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2.2 Grundlegende Eigenschaften von Kunststoffen
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Kunststoffe unterscheiden sich deutlich von anderen Feststoffen, wie Glas, Metallen
oder Keramiken. So weisen sie beispielsweise deutlich niedrigere
Schmelztemperaturen, eine höhere Flexibilität, eine meist deutlich geringere Dichte
sowie eine größere Permeabilität auf. Dies ist neben der chemischen Zusammensetzung
im Wesentlichen auf die Mikrostruktur der Kunststoffe zurückzuführen. Die für die
funktionellen Eigenschaften verantwortlichen Einflussfaktoren sollen hier nun erläutert
werden.
2.2.1 Mikroskopischer Aufbau der Polymere
Polymere stellen eine spezielle Gruppe von Materialien dar, die sich aus
Makromolekülen zusammensetzen. Solche Makromoleküle bestehen aus einer Vielzahl
an Atomen und weisen daher ein sehr großes Molekulargewicht auf. Typisch für
Polymere ist ihr periodischer kettenartiger Aufbau aus kleineren Grundbausteinen, den
sogenannten Monomeren. Hauptbausteine der Monomere von Standardkunststoffen in
der Lebensmitteltechnik sind Kohlen- und Kohlenwasserstoffverbindungen. Diese
werden, je nach Material, durch unterschiedliche Rest- und Seitengruppen ergänzt.
Der Aufbau der Kette aus Monomeren, die Polymerisation, kann dabei auf
unterschiedliche Weise ablaufen. Allgemein zu unterscheiden sind hier Polyaddition,
Polykondensation und radikalische, ionische oder komplexchemische Polymerisation.
Im Folgenden soll jedoch nur auf die für diese Arbeit relevanten Polymerisationsarten
eingegangen werden.
Im Fall von Polyaddition entstehen die Bindungen zwischen den Monomeren durch
Platzwechsel eines oder mehrerer Atome. Es handelt sich dabei um eine chemische
Gleichgewichtsreaktion, die stark in eine Richtung verschoben ist. Dennoch kann sie
durch dosierte Zugabe eines der Reaktionspartner gesteuert werden, wie im Fall der
Polyurethanherstellung (2-Komponenten Klebstoff).
Bei der Polykondensation hingegen kommt es durch die Reaktion von Endgruppen der
Monomere zur Bindung zwischen den Monomeren. Dabei werden Nebenprodukte wie
beispielsweise Wasser abgespalten, die auskondensieren oder verdampfen. Wenn die
Nebenprodukte nicht abgeführt werden, so endet die Reaktion, wenn ein Gleichgewicht
zwischen Monomeren auf der einen sowie Abspaltprodukten und Polymeren auf der
anderen Seite erreicht ist. So wird beispielsweise Polyethylenterephthalat (PET) durch
Polykondensation aus mehrwertiger Karbonsäure oder deren Ester und Alkoholen
hergestellt.
Polypropylen hingegen wird üblicherweise durch komplexchemische Polymerisation
mittels Katalysatoren erzeugt. Die Bindungsverhältnisse am Übergangsmetall werden
durch die Komplexbildung zwischen den Komponenten des Katalysators so beeinflusst,