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Verarbeitung von Kunststoffen
Unter Kunststoffen versteht man allgemein Materialien, deren Bestandteile aus solchen
makromolekularen organischen Verbindungen bestehen, die synthetischen oder durch
Abwandeln von Naturprodukten entstehen. Sie sind in der Regel unter bestimmten Bedingungen
(Wärme, Druck) schmelz- und formbar. Zu den Kunststoffen gehören ihrer Natur
nach auch die Kautschuke und die Chemiefasern; sie werden jedoch wirtschaftsstatistisch
gesondert erfasst und spielen daher bei diesem Themenbereich der Verarbeitung
von Kunststoffen eine untergeordnete Rolle.
Synthetische makromolekulare Werkstoffe mit Molmassen über 10.000 werden als Kunststoffe
bezeichnet. Nach dieser Definition gehören dazu:
• die in Wärme verformbaren Kunststoffe "Thermoplaste". Man nennt sie, weil sie plastisch
verformbar sind, auch "Elastomere". Sie sind linear und verzweigt gebaut,
• die "Duroplaste" oder auch "Duromere", das sind die hart-elastischen oder die duroelastisch
verformbaren Hochpolymeren, welche dreidimensional vernetzt sind und sich
beim erhitzen nicht verformen, sondern ab einer bestimmten Temperatur auflösen,
• die gummielastisch verformbaren Hochpolymere, die man "Elastomere" nennt, dazu
gehören Kautschuk und Gummi, welche linear mit geringer Vernetzung gebaut sind.
Bei dem heutigen Rohstoffbedarf und der Vielzahl technischer Probleme unserer hochindustriellen
Gesellschaft verdanken wir den vielseitigen Eigenschaften der Kunststoffe
manche zukunftsweisende Problemlösung, die keine andere Werkstoffgruppe hätte
erbringen können.
In den letzten Jahren sind die Kunststoffe ein Wirtschaftsfaktor von größter Bedeutung
geworden. In allen Industriestaaten steigt die Produktion der Kunststoffe ständig. So wurden
Kunststoffe bisher z. B. in der Bekleidungs-, Möbel-, Bau- und Verpackungsindustrie,
der Elektronik, Astronautik sowie im Kraftfahrzeugwesen und der Medizin mit Erfolg eingesetzt.
Ihre ebenfalls künstlich geschaffenen Vorläufer Glas und Porzellan wurden durch sie
zum Teil sogar verdrängt. In der Bundesrepublik Deutschland stammt fast die Hälfte der
chemischen Spezialerzeugnisse aus dem Kunststoffsektor, woran die Bedeutung dieser
Stoffklasse in der Gesamtchemie abzumessen ist.
Dabei darf jedoch nicht vergessen werden, dass Kunststoffe neben ihren Vorteilen wie z.
B. das niedrige spezifische Gewicht, die hohe Beständigkeit gegenüber Korrosion, die hohe
elektrische Isolierfähigkeit, die leichte Formgebung bei wirtschaftlicher Verarbeitung
und die breite, preiswerte Angebotspalette auch schwerwiegende Nachteile hat:
• Sie besitzen meist nur eine geringe mechanische Festigkeit und Formbeständigkeit in
der Wärme.
• Sie sind anfällig gegen Alterung, das heißt die physikalischen Eigenschaften werden
unter der Einwirkung von Licht und Wärme verändert.
• Die meisten Kunststoffe sind wegen ihrer organischen Natur brennbar.
• Bei den Kunststoffen fallen hohe Abfallbeseitigungskosten an.
Damit der Kunststoff weiterverarbeitet werden kann, liefern die Chemiewerke Rohkunststoffe
in Granulat- und Pulverform sowie in Lösung. Die Weiterverarbeitung erfolgt dann
nach Zugabe von Farbmitteln, Füllstoffen und Zusatzstoffen in der kunststoffverarbeitenden
Industrie. Dort gibt es eine Reihe von verschiedenen Verfahren, um Kunststoffe zu
verarbeiten, wobei bei den Verarbeitungsmethoden auf die Eigenschaften des Kunststoffes
und auf die beabsichtigte Verwendung geachtet werden muss.
Die Verarbeitung von Thermoplasten (z. B. Polyethylen, Polyvinylchlorid oder Polystyrol)
kann durch Gießen, Pressen, Extrudieren, Spritzgießen, Schweißen, Kleben, Spinnen,
Schäumen, mit Kalander und Folienblasanlage erfolgen.

Duroplaste hingegen entstehen durch das Pressen von Polymeren in eine Form unter Zugabe
eines Härters.
Die Elastomere wie z. B. Gummi haben ihren Ursprung in verschiedenen Monomeren, die
durch die künstliche Kautschuksynthese oder die natürliche Biosynthese zu Kautschuk
werden, woraufhin Kautschuk dann durch den Vorgang der Vulkanisation zu Gummi verarbeitet
wird.
Ein anderer Verarbeitungsbereich ist die Kunststoffbeschichtung bzw. -metallisierung, wobei
bei der Beschichtung das Metallstück mit einer dünnen Kunststoffschicht überzogen
wird und umgekehrt bei der Metallisierung.
Die einzelnen Verfahren lassen sich nun wie folgt darstellen:
a) Spritzgießen (Gießen und Pressen)
Beim Gießen werden die Hochpolymere meist Thermoplaste bis über den Erweichungspunkt
erhitzt, so dass eine fließfähige Kunststoffmasse entsteht. Diese wird in eine vorgegebene
Form mit Hilfe einer Schnecke gegossen, die die Kunststoffmasse vollständig ausfüllen
muss. Beim Erkalten erstarrt die Kunststoffmasse zu festen Körpern, die dann entformt
werden können. Da in vielen Fällen die Kunststoffe jedoch nicht so dünnflüssig werden,
dass sie beim Gießen die Formen richtig ausfüllen, verwendet man den Spritzguss,
bei dem die Masse in einem Düsenrohr erweicht und dann in die Formen gespritzt wird.
Beispiele für Spritzgussfertigteile sind Bierkästen, Waschkörbe, Becher, Eimer sowie Mülltonnen.
Aber auch komplizierte Fertigteile lassen sich durch das Spritzgussverfahren einfach
und preiswert herstellen.
b) Extrudieren (Stangpressen)
Der Vorgang des Extrudierens ist dem Mechanismus des Spritzgießens sehr ähnlich.
Auch hier wird das Material von einer Schnecke transportiert, jedoch kann sich die Schnecke
nicht schubweise vor- und zurückbewegen. Dadurch kann der Kunststoff nicht schubweise
in eine Form gepresst werden, sondern der Vorgang des Extrudierens eignet sich
ausschließlich für den kontinuierlichen Gebrauch z. B. zum extrudieren von Rohren. Bei
der Herstellung von Kunststoffrohren wird der Kunststoff in seinem Rohzustand in dem
Extruder (Schneckenpresse) erwärmt und plastifiziert. Am Kopf des Extruders tritt der
Kunststoff als zähe Schmelze aus und erhält dabei seine endgültige Form, wobei in das
noch weiche Rohr von innen ständig Luft geblasen wird, damit es nicht mehr zusammenfällt.
c) Folienblasen
Die Entstehung einer Folie (Polyethylen) in einer Folienblasanlage ist nur eine Weiterentwicklung
des Vorgangs beim Extrudieren. Die beim Extrudieren entstandenen Schläuche
werden mit Luft aufgebläht, so dass Folien entstehen. Diese werden dann aufgerollt oder
aufgefaltet woraufhin sie auf die jeweilige richtige Größe zugeschnitten werden.
d) Kalandrieren
Eine Kalandrier-Einrichtung dient der Herstellung von Kunststofftafeln. Der erweichte
Thermoplast wird direkt aus dem Extruder durch eine größere Zahl von Quetschwalzen im
Kalander glattgewalzt. Ein wichtiges Verfahren ist in diesem Zusammenhang das Tiefziehen.
Dabei wird eine erweichte kalandrierte oder extrudierte Platte durch Über- oder Unterdruck
an eine Matrize gepresst. Auf diesem Wege entstehen z. B. Kühlschrankeinsätze.

e) Schweißen und Kleben
Unter Kunststoff schweißen versteht man die Vereinigung von thermoplastischen, das
heißt nicht härtbaren Kunststoffen gleicher oder verschiedener Art unter Anwendung von
Wärme und Druck sowie mit oder ohne Zusetzen von artgleichem Kunststoff. Das
Schweißen z. B. von PVC-Folien geschieht sehr häufig mit einem Heißluftstrahl. Die Berührungsflächen
der Kunststoffe werden dabei flüssig und fließen ineinander. Oft müssen
jedoch die Flächen verklebt werden. Dazu hat man eine Vielzahl von Klebern entwickelt.
Es sind hochviskose Substanzen, die oft erst durch Einwirken von Wanne in höhermolekulare
Produkte übergehen und dadurch fest werden. Man unterscheidet:
• Haftkleber: Ihre Klebewirkung beruht auf hoher Adhäsion
(Haftung auf der Grenzoberfläche durch molekulare Wechselwirkung) und geringer Kohäsion
(innerer Zusammenhalt der Klebstoffmoleküle). Sie ergeben schmiegsame, weiche
Verklebungen.
• Festkleber: Sie besitzen hohe Adhäsions- und Kohäsionskräfte.
Festkleber sind geeignet für feste und starre Verklebungen.
f) Spinnen und Schäumen (Textilfasern)
Wenn gelöster Kunststoff zur Herstellung von Faserstoffen durch eine Düse in ein Fällbad
gedrückt wird, wo er zu einem Faden ausgezogen werden kann, spricht man von Spinnen.
Das Verfahren ist auch als Schmelzspinnverfahren bekannt. Dabei wird das geschmolzene
Rohprodukt durch Spinndüsen gepresst woraufhin die dabei gebildete Faser
erkaltet und aufgewickelt werden kann. Hierbei unterscheidet man einmal das Trockenspinnen,
bei dem das Lösungsmittel nach dem Austreten aus der Spinndüse verdampft,
während beim Nassspinnen die Faser erst in einem Fällbad ausgefällt wird.
Schaumstoffe können praktisch aus jedem Kunststoff hergestellt werden; dazu gibt es
vier Möglichkeiten:
• Chemische Treibverfahren
Durch Zusatz von Treibmitteln erreicht man bei einer chemischen Reaktion Gasentwicklung,
welche zur Bildung des Schaumstoffes ausreicht.
• Physikalische Treibverfahren
In einer sich verfestigenden Masse wird z. B. Gas, das sich unter hohem Druck in der Mischung
gelöst hat, zur Expansion gebracht. Dadurch entstehen viele Gasblasen im Inneren
des Endproduktes.
• Mischverfahren
Dabei werden Schäumungsmittel zugesetzt und der entstehende Schaum verfestigt.
• Lösungsmethode
Hierbei erreicht man Hohlräume durch Herauslösen verschiedener Salze (z. B. Viskoseschwämmen)
aus dem Endprodukt.
g) Beschichtung
Bei der Kunststoffbeschichtung sind vier verschiedene Verfahren gebräuchlich:
• Kunststoff-Flammspritzen
• Wirbelsinterverfahren
• Elektrostatische Pulverspritzen
• Tauchverfahren
Beim Kunststoff-Flammspritzen wird ein thermoplastischer Kunststoff in Schichten von
0,8-1,0 mm Dicke festhaftend auf Metall, Glas und dgl. aufgespritzt.
Beim Wirbelsinterverfahren wird das erwärmte Werkstück in die Wirbelschicht des
Kunststoffpulvers getaucht.

Beim Elektrostatischen Pulverspritzen der elektrostatische aufgebrachte Kunststoff im
Ofen auf das Werkstück aufgeschmolzen. Beim Tauchverfahren wird das Werkstück in
Plastisole oder Kunststofflösung bzw. -dispersionen eingetaucht.
Umgekehrt verhält es sich bei der Kunststoffmetallisierung. Man gibt ein Werkstück aus
Kunststoff vor und überzieht dieses mit einer dünnen Metallschicht.
Dabei können Metalldämpfe im Vakuum auf den Kunststoff aufgedampft werden, sowie
bei der Spritztechnik Spritzpistolen, in denen ein Gemisch von Silbersalzlösung und
Reduktionsmitteln ist verwendet werden, um auf den Kunststoffgegenstand einen glänzenden
Silberspiegel zu erzeugen.
h) Hilfsstoffe für die Verarbeitung
Um die verschiedenen Eigenschaften für die beabsichtigte Verwendung des Kunststoffes
zu erreichen, werden diverse Zusätze hinzu gegeben, denn viele Kunststoffe werden erst
durch Zusatz verschiedener Hilfsstoffe technisch verwendbar.
Zu diesen Hilfsstoffen gehören die Stabilisatoren, Weichmacher und Füllstoffe.
Stabilisatoren spielen eine wichtige Rolle zur Schaffung technisch verwendbarer Kunststoffe.
Stabilisatoren sind Alterungsschutzmittel, die strukturelle Veränderungen der Makromoleküle
infolge von Umwelteinflüssen (Licht, Wärme, UV-Strahlung und Wasser) oder
durch Überbeanspruchung im praktischen Gebrauch verhindern.
Manche Kunststoffe sind für die gewünschten Verwendungszwecke zu spröde und zu hart.
Durch Zusätze von Weichmachern lässt sich ihre Härte jedoch gut variieren. Weichmacher
setzen speziell die Einfrier- bzw. die Erweichungstemperatur hochpolymerer Kunststoffe
herab. Weichmacher sollen möglichst die gleiche thermische und chemische Beständigkeit
wie die Kunststoffe besitzen, für die sie verwendet werden. In der Praxis werden
sehr häufig Ester (z. B. Phosphorsäureester oder Phthalester) mit hohem Siedepunkt
als Weichmacher verwendet.
Füllstoffe sind Zusätze in fester Form, die sich in ihrer Struktur und ihren Eigenschaften
wesentlich von den Kunststoffen unterscheiden. Sie dienen vor allem der Erhöhung der
Zugfestigkeit. Daneben wendet man sie auch an, um eine Gewichts- oder Volumenerhöhung
zu erzielen. Anorganische Füllstoffe sind z. B. Gesteinsmehl, Kaolin, feinfaseriger
Asbest, Kreide, Kieselgur und Glasfasern. Asbest z. B. dient der Chemikalienbeständigkeit,
Formbeständigkeit in der Wärme, die elektrische Isoliereigenschaften, Schlagzähigkeit,
Maßbeständigkeit, Steifheit und Härte. Glasfasern zeigen die gleichen verbesserten
Eigenschaften und weist zusätzlich noch die Eigenschaft der Zugfestigkeit auf. Organische
Füllstoffe sind z. B. Holzmehl, Cellulose, Papier- und Textilfasern. Holzmehl verbessert
die elektrische Isoliereigenschaften, Zugfestigkeit und Maßbeständigkeit. Cellulose
weist eine verbesserte Schlagzähigkeit, Zugfestigkeit und Steifheit auf.