformen.
Wichtig ist, dass die Verformung von Thermoplaste nur in einem bestimmten Temperaturbereich möglich ist. Ober- oder unterhalb dieses Temperaturbereiches kann der Thermoplast nicht dauerhaft verformt werden.
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.
Van-der-Waals-Kräfte, auch Van-der-Waals-Wechselwirkungen genannt, sind keine echten chemischen Bindungen zwischen Molekülen. Vielmehr sind Van-der-Waals-Kräfte schwache Anziehungskräfte zwischen Molekülen. Diese Wechselwirkung zwischen Molekülen spielt nur dann eine Rolle, wenn keine andere Wechselwirkung wie die Dipol-Dipol-Wechselwirkung oder eine Ionenbindung vorliegt. Diese anderen Wechselwirkungen sind deutlich stärker als die Van-der-Waals-Kräfte, sodass die Van-der-Waals-Kräfte bei der Existenz von weiteren Wechselwirkungen kaum noch eine Rolle spielen.
Die Van-der-Waals-Kräfte entstehen durch temporäre Dipole. Diese entstehen, wenn sich die Elektronen einer unpolaren Elektronenpaarbindung eines Moleküls temporär ungleich verteilen. Daher sind Stellen des Moleküls negativer geladen als andere. Liegen zwei solcher Moleküle vor, so ziehen sich die positiven Stellen des einen Moleküls und die negativ geladenen Stellen des anderen Moleküls an. Umgekehrt passiert dasselbe.
Auch wenn diese Ladungsverschiebung der Bindung nur temporär ist, bilden sich immer wieder temporäre Ladungsverschiebungen. Dadurch können sich Van-der-Waals-Kräfte zwischen zwei Molekülen ausbilden. Je größer oder länger Moleküle sind, desto mehr Van-der-Waals-Kräfte können zwischen den Molekülen ausgebildet werden.
Je nachdem, wie die Kohlenstoffketten des Thermoplast angeordnet sind, können zwei Zustände in der festen Form der Thermoplaste auftreten:
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.
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.
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.
Zu den amorphen Thermoplasten gehören unter anderem:
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.
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.
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.
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.
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:
| Zustand | Temperatur | Van-der-Waals-Kräfte | Eigenschaften |
| hartelastisch | niedrig | wirken | hart und spröde |
| thermoelastisch | oberhalb der Glasübergangstemperatur | wirken schwächer | elastisch verformbar |
| thermoplastisch | weitere Zugabe von Wärme | wirken nicht mehr | plastisch verformbar |
| thermische Zersetzung | oberhalb der Zersetzungstemperatur | wirken nicht mehr | Kohlenstoffketten werden zersetzt |
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:
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.
Thermoplaste, die durch Polymerisation entstehen, sind unter anderem Polyvinylchlorid (PVC) und Polystyrol (PS).
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.
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.
Ein Thermoplast, der durch Polykondensation entsteht, ist etwa das Polyethylenterephthalat (PET).
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 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:
Vielleicht kommen Dir einige dieser Abkürzungen bekannt vor. Auf vielen Lebensmittelverpackungen und anderen Plastikgegenständen findest Du einen Hinweis darauf, aus welchem Kunststoff der Gegenstand gefertigt worden ist. Besonders PE und PP lassen sich auf Alltagsgegenständen aus Kunststoff wie Lebensmittelverpackungen häufig finden.
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.
Ein sehr bekannter technischer Kunststoff, den Du mit Sicherheit aus Deinem Alltag kennst, ist Polyethylenterephthalat, kurz PET. Aus diesem Thermoplast sind Kunststoffflaschen gemacht, die daher auch als PET-Flaschen bezeichnet werden.
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.
Ein Hochleistungskunststoff, der wohl in den meisten Haushalten zu finden ist, ist Polytetrafluorethylen (PTFE). Häufig wird der Kunststoff auch als Teflon bezeichnet, wobei dies nur der Handelsname des Thermoplast der Firma DuPont ist. Mit Polytetrafluorethylen werden etwa Pfannen und Töpfen, aber auch für Bügeleisen beschichtet.
PTFE ist extrem hitzebeständig, sodass es erst bei etwa 330 °C anfängt zu schmelzen. Außerdem ist Polytetrafluorethylen beständig in Bezug auf Chemikalien wie Laugen, Alkohole, Benzine, Öle und organische sowie mineralische Säuren.
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.
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 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.
Man unterscheidet mehrere Arten von Polyethylen anhand ihrer Dichte:
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.
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 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 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.
Thermoplaste sind Kunststoffe, die in einem bestimmten Temperaturbereich plastisch und reversibel verformt werden können.
Amorphe Thermoplasten sind Kunststoffe, bei denen die Molekülketten ungeordnet, kreuz und quer und knäuelartig vorliegen.
Thermoplasten kommen in den verschiedensten Bereichen zur Anwendung. So sind viele Lebensmittel in Verpackungen aus Thermoplasten verpackt, aber auch Dämmmaterial oder andere Baustoffe wie Rohre bestehen aus Thermoplasten.
Thermoplaste findet man überall im Alltag, egal ob in der beschichteten Pfanne in Form von Polytetrafluorethylen oder als PET-Flasche oder andere Lebensmittelverpackung.
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