Kunststoffe: Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere

Ein Kunststoff besteht nicht aus kleinen, einzelnen Molekülen wie Wasser oder Kochsalz, sondern aus Makromolekülen — extrem langen Molekülketten, die aus tausenden gleichartigen Bausteinen zusammengesetzt sind. So ein einzelner Baustein heißt Monomer. Hängt man viele Monomere aneinander, entsteht ein Polymer — daher der gebräuchliche Sammelbegriff „Polymerwerkstoffe“.

Man kann sich ein Monomer wie ein einzelnes Kettenglied vorstellen und das Polymer als die fertige, viele Meter lange Kette. Der Vorgang, bei dem sich die Monomere zur langen Kette verbinden, heißt Polymerisation. Für das Verständnis des Werkstoffverhaltens ist die genaue Chemie zweitrangig — entscheidend ist die Vorstellung: lange Ketten, die je nach Herstellung unterschiedlich miteinander in Beziehung stehen.

Kunststoffe werden heute fast ausschließlich synthetisch aus Erdöl, Erdgas oder zunehmend aus pflanzlichen Rohstoffen hergestellt. Es gibt auch natürliche Polymere — Zellulose im Holz oder Naturkautschuk aus dem Saft des Gummibaums sind klassische Beispiele.

Aus dem Kettenaufbau ergeben sich die typischen Eigenschaften, die Kunststoffe gegenüber Metallen auszeichnen: Sie sind leicht (geringe Dichte, oft nur ein Siebtel bis ein Achtel von Stahl), elektrisch isolierend, gegen viele Chemikalien beständig und sie korrodieren nicht. Dafür sind sie weniger fest und hitzebeständig als Metalle und altern unter UV-Licht und Wärme.

Jetzt zum entscheidenden Punkt. Alle Kunststoffe bestehen aus diesen langen Ketten — aber wie die Ketten untereinander verbunden sind, macht den ganzen Unterschied. Diese Verbindung zwischen den Ketten heißt Vernetzung. Nach dem Grad der Vernetzung teilt man Kunststoffe in drei Hauptgruppen ein.

Thermoplaste sind nicht vernetzt. Die langen Ketten liegen nebeneinander wie ein Haufen ungekochter Spaghetti, gehalten nur durch schwache Anziehungskräfte. Erwärmt man sie, lösen sich diese Kräfte, die Ketten werden beweglich — der Kunststoff wird weich und schließlich flüssig. Beim Abkühlen erstarrt er wieder. Dieser Vorgang lässt sich beliebig oft wiederholen. Thermoplaste sind also schmelzbar, schweißbar und grundsätzlich recycelbar.

Duroplaste sind engmaschig vernetzt. Die Ketten sind über zahllose feste Querverbindungen zu einem einzigen riesigen, starren Netzwerk verbunden. Dieses Netz lässt sich durch Wärme nicht mehr lösen. Ein Duroplast schmilzt deshalb nicht — er bleibt formstabil, bis er bei zu hoher Temperatur verkohlt oder zersetzt. Duroplaste sind hart, fest und oft spröde.

Elastomere sind weitmaschig vernetzt. Auch hier sind die Ketten quervernetzt, aber nur an wenigen Stellen, mit großen Abständen dazwischen. Diese lockere Vernetzung lässt die Kettenabschnitte beweglich, hält aber das Ganze zusammen. Das Ergebnis ist das typische Gummiverhalten: Man kann ein Elastomer stark dehnen, und es schnellt anschließend in seine Ausgangsform zurück. Schmelzen lässt es sich nicht.

Das gemeinsame Unterscheidungsmerkmal in der Praxis ist das Verhalten bei Wärme: Thermoplast wird weich und schmilzt, Duroplast bleibt hart und zersetzt sich erst bei sehr hoher Temperatur, Elastomer bleibt gummielastisch und zersetzt sich ebenfalls ohne vorheriges Schmelzen.

Thermoplaste sind die mit Abstand am häufigsten verwendete Gruppe. Innerhalb der nicht vernetzten Ketten gibt es noch einen wichtigen Unterschied in der Anordnung, der das Verhalten prägt.

Bei amorphen Thermoplasten liegen die Ketten völlig ungeordnet durcheinander — wie ein Wollknäuel. Solche Kunststoffe sind oft glasklar durchsichtig und erweichen über einen breiten Temperaturbereich allmählich. Bei teilkristallinen Thermoplasten ordnen sich Teile der Ketten in regelmäßige, dicht gepackte Bereiche. Diese Kunststoffe sind meist milchig-trüb, mechanisch zäher und haben einen deutlicheren Schmelzpunkt.

Ein zentraler Begriff ist die Glasübergangstemperatur — die Temperatur, oberhalb derer ein Thermoplast vom harten, glasartigen Zustand in einen weicheren, zäheren übergeht. Unterhalb davon kann derselbe Kunststoff spröde werden. Wer im Winter schon einmal ein Kunststoffteil bei Frost zerbrechen sah, hat diesen Effekt erlebt.

Das praktische Kennzeichen aller Thermoplaste bleibt: Sie lassen sich durch Wärme umformen (Warmumformen, Tiefziehen), schweißen und nach Gebrauch wieder einschmelzen und recyceln.

Die wichtigsten Vertreter:

Duroplaste

Ein Duroplast wird in der Regel als zähflüssige Masse oder als Harz verarbeitet und härtet dann durch die Vernetzung irreversibel aus — chemisch, oft unter Wärme oder mit einem Härter. Nach dem Aushärten ist die Form endgültig. Wärme macht einen Duroplast nicht mehr weich; er bleibt formstabil, bis er sich bei sehr hoher Temperatur zersetzt.

Duroplaste sind hart, druckfest, maßhaltig und gute elektrische Isolatoren — aber sie sind spröde und schlagempfindlich. Wichtige Vertreter sind Phenolharz (das klassische dunkle „Bakelit“ alter Schalter und Griffe), Epoxidharz (Klebstoffe, Vergussmassen, Leiterplatten), Polyesterharz (Faserverbund, etwa glasfaserverstärkte Bauteile) und Melaminharz (kratzfeste Oberflächen, Schichtpressstoffe).

Klemmleisten, Griffe an Bügeleisen und Topfdeckeln oder die Sockel von Sicherungen bestehen oft aus Duroplast. Genau weil das Material auch bei Hitze formstabil bleibt und gut isoliert, setzt man es dort ein, wo Wärme und elektrische Spannung zusammentreffen.

Elastomere

Elastomere entstehen aus zähen, knetbaren Rohmassen, die durch Vulkanisation weitmaschig vernetzt werden — beim klassischen Gummi geschieht das mit Schwefel unter Wärme und Druck. Erst diese Vernetzung macht aus der klebrigen Rohmasse den belastbaren, elastischen Werkstoff. Das Kennzeichen ist das ausgeprägte Rückstellverhalten: stark dehnbar, danach Rückkehr in die Ausgangsform.

Wichtige Vertreter sind Naturkautschuk und Synthesekautschuk als Basis vieler Gummiartikel, NBR (Nitrilkautschuk, öl- und kraftstoffbeständig — der Standard für Dichtungen im Maschinenbau), EPDM (witterungs- und ozonbeständig, für Außen- und Wasseranwendungen) und Silikon (sehr breiter Temperaturbereich, lebensmittel- und medizintauglich).

Welcher Dichtungswerkstoff in eine Anlage gehört, entscheidet das Medium. Eine NBR-Dichtung hält Hydrauliköl problemlos stand, quillt aber in manchen Lösemitteln. Für eine Dichtung im Freien, die Sonne und Regen ausgesetzt ist, ist EPDM die bessere Wahl. Wer hier den falschen Gummi einbaut, hat schnell eine undichte Stelle.

Thermoplastische Elastomere (TPE)

Zwischen den klassischen Gruppen steht eine vierte, technisch sehr wichtige Werkstoffart: die thermoplastischen Elastomere (TPE). Sie schließen die Lücke zwischen Thermoplast und Elastomer.

Das Strukturprinzip: TPE sind nicht chemisch vernetzt wie echte Elastomere, sondern enthalten harte und weiche Kettenbereiche im selben Molekül. Die harten Bereiche wirken bei Gebrauchstemperatur wie physikalische Verknüpfungspunkte und geben dem Werkstoff sein gummielastisches Verhalten. Erwärmt man ihn jedoch stark, lösen sich diese Bereiche auf — und das TPE lässt sich wie ein Thermoplast aufschmelzen und verarbeiten.

Daraus ergibt sich der Praxisvorteil: Verarbeitung wie ein Thermoplast (schnelles Spritzgießen, schweißbar, recycelbar), Eigenschaften wie ein Elastomer (weich, flexibel, rückstellfähig). In der modernen Mechatronik und Automatisierung steckt TPE deshalb in hochflexiblen Leitungen, weichen Dichtungen, Knickschutztüllen, Soft-Touch-Griffen und nachgiebigen Greiferkomponenten an Robotern. Echter, vulkanisierter Gummi lässt sich nicht einschmelzen — TPE schon, was Fertigung und Recycling erheblich vereinfacht.

Wer einen Kunststoff auswählt oder ein vorhandenes Teil beurteilt, vergleicht ihn meist mit Metall und mit anderen Kunststoffen. Die wichtigsten Eigenschaften im Überblick: Kunststoffe haben eine geringe Dichte (Gewichtsvorteil), sind elektrisch und thermisch isolierend, korrosionsbeständig und chemisch oft sehr widerstandsfähig. Dem stehen eine deutlich geringere Festigkeit und Steifigkeit als bei Metallen gegenüber, eine begrenzte Temperaturbeständigkeit und die Alterung durch UV-Strahlung, Wärme und manche Chemikalien.

Kennzeichnung von Kunststoffteilen

Damit man Bauteile dem richtigen Werkstoff und der richtigen Entsorgung zuordnen kann, werden sie gekennzeichnet. Die Werkstoffkurzzeichen (PE, PP, PVC, PA usw.) sind nach ÖNORM EN ISO 1043 genormt und finden sich oft eingeprägt an Gehäusen und Formteilen. Für die Entsorgung tragen viele Teile zusätzlich einen Recycling-Code — das Dreieck aus Pfeilen mit einer Ziffer und dem Kurzzeichen darunter. Wer diese Kennzeichnung lesen kann, erkennt sofort, ob ein Teil zum Beispiel aus PP oder PVC besteht, ohne es prüfen zu müssen.

Kunststoffe in der Werkstatt bestimmen

Oft liegt aber ein unbeschriftetes Teil auf der Werkbank, und man muss schnell wissen, womit man es zu tun hat. Dafür gibt es einfache Werkstattproben, die schon eine grobe Zuordnung erlauben.

Die Schwimmprobe nutzt die Dichte: Ein kleines Stück wird in Wasser gegeben. PE und PP schwimmen, weil ihre Dichte unter der von Wasser liegt; die meisten anderen Kunststoffe wie PVC, PS, PA oder PET sinken. Das grenzt die Möglichkeiten sofort ein.

Die Ritzprobe prüft die Härte: Lässt sich das Material mit dem Fingernagel oder einer Klinge leicht ritzen, ist es eher ein weicher Thermoplast oder ein Elastomer; bleibt es hart und kratzfest, deutet das auf einen Duroplast oder einen harten Thermoplast hin.

Die Brennprobe ist die aussagekräftigste, erfordert aber Vorsicht und gute Belüftung. Man hält eine kleine Probe an eine Flamme und beobachtet: Brennt sie weiter oder erlischt sie? Welche Farbe und welcher Geruch entstehen? Wie verhält sich die Schmelze — tropft sie ab oder verkohlt sie? Polyethylen etwa brennt mit ruhiger Flamme und riecht nach Kerzenwachs und tropft brennend ab; PVC dagegen brennt schlecht, erlischt eher von selbst und gibt einen stechenden, chlorartigen Geruch ab. Duroplaste schmelzen nicht, sondern verkohlen. Aus dem Zusammenspiel dieser Beobachtungen lässt sich ein unbekannter Kunststoff oft schon recht sicher einer Gruppe und häufig sogar einem Typ zuordnen.

Verarbeitung — kurzer Überblick

Wie Kunststoffteile entstehen, ist ein eigenes großes Feld. Im Kontext der Werkstoffgruppen genügt der Überblick: Thermoplaste werden überwiegend im Spritzgießen (Granulat aufschmelzen, in eine Form spritzen) oder durch Extrudieren (kontinuierliches Auspressen zu Profilen, Rohren, Folien) verarbeitet — beides nutzt die Schmelzbarkeit. Duroplaste werden gepresst oder vergossen und härten in der Form aus; Elastomere werden in der Form vulkanisiert. Entscheidend für das Verständnis ist nur der Zusammenhang: Schmelzbare Thermoplaste erlauben schnelle, wiederholbare Formgebung, während vernetzende Kunststoffe ihre Form während der Aushärtung erhalten.

Auswahl und Entsorgung

Bei der Werkstoffauswahl in der Praxis spielen mechanische Belastung, Temperatur, Medienkontakt (Öl, Chemikalien, Wasser), Außenbewitterung und Kosten zusammen. Für die Entsorgung gilt: Sortenrein gesammelte Thermoplaste lassen sich gut recyceln, Duroplaste und Elastomere dagegen nicht wieder einschmelzen und werden meist thermisch verwertet oder zerkleinert weiterverwendet.