PlastXnow erklärt – Thermoplastische Kunststoffe  Thermoplaste: Eigenschaften, Beispiele & Verwendung 

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Wilhelm Büchner Hochschule - Träger: Hochschule für Berufstätige Darmstadt GmbH

Thermoplaste gehören zu den am häufigsten eingesetzten Kunststoffen in der modernen Industrie. Sie zeichnen sich durch die Fähigkeit aus, sich bei Erhitzung zu verformen und nach Abkühlung ihre ursprüngliche Härte und Form wieder anzunehmen. 

Thermoplastische Kunststoffe spielen eine zentrale Rolle in der Kunststoffindustrie. Sie sind nicht nur für die Herstellung von Alltagsgegenständen wie Kunststoffverpackungen, Flaschen und Spielzeug unverzichtbar, sondern finden auch in technischen Anwendungen wie Automobilteilen, Baukomponenten und elektrischen Geräten Verwendung. 

Ihre Beliebtheit beruht vor allem auf ihrer Vielseitigkeit und ihren anpassbaren Eigenschaften, die es ermöglichen, Thermoplaste für spezifische Anforderungen maßzuschneidern.

Was sind thermoplastische Kunststoffe?

Thermoplastische Kunststoffe (Thermoplaste) sind Kunststoffarten, die sich beim Erwärmen verformen oder schmelzen lassen und beim Abkühlen wieder fest werden – ohne dass sich ihre chemische Struktur dauerhaft verändert. Das Besondere: Dieser Prozess ist reversibel, wodurch die Polymere mehrfach schmelz- und formbar sind. 

Aufbau und Einteilung

Wie sind Thermoplasten aufgebaut?

Thermoplaste bestehen aus langen, kettenförmigen Molekülen, die nur locker nebeneinanderliegen. Zwischen den einzelnen Kunststoffketten wirken vergleichsweise schwache Kräfte, aber es gibt nur wenige oder keine festen Vernetzungen zwischen ihnen. 

Dadurch können sich die Ketten beim Erwärmen gegeneinander verschieben. Der Kunststoff wird weich und formbar. Beim Abkühlen verhärten sich die Ketten wieder, ohne dass sich die chemische Struktur verändert.

Wie lassen sie sich einteilen?

Thermoplastische Kunststoffe lassen sich in amorphe und teilkristalline Kunststoffe einteilen. Der Unterschied liegt in der inneren Struktur der Molekülketten.

• Amorphe Thermoplaste haben eine ungeordnete, „chaotische“ Anordnung der Molekülketten. Dadurch sind sie meist transparent, weil das Licht kaum gestreut wird. Sie werden beim Erwärmen nicht plötzlich schmelzflüssig, sondern erweichen allmählich über einen Temperaturbereich. 
• Teilkristalline Thermoplaste besitzen sowohl geordnete (kristalline) als auch ungeordnete Bereiche. Dadurch sind sie meist milchig oder opak, weil das Licht stärker gestreut wird. Sie haben einen klaren Schmelzpunkt und werden beim Erwärmen plötzlich flüssig. 

Thermoplaste lassen sich aber auch bezüglich mechanischer, thermischer und chemischer Eigenschaften in die Gruppen Standardkunststoffe, technische Kunststoffe und Hochleistungskunststoffe einteilen. Das ist jedoch keine chemische, sondern eine anwendungsbezogene Einteilung.

Temperaturpyramide der Kunststoffe: Einordnung einiger Kunststoffe in die Kategorien Standardthermoplaste, technische Thermoplaste und Hochleistungsthermoplaste

Wie werden thermoplastische Kunststoffe hergestellt?

Thermoplastische Kunststoffe werden in der chemischen Industrie aus sogenannten Monomeren hergestellt. Diese kleinen Moleküle werden durch eine Polymerisation miteinander verknüpft, sodass lange Kettenmoleküle entstehen.

Je nach Kunststofftyp geschieht das zum Beispiel durch Additionspolymerisation (wie bei Polyethylen) oder durch Polykondensation (wie bei Polyethylenterephthalat). Dabei entstehen die typischen langen, unvernetzten Molekülketten der Thermoplaste.

Nach der Herstellung wird der Kunststoff oft zu kleinen Granulaten verarbeitet. Dieses Granulat kann dann in der Industrie weiterverarbeitet werden, zum Beispiel durch Spritzgießen oder Extrusion.

Eigenschaften von Thermoplasten

Thermoplaste bieten eine Vielzahl von Eigenschaften, die ihre Anwendung so breit machen:

• Formbarkeit: Sie können durch Wärme verformt und in verschiedene Formen gebracht werden.
• Wiederverwertbarkeit: Sie sind in der Regel recycelbar, was ihre Nachhaltigkeit erhöht.
• Gute Isolierungseigenschaften: Sie eignen sich gut als Isolatoren in elektrischen Anwendungen.
• Chemische Beständigkeit: Viele Thermoplaste sind beständig gegenüber verschiedenen Chemikalien.
• Leichtgewicht: Die meisten thermoplastische Kunststoffe sind leicht und tragen nicht wesentlich zum Gewicht von Produkten bei.
• Vielseitigkeit: Aufgrund der großen Auswahl an thermoplastischen Kunststoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften sind sie für eine breite Palette von Anwendungen geeignet.

Vor- und Nachteile

Thermoplastische Kunststoffe haben den Vorteil, dass sie sich mehrfach erwärmen und neu formen lassen. Dadurch sind sie gut recycelbar und einfach zu verarbeiten. Außerdem sind viele Thermoplaste leicht, zäh und widerstandsfähig gegen Chemikalien. Sie werden in der Industrie günstig und schnell hergestellt.

Ein Nachteil ist, dass Thermoplaste bei hohen Temperaturen weich werden und ihre Form verlieren können. Deshalb sind sie oft weniger hitzebeständig als andere Kunststoffe. Manche Thermoplaste sind außerdem empfindlich gegenüber UV-Strahlung oder Kratzern.

Beispiele für Thermoplaste

Es gibt keine exakte Gesamtzahl an thermoplastischen Kunststoffen. Da die chemische Industrie ständig neue Polymere und Modifikationen entwickelt, geht die Zahl der Variationen in die Tausende.

Zu den wichtigsten Vertretern gehören jedoch:

• Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
• Polyethylen (PE)
• Polypropylen (PP)
• Polyvinylchlorid (PVC)
• Polystyrol (PS)
• Polycarbonat(PC)
• Polyethylenterephthalat (PET)

Weitere Beispiele sind Polylactid (PLA) und Polymethylmethacrylat (PMMA). Der am längsten bekannte Thermoplast ist Zelluloid. 

Typische Anwendungen thermoplastischer Kunststoffe

Thermoplaste finden Verwendung in einer Vielzahl von Industrien und Produkten:

• Typische Anwendungen für thermoplastische Kunststoffe wie PET, HDPE (= Polyethylen mit hoher Dichte) und PP sind Verpackungen, Flaschen, Folien und Plastiktüten. 
• Sie werden außerdem für Rohre, Kabelisolierungen und Gehäuse von Elektrogeräten verwendet. Hier kommen zum Beispiel ABS und PC zum Einsatz.
• In der Automobilindustrie nutzt man Thermoplaste wie PP und ABS zum Beispiel für Stoßfänger, Armaturen oder Innenverkleidungen. 
• Auch in der Medizintechnik, bei Spielzeug und bei Haushaltsgegenständen kommen thermoplastische Kunststoffe häufig zum Einsatz.
• Im Bauwesen findet man häufig Rohre, Fensterprofile, Verkleidungen und Bodenbeläge aus dem Thermoplast PVC.

Kurz Erklärt

Unterschied zwischen Thermoplasten, Elastomeren und Duroplasten

Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste unterscheiden sich vor allem in ihrem Aufbau und ihrem Verhalten bei Wärme.
 

• Thermoplaste (links) bestehen aus langen, unvernetzten oder nur schwach vernetzten Molekülketten. Sie werden beim Erwärmen weich und lassen sich mehrfach verformen. Beim Abkühlen werden sie wieder fest.

• Elastomere (Mitte) sind ebenfalls vernetzt, jedoch nur locker. Dadurch sind sie elastisch und dehnbar wie Gummi. Nach einer Verformung kehren sie wieder in ihre ursprüngliche Form zurück.

• Duroplaste (rechts) besitzen stark vernetzte Molekülketten. Nach dem Aushärten sind sie hart und formstabil. Sie können nicht wieder geschmolzen oder verformt werden, da sie bei starker Hitze eher verbrennen.

Wie werden thermoplastische Kunststoffe verarbeitet?

Thermoplaste werden verarbeitet, indem man sie zunächst erwärmt, bis sie weich oder flüssig werden. Anschließend können sie in die gewünschte Form gebracht werden. Nach dem Abkühlen werden sie wieder fest.

• Ein häufiges Verfahren ist das Spritzgießen. Dabei wird der geschmolzene Kunststoff in eine Form gepresst. 
• Beim Extrudieren wird der Kunststoff durch eine Düse gedrückt, um beispielsweise Rohre oder Folien herzustellen. 
• Außerdem gibt es das Tiefziehen, bei dem erwärmte Kunststoffplatten in Formen gezogen werden. 
• Auch das Schweißen von Thermoplasten ist möglich, da sie sich durch Wärme erneut verbinden lassen.

Thermoplaste sind darüber hinaus die mit Abstand am häufigsten verwendeten Kunststoffe im 3D-Druck (additive Fertigung). Sie schmelzen bei Hitze und erstarren beim Abkühlen, wodurch sie sich ideal für Verfahren wie das Schmelzschichtverfahren (FDM/FFF) eignen.

Aufbereitung & Recycling

Thermoplastische Kunststoffe lassen sich gut recyceln, weil sie beim Erwärmen wieder schmelzen und formbar werden. 

• Zuerst werden die thermoplastischen Kunststoffabfälle gesammelt und nach Sorten getrennt. 
• Anschließend werden sie gereinigt und zerkleinert. Danach werden sie eingeschmolzen und zu Granulat verarbeitet. 
• Dieses Granulat kann dann erneut zur Herstellung neuer Kunststoffprodukte verwendet werden, zum Beispiel auf Spritzgießmaschinen oder Extrusionsanlagen.

Der beschriebene Prozess wird auch mechanisches Recycling genannt. Eine weitere Möglichkeit ist das chemische Recycling, allerdings wird das weniger eingesetzt. Dabei werden die Thermoplaste in ihre chemischen Ausgangsstoffe oder kleinere Moleküle zerlegt. Das kann zum Beispiel durch Verfahren wie Pyrolyse, Vergasung oder chemische Depolymerisation geschehen. Aus diesen Stoffen kann anschließend wieder neuer Kunststoff hergestellt werden, oft in ähnlicher Qualität wie Neuware.

Der Vorteil ist, dass auch stark verschmutzte oder gemischte Kunststoffabfälle verarbeitet werden können. Der Nachteil ist, dass das Verfahren meist energieintensiver und teurer ist als das mechanische Recycling.

Fazit – Rückblick & Ausblick

Die Geschichte der thermoplastischen Kunststoffe reicht bis ins frühe 20. Jahrhundert zurück, als diese Kunststoffe erstmals in großem Maßstab produziert wurden. Seitdem haben sie sich zu einem unverzichtbaren Material in vielen Industrien entwickelt. Im Laufe der Jahrzehnte hat sich die Technologie zur Herstellung von Thermoplasten stetig weiterentwickelt.

Der Einsatz von Thermoplasten ist heute so weit verbreitet, dass wir ihnen in unserem Alltag ständig begegnen. Oft bemerkt man das gar nicht; sei es in Sportbekleidung, bei Verpackungen oder in technischen Geräten.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Thermoplaste ist ihre Rolle in Bezug auf Nachhaltigkeit. Das heißt, das Recycling der meisten Thermoplaste funktioniert sehr gut. Insbesondere Standardkunststoffe wie PE und PP sind vollständig recycelbar. Dies macht sie zu einer bevorzugten Wahl für Unternehmen, die auf Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit setzen. 

Da sich Thermoplaste durch Erhitzen leicht verformen lassen, können sie problemlos wiederverwendet werden, ohne dass ihre grundlegenden mechanischen und chemischen Eigenschaften beeinträchtigt werden. Dies trägt dazu bei, den Materialkreislauf zu schließen und Abfall zu minimieren.