THEMENBEREICH B EXEMPLARISCHE UND ÜBERTRAGBARE BEISPIELE THEMENBLOCK 1: GRUNDLAGEN MATERIALWISSEN

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1 UFOPLAN-Vorhaben FKZ THEMENBEREICH B EXEMPLARISCHE UND ÜBERTRAGBARE BEISPIELE THEMENBLOCK 1: GRUNDLAGEN MATERIALWISSEN POLYMERE Kunststoffe im Einsatz I

2 Impressum Lehrmaterial für die Lehrmodule-Ecodesign Erstellt im Auftrag des Umweltbundesamtes im Rahmen des UFOPLAN-Vorhabens FKZ Autoren/innen: Dirk Jepsen, Susanne Volz, Antonia Reihlen, Dr. Olaf Wirth, Dr. Annette Vollmer & Laura Spengler ÖKOPOL Institut für Ökologie und Politik GmbH Nernstweg D Hamburg (0) Dr. Ulrike Eberle sustainability workx c/o Anke Butscher Consult Burchardstraße Hamburg (0) Prof. Dr. Norbert Reintjes Fachhochschule Lübeck Projekt GmbH Mönkhofer Weg Lübeck (0)

3 Inhalt 1 EINLEITUNG KUNSTSTOFFE ALS POLYMERE Polymere und ihre Entstehung Einteilung in Klassen Die Polyaddition Die Polykondensation HERSTELLUNGSVERFAHREN VERARBEITUNGSVERFAHREN ADDITIVE Füllstoffe Faserwerkstoffe Weichmacher Flammschutzmittel Stabilisatoren Farbmittel Weitere Additive EINIGE KUNSTSTOFFARTEN IM ÜBERBLICK Polyethylen (PE) Polypropylen (PP) Polystyrol (PS) Polyvinylchlorid (PVC) Polyester, Polyethylenterephthalat (PET) Polyamide

4 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Polymere eine Aneinanderreihung von Monomeren (Quelle: Moore, John T., Chemie für Dummies, 2008)... 6 Abbildung 2: Verhalten von Kunststoffen unter Hitzeeinwirkung [Quelle: Abts, G.; Kunststoffwissen für Einsteiger, 2010]... 7 Abbildung 3: Die Polyaddition [Quelle: Moore, John T., Chemie für Dummies, 2008]... 8 Abbildung 4: Schematischer Herstellungsprozess Polymere [Quelle: BREF Dokument Herstellung von Polymeren, 2006]... 9 Abbildung 3: Verarbeitungsverfahren für Kunststoffe [Quelle: Abts, G.; Kunststoffwissen für Einsteiger, 2010] Tabellenverzeichnis Es konnten keine Einträge für ein Abbildungsverzeichnis gefunden werden. 4

5 1 EINLEITUNG Kunststoffe können in ihren Eigenschaften so kreiert werden, dass sie für unzählige Anwendungen angepasst werden können, was sie zu einem hervorragenden Einsatzmaterial für die Produktgestaltung macht. Die verschiedenen Eigenschaften der Kunststoffe werden in diesem Modulheft daher nur Überblicksartig erwähnt, da Materialkunde (je nach gewähltem Studienschwerpunkt) Bestandteil der Designausbildung ist und Materialien im Hinblick auf ihre Eigenschaften und Produkteignung bestens bekannt sein dürften. Der Fokus dieses Modulhefts wird vielmehr auf solche Aspekte von Kunststoffen gerichtet, die für die Einschätzung ihrer Umweltwirkungen relevant sind. 2 KUNSTSTOFFE ALS POLYMERE 2.1 Polymere und ihre Entstehung Kunststoffe bestehen aus einer Aneinanderreihung vieler Monomere 1, also aus Polymeren 2. Dieser Aufbau ist nicht neu auch bzw. vor allem in der Natur kommen Polymere vor: Proteine, Baumwolle, Zellulose, etc. Eine große Zahl der Kunststoffe wird aus synthetischen organischen Monomeren wie Raffinationsprodukten des Rohöls hergestellt, z.b. aus Ethen, Propylen, Napfhta, Toluol oder Xylol. Produkte wie Linoleum oder Kautschuk jedoch bestehen aus natürlich gewonnenen Monomeren. Unter anderem die Zusammensetzung der einzelnen Monomere als auch die Art ihrer Verzweigung ist für die Eigenschaften der Kunststoffe verantwortlich. 1 Mono (altgriechisch): allein, einzig 2 Poly (griechisch): viel, mehrere 5

6 Abbildung 1: Polymere eine Aneinanderreihung von Monomeren (Quelle: Moore, John T., Chemie für Dummies, 2008) 2.2 Einteilung in Klassen Es gibt verschiedene Arten, Kunststoffe einzuteilen oder zu klassifizieren. Diese unterschiedliche Einteilung ist je nach Fragestellung sinnvoll. Es kann unterschieden werden nach: Der Struktur der Polymerketten Linear Verzweigt Vernetzt Nach Art der Verwendung Plastik (in beliebige Formen formbar: Schüssel, Sonnenbrillen, ) Fasern (Textilien) Elastomere (Gummi, Latex) Häufig (vor allem auch im Sprachgebrauch von Herstellern) werden Kunststoffe eingeteilt über ihr Verhalten bei Hitzeeinwirkung. Dieses Verhalten ist z.b. auch beim Recycling relevant, so dass dort auch eine solche Einteilung gebräuchlich ist. Thermoplastische Polymere werden bei Hitze weich (z.b. Kunststoffsonnenbrille im Sommer hinter der Windschutzscheibe ). Diese Kunststoffe sind leichter zu recyceln. Die meisten Kunststoffe sind Thermoplaste. Duroplastische Polmyere werden bei Hitzeeinwirkung nicht weich und können auch nicht wieder in anderer Formgebung wiederverwendet 6

7 werden (z.b. Bakelit). Diese Eigenschaft macht den Kunststoff ideal als Isoliermaterial (z.b. auch als Griffe für Töpfe) Abbildung 2: Verhalten von Kunststoffen unter Hitzeeinwirkung [Quelle: Abts, G.; Kunststoffwissen für Einsteiger, 2010] Eine weitere Einteilung ist die Klassifizierung des zur Herstellung verwendeten Grundprozesses: Additionspolymerisation bzw. Polyaddition Kondensationspolymerisation bzw. Polykondensation Die Polyaddition Sehr viele Kunststoffe des Alltags sind Additionspolymere. Dabei werden alle anfänglich in der Struktur des Monomers enthaltenen Atome in einer Polymerkette verknüpft. Üblicherweise verfügen die in dieser Art verknüpften Monomere über eine Kohlenstoff-Doppelbindung, die im Verlauf der Polymerisation zum Teil aufgebrochen wird. Diese aufgebrochene Verbindung bildet ein Radikal, das ein einzelnes Elektron aufweist. Das Radikal versorgt sich mit einem Elektron, indem es sich mit einem anderen Molekül verbindet. Es entsteht eine Kettenreaktion, an deren Ende ein Polymer steht. Additionspolymere sind z.b. Polyethylen (PE) Polypropylen (PP) Polystyrol (Styropor) (PS) Polyvinylchlorid (PVC) 7

8 Abbildung 3: Die Polyaddition [Quelle: Moore, John T., Chemie für Dummies, 2008] Die Polykondensation Bei der Polykondensation besteht die Reaktion in einer Verdrängung eines kleineren Moleküls, in der Regel eines Wasseratoms. Kondensationspolymere sind z.b. Polyester, auch Polyethylenterephthalat (PET) Polyamide (Nylon) Silikone 8

9 3 HERSTELLUNGSVERFAHREN Die Herstellungsverfahren für die verschiedenen Polymere unterscheiden sich natürlich. Zunächst werden verschiedene Monomere eingesetzt. Durch die zusätzliche Variation des Drucks bei der Polymerisation und unter Einsatz verschiedener Katalysatoren bzw. Initiatoren entstehen die Kunststoffe mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften. Dennoch folgt die Herstellung weitestgehend einem einheitlichen grundsätzlichen Schema, wie es in Abbildung 4 dargestellt ist. Abbildung 4: Schematischer Herstellungsprozess Polymere [Quelle: BREF Dokument Herstellung von Polymeren, 2006] Zu den Monomeren gehören Rohstoffe wie Ethen und Propen, als Co- Monomere werden unter anderem Buten und Hexen, Aldehyde, Butylacrylate und Vinylacetate (s. Themenpapier Schadstofffreisetzung) eingesetzt. Der Einsatz unterschiedliche Reaktoren für die Polymerisation erfordert unterschiedlich hohe Energieeinsätze -> Themenblock A: Ausgewählte Umweltwirkungsbereiche -> Energie je Kunststoffart. Auch der Katalyseprozess (Ziegler-Natta, Philips, etc.) und die dafür verwendeten Katalysatoren (Magnesium Chlorid, Chrom-VI-oxid) unterscheiden sich auch in ihren Umweltwirkungen (s. Themenpapier Schadstofffreisetzung). Bei den Emissionen in die Luft spielen vornehmlich die Emissionen aus der Energieerzeugung eine Rolle. Häufig wird jedoch zusätzlich beim Herstellungsprozess entstehender Kohlenwasserstoff über eine Fackel abgeflammt (Off-Gas), was ebenfalls zu Emissionen (vornehmlich CO2) beiträgt. Weiterhin entstehen kleinere Mengen organische und Schwermetallemissionen. Das Abwasser kann in der Regel gut gereinigt in die Vorfluter entlassen werden. (was ist mit Chrom-VI-Oxid aus Philips-Prozess?) 9

10 Waste... Unterschiede in Datensätzen(s. Themenpapier Datenbanken) zu den Umweltwirkungen einzelner Kunststoffe, die in Ökobilanzierungs- oder CAD- Software oder in einem Analyseinstrument wie dem Ecolizer (s. Themenpapier Analyse- und Bilanzierungstools zur Verfügung gestellt werden basieren auf den hier beschriebenen Unterschieden wie Energiebedarf, Verfahrenstechniken oder Einsatzstoffen. Teilweise sind auch Unterschiede in den Bezugswegen der Rohstoffe (Bezug lokal oder international) integriert. Für genauere Informationen muss die Dokumentation der jeweiligen Datensätze herangezogen werden. 4 VERARBEITUNGSVERFAHREN Verarbeitungsverfahren für Kunststoffe unterscheiden sich aus Umweltsicht betrachtet vor allem durch einen unterschiedlichen Energiebedarf -> Themenblock A: Ausgewählte Umweltwirkungsbereiche -> Energie sowie durch den unterschiedlich effizienten Umgang mit dem Material (z.b. Abfallmenge, Verschnitt). Effizient kann an dieser Stelle bedeuten, dass bei der Verarbeitung wenige Abfälle anfallen. Es kann jedoch auch eine Kreislaufführung der Abfälle beinhalten. Bei einem Recycling der Abfälle muss jedoch berücksichtigt werden, dass die Aufbereitung wieder Energie benötigt und Emissionen erzeugt. Außerdem muss bereits beim Produktdesign berücksichtigt werden, ob und wie ein Recycling (s. Themenpapier End of Life) der entsprechend bearbeiteten (weil ggf. verbundenen) Kunststoffteile möglich sein wird. Hier, wie auch bei den Herstellungsverfahren, erklären sich Unterschiede in Datensätzen (s. Themenpapier Analyse- und Bilanzierungstools, Ecolizer und Themenpapier Datenbanken) zu den Umweltwirkungen verschiedener Verarbeitungsverfahren aus den Unterschieden in z.b. Energie- oder Materialbedarf. 10

11 Abbildung 5: Verarbeitungsverfahren für Kunststoffe [Quelle: Abts, G.; Kunststoffwissen für Einsteiger, 2010] 5 ADDITIVE Fast alle Kunststoffe werden mit Additiven modifiziert, um die an sie gestellten Anforderungen zu erfüllen. Übliche Additive sind: Füllstoffe Faserwerkstoffe Flammschutzmittel Stabilisatoren Farbmittel Weichmacher Fasern Diese Additive werden in der Regel bereits bei der Herstellung untrennbar mit dem Kunststoff vermengt. Der Einsatz von Additiven hat zur Folge, dass einerseits die Umweltwirkung bestimmter Kunststoffe, die Additive enthalten, entsprechende Parameter aufweist. Darüber hinaus erschwert es das Recycling der Kunststoffe, da diese wenn sie schon nicht sortenrein in den Verkehr gebracht werden natürlich auch nicht sortenrein gesammelt und aufbereitet werden können. 11

12 5.1 Füllstoffe Durch Füllstoffe können Eigenschaften wie Festigkeit, Wärmeformbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeausdehnung etc. beeinflusst werden. Als Füllstoffe werden klassischerweise Ruß, gemahlenes Calciumcarbonat (Kreide, Kalkstein, etc.), Kaolin, Talkum, Aluminiumhydroxit, Graphit oder Moybdänsulfid sowie Wollastonit eingesetzt. Problematisch dabei ist/sind Faserwerkstoffe Faserwerkstoffe bewirken eine deutliche Verbesserung von Festigkeit und Steifigkeit. Damit lassen sich viele Anwendungen realisieren, für die ansonsten Metalle eingesetzt werden müssten. Dadurch kann bei ähnlicher Anwendbarkeit unter anderem ein geringeres Gesamtgewicht des Produktes realisiert werden. Zum Beispiel im Automobilbau ergeben sich dadurch in der Folge weniger Umweltlasten durch geringeren Treibstoffverbrauch. Darüber hinaus ist der Energieaufwand bei der Herstellung der Kunststofflösungen häufig geringer als bei Metallen. Demgegenüber muss jedoch unter anderem die mangelnde Rezyklierbarkeit der Verbundstoffe berücksichtigt werden. Bei vielen Anwendungen ist dieser Einwand wenig relevant, da es kaum Alternativen gibt. Bei ballistischer Schutzausrüstung beispielsweise muss natürlich die Umweltwirkung vor der Funktionalität zurücktreten. Faserwerkstoffe und ihre Anwendungen: Glasfasern (GFK) Kohlenstofffasern (CFK) Aramidfasern > Automobilbau, Sportgeräte > Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Maschinenbau z.b. Rotoren für Windkraftanlagen, Hochleistungssportgeräte -> ballistische Schutzausrüstung, Sportgeräte, Hochleistungsreifen, Trag- und Spannseile In anderen Fällen kann es jedoch sinnvoll sein, eine Abwägung zu treffen. Ein Messestand in Leichtbauweise kann durch den ständigen Transport (und durch das geringere Gewicht indizierte Einsparungen beim Treibstoff) gegenüber Holz oder Metallwerkstoffen Vorteile aufweisen. Dem müssen jedoch auch Lebensdauer, Rezyklierbarkeit und ggf. schädliche Inhaltsstoffe entgegen gehalten werden. Vor- und Nachteile sind hier nicht direkt offensichtlich und können ggf. durch eine Ökobilanz (vgl. Themenblock Ökobilanz) ermittelt werden. 12

13 5.3 Weichmacher Weichmacher dienen unter anderem als Verarbeitungshilfsmittel für PVC, Celluloseester und Kautschuke. Als Weichmacher dienen vor allem Phthalate. Weichmachermoleküle sind sehr klein und relativ flüchtig, was die Wärmeformbeständigkeit der Kunststoffe herabsetzt. Sie werden außerdem relativ leicht durch Lösungsmittel und Treibstoffe aus dem Polymer herausgelöst, wodurch die Härte und Steifigkeit des Kunststoffs auf Dauer wieder steigt. Probleme tauchen dadurch besonders bei fetthaltigen Lebensmitteln auf, da die Weichmachermoleküle in das Lebensmittel migrieren. Problematisch ist auch der Einsatz in Kinderspielzeug. Abgesehen von den (ggf. sehr) schädlichen Einflüssen während der Nutzungsdauer sind Weichmacher auch aus umweltsicht problematisch. xxxx 5.4 Flammschutzmittel Als Kohlenwasserstoffe sind fast alle Kunststoffe brennbar, daher müssen sie in kritischen Anwendungen wie im Verkehrswesen oder Bauwesen mit Flammschutzmitteln ausgerüstet werden. Die Verbrennung von Kunststoffen kann auf verschiedene Weise verzögert oder unterbunden werden: Zum Einen kann durch den Zusatz unbrennbarer Stoffe ein Verdünnungseffekt erzielt werden. Zum anderen führen Produkte wie Aluminium- oder Magnesiumhydroxid zur Freisetzung von Wasser, das gleichzeitig durch seine Verdunstung abkühlend wirkt. Weitere Möglichkeiten sind der Einsatz von Halogenen wie Chlor und Brom, oft unterstützt durch Antimon-Verbindungen. Dadurch werden durch die Verbrennung freigesetzte Radikale eingefangen und so die Verbrennungsreaktion unterbunden. Halogene sind jedoch besonders problematische Stoffe, weil Auch der Einsatz von polybromierten Biphenylen (PBB) und polybromierten Diphenyethern (PBDE) ist auf max. 0,1% beschränkt, da Viele Flammschutzmittel sind auch während der Nutzungsphase problematisch, denn sie wandern nach und nach an die Oberfläche der Kunststoffe und verdunsten in die Umgebung. 5.5 Stabilisatoren Kunststoff ist als organischer Werkstoff mehr oder weniger empfindlich gegenüber Wärme, Sauerstoff, Ozon, Witterungseinflüsse und UV-Licht. Neben einem Abfall der mechanischen Eigenschaften führt dies zu unschönen Verfärbungen. Insbesondere PVC ist besonders anfällig. Früher wurde für PVC 13

14 Stabilisatoren auf Basis von Schwermetallen wie Blei und Cadmium verwendet. Aktuelle Stabilisatoren basieren meist auf Calcium, Zinn, Zink, Phenolen, Aminen und Paraphenylendiamine. Problematisch dabei sind..., weil... Außerdem führen viele dieser Stabilisatoren dazu, dass die Kunststoffe in der Umwelt nur langsam oder unvollständig abgebaut werden. 5.6 Farbmittel Während Thermoplaste und Duroplaste in einer Vielzahl von Farben auftreten, sind nur etwa 5% der Elastomere farbig eingestellt, da die allermeisten Elastomere Ruß als Füllstoff verwenden. Für die Einfärbung der Thermoplaste und Duroplaste werden organische und anorganische Pigmente und organische Farbstoffe verwendet. Die Einfärbung von Elastomeren wird mit mineralischen Füllstoffen realisiert, wie Kieselsäure, Kreide oder Kaolin, was jedoch die mechanischen Eigenschaften beeinflusst. Die Konzentration der als Pulver oder in Form von Farbmittelkonzentraten (Masterbatch auf Basis des jeweiligen Kunststoffs) zugesetzten Farbmittel liegt bei etwa 0,5% bis 5%. Problematisch können dabei sein Weitere Additive Weitere Additive können sein: Treibmittel, für die Herstellung einer Schaumstruktur Gleitmittel, für die Reduzierung der Reibung von Thermoplastschmelzen an der Metallwandung der Verarbeitungsmaschinen Antistatika, reduzieren die elektrische Aufladung Blends aus Kautschuk oder Acrylesterkautschuk, erhöht die Schlagzähigkeit Hier ist besonders darauf zu achten, dass... 6 EINIGE KUNSTSTOFFARTEN IM ÜBERBLICK In diesem Kapitel wird ein (sehr kurzer) Überblick über die Eigenschaften einige der häufiger verwendeten Kunststoffarten gegeben sowie im Einzelfall über bestimmte problematische Umweltwirkung. Für die grundsätzliche 14

15 6.1 Polyethylen (PE) Polyethylen ist das einfachste Additionspolymer und ökonomisch eines der wichtigsten. Ethylen (Ethen) ist das Monomer für die Produktion von PE. Das Ethylen wird in Anwesenheit eines Katalysators ohne Luftzufuhr stark erhitzt. Die hohe Temperatur und die katalytische Wirkung verursachen ein Aufbrechen der Kohlenstoff-Doppelbindung. Durch den Einsatz verschiedener Katalysatoren und Veränderungen des Drucks lässt sich die Struktur des Endproduktes steuern. Aus dieser Reaktion werden die drei gängigen Endprodukte hergestellt: Polyethylen-Niedrige Dichte (LDPE low density PE) o Weist an der Kohlenstoffkette einige Verzweigungen auf und hat deshalb eine geringere Dichte als das lineare Polymer. Dieses PE ist weich und flexibel und wird z.b. für Frischhaltefolien, Gefrierbeutel, Einkaufstaschen und Mülltüten verwendet. Polyethylen-Hohe Dichte (HDPE high density PE) o Setzt sich aus eng gepackten linearen Fäden zusammen. Dieses PE ist hart und fest, hart und robust. Es werden damit zum Beispiel Plastikschüsseln, Spielzeug und Fernseher- Gehäuse hergestellt. Vernetztes Polyethylen (PE-X cross linked PE) o Ist durch eine starke Vernetzung zwischen den linearen Fäden miteinander verbundener Monomere gekennzeichnet und weist daher eine außergewöhnliche Stabilität auf. Die Deckel von Darüber hinaus gibt es noch weitere Produkte, wie das LLDPE-PE (linear low density PE) mit einer linearen Struktur der Polymerketten. PET-Flaschen sind meist aus vernetztem PE. Hochgradig vernetztes PE wird auch für die Fertigung von Prothesen verwendet. 6.2 Polypropylen (PP) Wird beim Ethylen ein weiteres Wasserstoff-Atom durch eine Methylgruppe ersetzt, erhält man Propylen. Die chemisch herstellbare unterschiedliche Verzweigung der Monomere untereinander ermöglicht es, dem Polypropylen stark variierende Eigenschaften zuzuordnen, wodurch es für sehr unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden kann. Beispielsweise werden Bodenbeläge für den Außenbereich, Batteriegehäuse, Seile, Flaschen oder Autoverkleidungen aus PP hergestellt. 6.3 Polystyrol (PS) Wird beim Ethylen ein Wasserstoff-Atom durch einen Benzolring ersetzt, entsteht Styrol und durch Polyaddition Polystyrol (Styropor). Dabei handelt es 15

16 sich um ein recht festes, leichtes Polymer. Es ist schwierig zu recyceln, allerdings eher wegen der ungenügenden Trennung der Abfälle. Sofern es in reiner Form vorliegt, gelingt ein Recycling recht gut. Alltagsgegenstände wie isolierte Trinkbecher, Eierkartons oder Isolier- und Verpackungsmaterialien bestehen häufig aus PS. 6.4 Polyvinylchlorid (PVC) Polyvinylchlorid wird dadurch hergestellt, dass beim Ethylen ein Wasserstoff- Atom durch ein Chloratom ersetzt wird. PVC ist ein widerstandsfähiges Polymer. Allerdings wird PVC im Laufe der Zeit leicht spröde oder rissig, sodass für die meisten Produkte Weichmacher eingesetzt werden müssen, die den Kunststoff weicher und lederähnlich macht. Die Weichmacher können jedoch durch ihre hohe Flüchtigkeit verdunsten, sodass das PVC dennoch brüchig wird. Aus PVC werden Rohre aller Art, Bodenbeläge, Gartenschläuche, Spielzeug, Lederimitate und viele weitere Produkte hergestellt. Bei PVC ist das eingesetzte Chlor problematisch, das sowohl bei der Herstellung und bei der Entsorgung für bedenkliche Umweltauswirkungen sorgt. Die Umweltwirkungen der zugesetzten Additive (Weichmacher) wurden weiter oben bereits erläutert. 6.5 Polyester, Polyethylenterephthalat (PET) Wenn Ethylenglukol mit Terephthalsäure reagiert, wird Wasser abgespalten und es entsteht das Kondensationspolymer Polyethylenterephthalat (PET), ein Polyester. Daraus werden Textilien hergestellt, PET-Flaschen oder künstliche Blutgefäße. 6.6 Polyamide Reagiert eine organische Säure mit einem Amin, wird Wasser abgespalten und es entsteht ein Amid. Polyamid wird auch als Nylon oder Perlon bezeichnet. Die Bezeichnung Nylon 6.6 drückt aus, dass sowohl das Amin als auch die organische Säure über 6 Kohlenstoffatome verfügen. Nylon 6.6 und Nylon 6 werden durch sehr unterschiedliche Herstellungsprozesse gewonnen und haben sehr unterschiedliche Eigenschaften, z.b. den Schmelzpunkt. Dennoch sind sie sich chemisch sehr ähnlich. Der Einsatz ist sehr variabel, von Nylonstrümpfen bis zu schusssicheren Westen. Problematisch bei Polyamiden ist... 16