RM Rudolf Müller
Schematischer Aufbau von Kunststoffen

Viele Kunststoffe bestehen aus Grundbausteinen, die in identischer Wiederholung kettenförmig aneinander gereiht sind. Foto: Uwe Wagschal / www.pixelio.de

Grundstoffe des Bauens
04. Dezember 2014 | Artikel teilen Artikel teilen

Aufbau und Eigenschaften von Kunststoffen

Kunststoffe sind auch aus dem Baustoffbereich kaum noch wegzudenken. Doch was ist eigentlich – chemisch betrachtet – das besondere Kennzeichen dieser so genannten Polymerverbindungen, die heute in zahlreichen unterschiedlichen Varianten hergestellt werden? Worin unterscheiden sie sich grundsätzlich von anderen Materialien? Und welche Eigenschaften machen Kunststoffe so beliebt?

Die Chemie der Kunststoffe ist ein Teilgebiet der organischen Chemie. Ich weiß noch, wie mich dieser Satz, den ich erstmals in der Schule gehört habe, anfangs in Erstaunen versetzt hat. Wieso nur packt man tote Materie in eine Schublade mit den Bausteinen des Lebens, mit dem Zellaufbau von Menschen, Tieren und Pflanzen? Was um alles in der Welt hat „Plastik“ – der Inbegriff der Künstlichkeit – mit solchen organischen Verbindungen zu tun?

Verbindungen auf Kohlenstoffbasis

Die Antwort ist letztlich einfach: Sowohl Lebewesen als auch Kunststoffe bestehen aus großen Makromolekülen, die auf Kohlenstoffverbindungen basieren. Der menschliche Körper etwa enthält neben Wasser vor allem Stoffe wie Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße, Vitamine und Enzyme. Und natürlich die DNA-Stränge in den Zellkernen – also das Erbgut. Bei all diesen lebendigen Bausteinen handelt es sich um Kohlenstoffverbindungen, deren molekulare Struktur große Ähnlichkeit mit der Chemie synthetischer Kunststoffe hat.

Vor diesem Hintergrund wird es verständlich, dass die ersten Kunststoffe, die der Mensch erfunden hat, Biopolymere waren, die zum Beispiel aus natürlichen Harzen gewonnen wurden. Aber auch unsere modernen, meist rein synthetisch hergestellten Kunststoffe bestehen eben aus Makromolekülen, in denen Kohlenstoffatome die Hauptrolle spielen. Daneben enthalten sie in der Regel nur wenige andere Elemente. Dazu gehören vor allem Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Chlor, Schwefel und Fluor.

Die Grundbausteine eines Kunststoffes bezeichnet man auch als Monomere. Das sind reaktionsfähige Moleküle, die sich bei der Herstellung von Kunststoffen zu großen Makromolekülen verbinden – den so genannten Polymeren. Solche Makromoleküle bestehen oft aus mehreren tausend identischen Monomeren. Der Begriff Polymer stammt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie „aus vielen gleichen Teilen aufgebaut“.

Thermoplaste – Duroplaste – Elastomere

Die Welt der Kunststoffe ist vielfältig und deshalb auch ziemlich unübersichtlich. Ein wenig Orientierung bietet die Unterteilung der Polymere in drei große Gruppen: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere.

Thermoplaste bestehen aus vielen langen, fadenförmigen Molekülketten, die untereinander nicht verknüpft sind. Zu dieser Gruppe gehört auch der weltweit am meisten produzierte Kunststoff Polyethylen (PE). Für den Baubereich werden zum Beispiel Folienwerkstoffe und Rohre aus PE hergestellt. Auch Polystyrol, der Ausgangsstoff für Kunststoffschäume wie Styropor, gehört zu den Thermoplasten. Ebenso Polyvinylchlorid (PVC), aus dem man unter anderem Fensterrahmen und Bodenbeläge fertigt. Thermoplaste schmelzen bei Hitzezufuhr und lassen sich dann beliebig verformen. Nach dem Abkühlen behalten sie zwar ihre jeweilige Form bei, aber durch erneutes Erhitzen kann man die Formteile auch wieder einschmelzen.

Duroplaste dagegen sind Kunststoffe, die sich nach dem Erhärtungsprozess nicht wieder durch erneutes Erwärmen verformen lassen. Sie sind härter und spröder als Thermoplaste und bestehen auch nicht aus Molekülketten, sondern aus netzartig angeordneten Molekülverbindungen. Duroplaste schmelzen auch bei größerer Hitze nicht. Wird die Temperatureinwirkung zu groß, tritt vielmehr ein rascher Zersetzungsprozess ein. Im Baubereich kommen sie insbesondere als Kunstharze zum Einsatz – zum Beispiel in vielen Fliesenklebern.

Unter dem Begriff Elastomere schließlich fast man alle Kunststoffe mit gummiartigen Eigenschaften zusammen. Diese Materialien kann man bereits mit der bloßen Hand vorübergehend verformen, sie schnellen aber wieder elastisch in ihre Ausgangslage zurück, wenn die äußere Krafteinwirkung nachlässt. Durch Erwärmung werden sie nicht weich. Genauso wie Duroplaste sind auch Elastomere netzartig aufgebaut, allerdings ist ihre Teilchenstruktur „weitmaschiger“ . Im Baubereich kommen Elastomere zum Beispiel als Silikonkautschuk für Bewegungsfugen zum Einsatz, aber auch für elastische Dichtungsprofile sowie für Dach- und Dichtungsbahnen.

Vor- und Nachteile von Kunststoffen

Schematischer Aufbau von Polyethylen

Kunststoffklassiker: Polyethylen (PE gehört zu den Thermoplasten und besteht ausschließlich aus Kohlenstoff und Wasserstoffatomen.

So vielfältig die Welt der Polymere, so vielfältig sind auch ihre Eigenschaften. Es ist eben gerade der große Vorteil von Kunststoffen, dass man ihre technischen Eigenschaften im Labor sehr flexibel „einstellen“ kann. So erschafft sich der Mensch genau das Material, das er für eine bestimmte Anwendung benötigt. Makromoleküle nach Maß sozusagen.

Gleichwohl gibt es eine Reihe von grundsätzlichen Eigenschaften, die mehr oder weniger für die meisten Kunststoffe gelten. Dazu gehört, dass Materialien aus Polymerverbindungen ein vergleichsweise geringes Gewicht haben, dass sie oft wasserdicht und relativ widerstandsfähig gegenüber den meisten Chemikalien sind, dass sie gut zu verarbeiten sind (z. B. Sägen und Bohren), keine Elektrizität leiten und eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit haben. Außerdem ist ihre hohe Verformbarkeit natürlich ein großes Plus, wenn es darum geht, unterschiedlichste Formteile herzustellen.

Zu den eher nachteiligen Eigenschaften von Kunststoffen zählen dagegen die Brennbarkeit, die relativ geringe Festigkeit, die Gefahr der Versprödung durch UV-Licht und die Anfälligkeit gegenüber organischen Lösemitteln. Und natürlich hat auch die hohe Verformbarkeit vieler Kunststoffe nicht nur Vorteile. In Gebäudebereichen, die starker Hitzeeinwirkung ausgesetzt sind (Fassade, Dach) kann der Einsatz von Kunststoffen, die bei hohen Temperaturen nicht dimensionsstabil sind, zu Problemen führen.



Über den Autor Roland Grimm ist seit Februar 2013 freier Journalist mit Sitz in Essen und schreibt regelmäßig Fachwissen-Artikel für BaustoffWissen. Zuvor war er rund sechs Jahre Fachredakteur beim Branchenmagazin BaustoffMarkt und außerdem verantwortlicher Redakteur sowie ab 2010 Chefredakteur der Fachzeitschrift baustoffpraxis. Kontakt: rgrimm1968@aol.com

 

Kunststoff-Additive: Was sind Weichmacher und wie funktionieren sie?

Kunststoffe sind auch aus dem Baustoffbereich kaum noch wegzudenken. Doch was ist eigentlich – chemisch betrachtet – das besondere Kennzeichen...

mehr »
 

Steildach-Belüftung: Funktion von First- und Gratrollen

Kunststoffe sind auch aus dem Baustoffbereich kaum noch wegzudenken. Doch was ist eigentlich – chemisch betrachtet – das besondere Kennzeichen...

mehr »
 

Zusatzmaßnahmen für die Regensicherheit bei geneigten Dächern

Kunststoffe sind auch aus dem Baustoffbereich kaum noch wegzudenken. Doch was ist eigentlich – chemisch betrachtet – das besondere Kennzeichen...

mehr »
Nach oben
nach oben