【Wissenswertes zu Polymeren und Materialien】– 36 Erklärungen zur Wirkung von Additiven in Polymermaterialien – ein Thema, das es wert ist, näher erläutert zu werden +ljtjbx
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Dieser Beitrag wurde zuletzt von ljtjbx am 23.11.2015 um 10:17 bearbeitet. Additive für Polymermaterialien sind Stoffe, die die Eigenschaften des Materials verbessern, die Verarbeitung erleichtern oder dem Material neue Eigenschaften verleihen. Sie gehören zu den wichtigen Funktionskomponenten von Polymermaterialien und werden auch als Zusatzstoffe bezeichnet. Als wichtige Bestandteile des Produktsubstrats, die einen erheblichen Einfluss auf die Form, Struktur und Leistungsfähigkeit des Produkts haben, werden hohe Mengen an Zusatzstoffen in der Regel nicht zur Kategorie der Hilfsstoffe gezählt. 1. Weichmacher ； Dies ist das am häufigsten vorkommende Additiv im Kunststoffbereich – die Skandale mit Weichmachern in Taiwan von einigen Jahren zurück scheinen noch in Erinnerung zu sein. Plastik bedeutet wörtlich ein formbares Material, und Weichmacher können als Stoffe verstanden werden, die die Formbarkeit von Plastik erhöhen. Der Hauptbestandteil von Kunststoffen sind Polymeren – ohne Ausnahme ； Der grundlegende Begriff der Polymeren besagt im Grunde, dass ihre Molekulargewichte besonders hoch sind. Auf mikroskopischer Ebene bedeutet das, dass sie sehr lange Molekülketten aufweisen – die grundlegendste Form dieser Ketten ähnelt der eines Tausendfüßlers. Im Großen und Ganzen: Die Angst vor dichten Ansammlungen kann man vermeiden. Man kann sich vorstellen, wie es ist, wenn Tausende von Tausendfüßlern einen umschlingen – das Gehirn wird davon überwältigt. Lassen wir das mal beiseite und verwenden stattdessen ein anderes Beispiel ； Wenn die Zöpfe zu fest gewickelt sind, lassen sie sich nicht mehr leicht verformen. Deshalb muss man zunächst die Zöpfe etwas lockern, um sie in zwei Pferdeschwänze zu verwandeln. Die gängigste Methode dabei ist das Erwärmen der Zöpfe, anschließend werden sie wieder zusammengebunden – also geformt. Beispiele dafür sind Verfahren wie Spritzgießen oder Extrudieren. Doch die Eigenschaften der Polymeren unterscheiden sich voneinander. Einige Polymere verderben leicht während des „Auflösevorgangs“. Am auffälligsten ist dabei PVC: Es muss in der Regel auf 170 Grad erhitzt werden, um verarbeitet werden zu können. Bei 140 Grad beginnt PVC jedoch bereits, Chlorwasserstoff abzugeben – also Salzsäuregas. Das ist sehr problematisch. Denken wir mal nach: Was passiert, wenn die Haare nach dem Schlafen verklebt sind und man sie nicht entwirren kann? Vielleicht wird es jemand als neues Haarstyling tragen, aber die meisten werden sich lieber die Haare waschen. Deshalb kam den Wissenschaftlern auch dieser Gedanke: Man fügt dem PVC etwas Weichmacher hinzu, sodass es bei 140 Grad verarbeitet werden kann. Auch die Auswahl von Weichmachern ist eine Wissenschaft – genauso wie es nicht möglich ist, mit Sesamöl die Haare zu waschen. Die meisten Weichmacher, die für PVC verwendet werden, gehören zur Gruppe der Phthalsäureester, darunter auch das stark kritisierte DEHP. Da es um die Wirkung geht, werden wir hier nicht weiter über Gesundheit sprechen. Es ist zu beachten, dass Weichmacher leicht aus dem Kunststoff austreten können und dadurch die Produktqualität beeinträchtigt wird. Selbst wenn sie nicht austreten, nimmt die Festigkeit des Kunststoffs ab. Deshalb versuchen die Kunststoffverarbeiter, Weichmacher nur dann zu verwenden, wenn es unbedingt notwendig ist. Was die Menge angeht, so machen PVC und PVDC zusammen etwa 90 Prozent des gesamten Verbrauchs an Weichmachern aus – das unterstreicht diesen Punkt noch einmal. Daher sollte man der Behauptung, dass „alle Kunststoffe Weichmacher enthalten“, mit Skepsis begegnen. 2. Zähigkeitserhöhende Stoffe: Sie werden oft mit Weichmachern verwechselt. Tatsächlich können einige Weichmacher auch als Zähigkeitserhöhende Stoffe verwendet werden. Der Grund dafür ist, dass bei beiden Substanzen in der Regel das Kristallinitätsniveau der Polymeren verändert wird. Was die spezifischen Produktparameter angeht, sind die beiden tatsächlich unterschiedlich. Nochmal mit den Haaren als Vergleich: Weichmacher sind wie Wasser – sie spielen eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung. Elastifizierende Stoffe hingegen sind wie Conditioner – sie sind vor allem für die spätere Anwendung wichtig. Einige Kunststoffe sind sehr brüchig; beim Gebrauch fühlen sie sich wie Glas an – sie zerbrechen, wenn sie auf den Boden fallen. Offensichtlich ist das keine praktische Lösung. Viele Menschen mögen Kunststoffprodukte gerade deshalb, weil sie nicht so leicht kaputtgehen. Die Aufgabe des Zähmungsmittels ist es, dieses Problem zu lösen. Bei PVC-Kunststoffen sind Weichmacher zugleich Zähmstoffe, doch bei anderen Kunststoffen gibt es eine Vielzahl von Zähmstoffen; manche verwenden direkt Polymer wie Kautschuk als Zähmstoff. 3. Antioxidantien: Wenn man sich für die Gesundheitsaspekte von Instant-Nudelprodukten interessiert, hat man sicher schon vom Stoff BHT gehört. Über diesen Stoff wurde in den vergangenen Jahren berichtet. BHT ist das häufigste phenolische Antioxidans und wird in der Kunststoffindustrie äußerst weit verbreitet eingesetzt; in der Materialverarbeitungsbranche ist es nahezu unverzichtbar. Kunststoffe sind organische Hochmoleküle, deren Moleküle eigentlich ziemlich brüchig sind. In hohen Temperaturen kann es sehr gefährlich werden, wenn sie mit Substanzen wie Sauerstoff in Berührung kommen – das ist, als würde ein junges Mädchen in einfacher Kleidung auf eine leere Straße in der Nacht hinausgehen. Wir alle wissen, dass Sauerstoff der Übeltäter für bestimmte Dinge ist, die nicht geschehen sollten – und das hat nichts mit den Polymeren selbst zu tun. Doch die Wirkung des Sauerstoffs ist einfach zu stark; die Erde kann ohne ihn nicht auskommen. Deshalb muss man den Polymeren „mehr Kleidung“ geben – also Antioxidantien. Wenn Sauerstoff vorhanden ist, können diese Antioxidantien wie eine Art „Außenhaut“ fungieren, um schlimmere Folgen zu vermeiden. Das ist im Grunde die Wirkung von Antioxidantien. 4. Brandhemmer: Brandhemmer werden in der Kunststoffindustrie nicht häufig eingesetzt, sind aber dennoch sehr wichtig. Wenn die Kunststoffverarbeitungsunternehmen nach Standards brandhemmende Kunststoffe herstellen würden, könnte die Gefahr von Bränden erheblich verringert werden. Daher noch ein persönlicher Zusatz: Das Problem mit Zusatzstoffen in der inländischen Kunststoffverarbeitungsindustrie besteht derzeit nicht nur darin, dass sie übermäßig verwendet werden, sondern auch darin, dass sie falsch oder in zu geringer Menge eingesetzt werden. Die letzten beiden Probleme sind sogar noch gravierender. Der Schutzeffekt der Zusatzstoffe für uns überwiegt bei weitem ihre Schäden. Die Funktion von Brandhemmern ist einfach: Sie verlangsamen die Brenngeschwindigkeit. Viele davon sind Stoffe, die Phosphor oder Chlor enthalten; sie erzeugen schnell Freie Radikale, wodurch die Ausbreitung des Feuers verhindert wird.
Dieser Beitrag wurde zuletzt von ljtjbx am 23.11.2015 um 10:19 bearbeitet. 5. Farbstoffe – das ist noch einfacher: Sie dienen dazu, Kunststoffe zu färben. Man sollte das Thema Farbgebung jedoch nicht auf die leichte Schulter nehmen. Leistung und Ästhetik sind die beiden wichtigsten Aspekte bei der Verarbeitung von Kunststoffen – die Leistung bestimmt den Einsatzbereich, während die Ästhetik den Gewinn ausmacht. Für einzelne Unternehmen ist daher letztendlich oft die Ästhetik wichtiger. Wenn wir ein Handy sehen, dessen Gehäuse nicht gleichmäßig gefärbt ist, werden wir wahrscheinlich nicht kaufen. Was die Widerstandsfähigkeit gegen Stürze angeht: Selbst in den Filialen der Marken, die solche „Werkzeuge zum Zertrümmern von Walnüssen“ herstellen, habe ich noch nie jemanden gesehen, der bei dem Kauf eines Handys die Festigkeit des Gehäuses getestet hat. Es gibt viele verschiedene Bezeichnungen für Farbstoffe: Pigmente, Farbpigmente, Farbstoffe in Pulverform, Farbstoffmischungen usw. Glücklicherweise haben diese Begriffe unterschiedliche Bedeutungen – also, ihr Studierenden des Polymerwesens: Ist euer Gedächtnis noch in Ordnung? Hier werde ich nicht weiter darauf eingehen. 6. Verstärkungsmittel (Stärkungsmaterialien): Meistens bezeichnet man unter dem Begriff „Füllstoffe“ auch Verstärkungsmittel. Ihre Funktion besteht darin, die Steifigkeit des Kunststoffs zu erhöhen. Stärke unterscheidet sich von Härte – das muss unterschieden werden. Bei den meisten Kunststoffen wird im Einsatz keine hohe Härte gefordert, doch abgesehen von den Zerreißstellen an Lebensmitteltüten sind bei Kunststoffen in der Regel hohe Anforderungen an die Stärke zu stellen. Meistens können Verstärkungsmittel gleichzeitig die Kosten für Kunststoffe senken, denn die gängigen Verstärkungsmittel wie Calciumcarbonat, Talc, Graphit oder Carbonblack sowie Siliziumdioxid sind relativ günstig. Natürlich können diese Stoffe ihre Wirkung durch ihre direkte Wechselwirkung mit den Polymeren verstärken. Es ist jedoch nicht möglich, sie unbegrenzt hinzuzufügen – bei zu viel Zusatz nimmt auch die Stärke ab. Sie sind im Allgemeinen auch unschädlich. 7. Vernetzer: Vernetzer können eigentlich auch als Verstärker bezeichnet werden, denn für das letztendlich hergestellte Material haben sie eine ähnliche Wirkung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Füllstoffen findet zwischen dem Vernetzer und den Polymeren eine chemische Reaktion statt. Durch solche chemischen Reaktionen der Vernetzung wird die Gestalt des Kunststoffs stabiler. Wenn man wieder das Haar vom Anfang als Beispiel nimmt, dann wird es in der Regel mit einem Haargummi zusammengebunden. Beim Laufen kann dieser Gummi jedoch locker werden. Der Verbindungsstoff hingegen wirkt wie eine Klammer – seine Wirkung ist daher stabiler. 8. Lichtstabilisatoren: Ultraviolette Strahlung, eine Art hochenergetischer elektromagnetischer Wellen, kann dazu führen, dass in vielen Polymeren die Ketten zerbrechen. Lichtstabilisatoren dienen dazu, dieses Problem zu bewältigen. 9. Die Wärme-Stabilisatoren funktionieren ähnlich wie in Punkt 8 – nur dass die Energiequelle für die Kettenabbruchreaktionen nun die hohe Temperatur ist. 10. Schaumstoffmittel: Haben Sie schon Nudeln in Wasser eingeweicht? Wie werden die Nudeln eigentlich aufgequollen? Sicherlich liegt es nicht am Schaumstoffmittel. Hier geht es um die Nudelverpackungen – wie entsteht dieses Kunststoffmaterial? Im Allgemeinen sind Kunststoffe fest. Um Schaumkunststoffe zu erzeugen, die wie Brötchen aussehen, kann man offensichtlich nicht auf Hefe zurückgreifen – schließlich kann Hefe in den Verarbeitungsprozessen von Kunststoffen nicht überleben. Deshalb übernimmt ein Schaummittel die Funktion der Hefe. Es gibt natürlich viele verschiedene Mechanismen zur Erzeugung von Schaum. Zu den gängigen Schaumgasen gehören Kohlendioxid, Stickstoff und Ammoniak. Um den Schaumstoffherstellungsprozess vollständig zu beschreiben, reicht bereits ein ganzes Buch. 11. Schmierstoffe werden hauptsächlich im Verarbeitungsprozess eingesetzt. Sie ähneln in gewisser Weise Weichmachern – Weichmacher verringern die Reibung zwischen den Molekülen, während Schmierstoffe nicht nur die Reibung zwischen den Molekülen, sondern auch die Reibung zwischen den Molekülen und dem Behälter verringern können. 12. Antistatika und Brandhemmer können eigentlich als ähnlich angesehen werden – auch sie werden in geringen Mengen verwendet, sind aber in besonderen Situationen von großer Bedeutung. Insbesondere in elektronischen Bauteilen dienen sie dazu, die Ansammlung von Statik auf der Oberfläche des Kunststoffs zu verringern. 13. Es gibt noch viele weitere. Die oben genannten Zusatzstoffe gelten als relativ gängige Zusatzstoffe im Kunststoffverarbeitungsprozess. Für bestimmte Kunststoffe werden in der Regel spezielle Zusatzstoffe benötigt – beispielsweise bei Fluorkunststoffen. Viele Zusatzstoffe können in solche Materialien nicht eingesetzt werden. Die Zusatzstoffe, die in der Fluorkunststoffindustrie verwendet werden, finden hingegen in der Regel keine Anwendung bei herkömmlichen Kunststoffen.
Weichmacher dienen dazu, Polymere fließfähiger zu machen. Wie der Name schon sagt, erhöhen sie die Elastizität der Polymere und erleichtern so deren Verarbeitung. Andere verschiedene Antikatalysatoren sowie Schutzstoffe (Antioxidantien) dienen dazu, Polymeren zu schützen und ein zu schnelles Altern zu verhindern. Vulkanisierungsbeschleuniger, die zur Beschleunigung der Vulkanisierung des Kautschuks und zur Förderung seiner Vernetzung dienen. Füllstoffe & Verstärkungsmittel: Kohlepulver, Calciumcarbonat, Weißer Ton – sie dienen dazu, die Steifigkeit des Kautschuks zu erhöhen (insbesondere bei Kautschuk) und die Kosten zu senken. Farbstoffe sowie Schaumstoffe: Sie erzeugen CO2 und werden in der Herstellung von Schaumstoffen verwendet